中厚板廠高壓水除磷泵采用變頻調速后的效果分析

徐維辰

（天津鋼鐵集團有限公司煉軋廠，天津300301）

0 引言

風機、水泵為工業中應用量大、使用面廣的通用性設備，此類設備的耗能在各類交流電機中占了相當大的比重。耗能大是其工作特性決定的，設計時一般都是根據生產中可能出現的最大負荷而選擇的，但是運行過程中為了保護設備往往不會使用到。流量控制大多只是靠調節閥門來控制，因此會造成很大的浪費。因此，為節約能源，應根據不同工況采用不同的流量調節方式，不同的調節方式所消耗的電能也不同。目前，在工業乃至生活中的電器，大都采用對電動機的變頻調速。其具有調速范圍寬、機械性能好、效率高、易操作等優良的調速控制品質，且節能效果高，因此采用變頻調速是當前較為直接和有效的節能手段。

對于中厚板高壓水除鱗設備，如果將除鱗機原恒速系統改為變頻調速系統，通過采用變頻器將電動機直接進行調速運行來對系統的壓力、流量進行調節控制，將起到很好的節能效果，產生較大的經濟效益。

1 高壓水除鱗機簡介

由于金屬的化學性質，在加熱爐內加熱的過程中坯料表面會發生氧化，產生氧化鐵皮。在坯料軋制過程中，氧化鐵皮如果清理不凈，容易在軋制中嵌入成品表面而造成疤痕，這是影響鋼材質量的因素之一。為了避免此類隱患，確保成品質量，高壓水除鱗為目前金屬軋制中應用最廣泛的方法。而高壓水除鱗機作為熱軋系統中的關鍵設備，已經成為評定熱軋設備水平的重要因素之一。

當板坯從加熱爐中出來后，其表面接觸空氣而冷卻，在爐內生產的氧化鐵皮會產生裂紋。在高壓水的高壓噴射沖擊下，使鋼坯上附著的氧化鐵皮的表層局部急速冷卻，產生收縮，從而擴大氧化鐵皮裂紋，且有翹曲的部分，變形后的氧化鐵皮在高壓水的沖擊之下破碎；高壓水流沖擊到氧化鐵皮與板坯之間后，使沖擊的動壓力轉變為靜壓力，進而產生水楔，使板坯表面的氧化鐵皮脫離；同時，沖擊到板坯表面的水會在高溫的作用下爆發性地成為蒸汽，加快氧化鐵皮的剝離；其余水流順勢將剝離后的氧化鐵皮沖走，使鋼坯表面變得清潔，從而達到除鱗的目的。

2 工作原理

2.1 中厚板除鱗系統工作流程

中板廠高壓水除鱗系統由一重設計院負責工藝及電氣控制系統設計。該系統的由高壓泵組、蓄能器組、低壓水罐組、預沖水閥組、自動噴射閥組、配套液壓站、熱金屬檢測儀、集水管以及相應閥門組成。而高壓泵組的構成包括電機，液力耦合器，高壓離心泵及相應的控制元件、檢測元件、安全組件等。

目前，在除鱗過程中，系統根據顯示的蓄能器壓力來調整液力耦合器的轉速，進而實現離心泵的調速，調整輸出的壓力和流量，當蓄能器壓力上升到需求壓力23 MP時，離心泵開始降速并低速運行，在低速運行中，蓄能器壓力降到21 MP時，離心泵高速運行，再次使系統壓力達到需求壓力。液力耦合器就是安裝在離心泵與電機間的柔性傳動元件，其機能就是使電機在輸出轉速固定時，通過控制內部勺管對泵的轉速進行調節，而且通過它能使電機功率更平穩地傳給離心泵。

由于電機輸入轉速一直是恒定的，因此當系統在降速的過程中，電機仍然是高功率輸出，所以在降速過程中就損耗了很大一部分電能。假設系統內的電機能夠變頻調速，這樣在系統蓄能器的升壓過程中，主泵電機就能依靠變頻器的控制以恒定加速達到工作所需壓力，并且在降壓過程中，電機通過變頻器來調整轉速也能達到節能目的，系統控制也會更加穩定。

2.2 水泵變頻調速的節能運行原理

交流異步電動機的轉速公式為：

式中，N為電機轉速，r/min；f為定子供電頻率，Hz；P為極對數；S為轉差率。

由上式可知，改變異步電動機的電源頻率f就可以改變電動機的轉速N。變頻調速具有調速范圍寬、機械性能好、效率高等優點，實現閉環控制，是理想的調速方法。

高壓水泵是典型的變轉矩負載。變轉矩負載的特性就是轉矩隨轉速變化而變化。水泵電機的軸功率P與其流量Q，揚程H之間的關系如下：

當流量Q1變化到Q2時，電動機的轉速為N1，N2，此時Q、H、P相對于轉速的關系如下：

而電動機的軸功率P和轉矩T的關系為：

因此：

由上面公式可以看出，水泵的電動機的軸動力與轉速的3次方成正比，二轉矩與轉速的2次方成正比。

圖1為水泵的揚程與流量、轉矩與電機轉速的關系曲線。

由流體力學得知，流量、壓力、功率與轉速的關系，水泵設備采用變頻器調速后，當流量下降80%時，轉速也會下降80%，而功率會下降到額定功率的51.2%，當流量下降到60%時，功率會下降到額定功率的21.6%。上述只是理想狀態，實際情況也要考慮到轉速降低時會引起的效率降低，即使這樣節能效果也很明顯，因此采用轉速來調節流量是有效的節能辦法。

在泵的使用過程中，需要在維持恒壓的情況下改變流量。當流量下降時，如不改變泵轉速，揚程將上升，其功率可以用揚程×流量計算。采用變頻調速進行調速，流量下降時，在壓力不變的情況下，若轉速下降致額定轉速的80%，軸功率將下降致額定功率的51.2%；若是揚程恒定，使轉速下降到額定轉速的60%，此時功率是額定值的21.6%，節能效果明顯（見表1）。

表1 n2/n1與電耗關系

3 生產中的實例效果

參考雙棒材生產線，在工藝要求上對出爐鋼坯質量要求也非常嚴格，對確保高壓水系統中系統壓力及出水壓力更是需要嚴格監控。通過參考交流，系統在改進為變頻系統控制后，高壓水系統有了更加優良的控制方式。通過改進，使系統內通過自身調節達到了流量、壓力的閉環控制，確保了在滿載生產過程中調速時間與出水壓力及流量的需求。改進后的系統在投入生產線使用多年后，工作狀態很穩定，除鱗效果理想，且故障率低，在確保生產的需求同時，節省了人力、物力及大量電能。

4 節能預算

當系統電機改為變頻調速后，通過電機自身的調速改變泵的轉速，與現在采用的閥門-耦合器調控相比，在滿足生產需求的前提下，不但提高了設備的穩定性，還節約了電能，取得了較好的經濟效益。

以下對除鱗泵電機改用變頻器調整轉速后與現在使用工頻系統電機的耗能進行計算并對比，通過數據說明產生的經濟效益。

4.1 高壓水除鱗主泵電機在工頻恒速時所消耗電能

目前使用主泵電機型號為YKS630-2的3相異步電動機，其參數為功率2 800 kW，電流183.4 A，電壓 10 kV，50 Hz，轉速 2 950 r/min。

按每年運行300天（除固定年修之外），每天3班連續生產，并且除去平均每天停車檢修時間共計2 h計算，每年消耗電能為：

2 800 kW×（24-2）× 300=18 480 000 kW·h

4.2 當除鱗泵主電機改用變頻調速后所消耗的電能

由2.2得知，水泵的電動機的軸動力與轉速的3次方成正比：

已知主泵轉速，在快節奏生產時其增壓與降壓時間比為4∶1，通過觀察取降速時轉速為升速過程的1/2來計算。

降速過程中除鱗主泵的運行功率：P=2 800[1/2]3=350 kW

同樣按全年運行300天（除固定年修之外），每天連續生產，并且除去平均每天停車檢修或等溫時間共計2h計算，每年消耗電能為：

采用變頻調速后預估每年可以節約電能：

按照電0.8元／kW·h，通過計算，一年可以節約電費240萬元。

由上述計算分析可以看出，當高壓水主泵電機采用變頻調速后，對比目前在用的工頻控制比較下，節能效果十分明顯。變頻系統在實際運行過程中，由于變頻電機的使用轉速會低于額定速度而且速穩定性好，可以減少設備震動產生的沖擊，進而降低設備故障率及備件費用，減少設備維護工作量，取得較好的經濟效益。

5 結論

結合當前鋼材市場的嚴峻形勢，應立足于設備本身實際情況，探究節約成本的路徑，通過本文得到以下結論：證實了變頻系統的節能性，通過計算能看出節能效果明顯，取得較好的經濟效益；變頻器直接控制電機，進行調速驅動泵的工作，從而提高了傳動效率，使設備更穩定；可以明顯改善工況，避免閥門調節，使操作更簡便，控制精度更高，響應速度快，讓系統工作更平穩；設備穩定后能夠延長設備壽命，為其他耗電設備的改進方向提供的參考價值。