變頻增壓風機在電鍍蒸發器中的應用與改進

劉美麗，楊金昭，張建成，趙 千，武增東

（1.首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司鍍錫板事業部，河北 唐山 063200；2.首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司冷軋作業部，河北 唐山 063200）

電鍍漂洗是電鍍錫重要的工藝環節之一。電鍍行業中，通常采用蒸發器回收、利用電鍍漂洗水來達到降低電鍍成本、減少廢水排放的目的[1]。電鍍漂洗水的回收和利用是降低電鍍成本和減少污染的重要手段，同時，高效率處理電鍍漂洗水也是鍍錫產線穩定提速和保證產品質量的重要保障。蒸發能力是影響漂洗水處理能力的決定因素。當其蒸發能力低時，會導致漂洗水處理回收不及時，引起錫泥雜質導致的帶鋼表面質量問題，并且會增加廢液處理成本。

增壓風機是蒸發循環系統中保證蒸發能力的關鍵設備。一套高效、節能的增壓風機能夠維持蒸發循環系統的氣壓穩定、管道暢通，并能及時處理二次蒸汽冷凝水，提高蒸發系統工作能力[2]。因此，深入研究增壓風機的控制與應用，對于提高電鍍漂洗水的回收利用率至關重要。

1 增壓風機在電鍍蒸發器中的應用

1.1 電鍍漂洗水處理工藝簡介

鍍錫產品生產過程中，為了保證帶鋼表面質量，電鍍完成后必須立即對帶鋼進行漂洗，漂洗過程會產生大量的電鍍漂洗水。從電鍍到漂洗的工藝過程中，電鍍液會被帶入漂洗段，產生錫泥之類的雜質，該雜質進入漂洗槽會污染漂洗水。若帶鋼漂洗后仍殘留錫泥雜質，則會粘在輥子或者帶鋼表面，造成鍍錫板表面質量問題。因此，電鍍后必須使用高質量的漂洗水對帶鋼進行徹底清洗，以防止電鍍液殘留進入下道工序。

某公司在冷軋電鍍錫產線建立電鍍蒸發間，利用蒸發濃縮法對電鍍漂洗水進行處理回收。電鍍蒸發的過程是將鍍錫生產線漂洗水箱中的溶液打入蒸發器內，通過蒸發器產生濃縮物和冷凝水，并回流到鍍錫生產線循環箱的過程。蒸發器要有足夠的蒸發能力，才能保證蒸發效率達到漂洗水的產生速度。從節能角度出發，應充分利用二次蒸汽，這樣可以減少蒸汽的消耗量，提高蒸汽的利用率[3]。增壓風機正是蒸發器循環系統中實現蒸汽二次利用的關鍵設備。蒸發罐本體原液和蒸汽通暢度、增壓風機速度、循環管道通暢度都是影響蒸發能力的重要因素。

1.2 增壓風機自動排水系統介紹

增壓風機由高壓風機葉輪、聯軸器、電機組成。聯軸器主要作用是承受和均勻分布葉輪端造成的壓力，避免對電機軸承有磨損，有專門的潤滑機構進行潤滑，聯軸器上布有溫度和振動傳感器[4]。增壓風機處理二次蒸汽時，會有大量的冷凝水產生，因此風機內部設計了自動排水系統。

增壓風機的自動排水系統主要由3 個電磁閥和1 個液位計組成，如下頁圖1 所示。通常情況下，風機下口的電磁閥1 常開，其余兩個閥門2 和3 常閉；當液位計檢測出水箱內液位較高時，將這3 個閥的狀態互換，閥門1 關閉，閥門2 和3 打開，水自動流出；待水排干凈后，閥門狀態恢復，以此實現自動排水。

圖1 增壓風機自動排水示意圖

1.3 增壓風機控制原理介紹

風機泵類負載的特性是負載轉矩M 與轉速n成平方關系，即軸功率P 與轉速n 成三次方關系。因此，增壓風機使用變頻調速電機，通過調節轉速來調節風量，能夠取得顯著的節電效益[5]。

在蒸發器控制系統中，增壓風機根據漂洗水供水量的多少決定需要給定的壓力大小。因此，將增壓風機的前后壓力差作為風機增速、減速的重要參數。增壓風機控制系統如圖2 所示。

圖2 增壓風機控制系統框圖

PLC 和變頻器聯合構成增壓風機的控制系統。在生產過程中，PLC 具有較好的運算能力，對電氣系統運行過程中的數字信息進行計算整合，給變頻器下發啟、停和速度設定等控制命令。變頻器收到控制信號后，按指令控制電機的各個動作。因此，在整個控制系統中，變頻器既是命令的接收者，也是命令的執行者，變頻器的性能直接影響增壓風機乃至整個蒸發系統的工作效率[6-7]。

2 增壓風機控制系統改進

隨著近兩年鍍錫產線產能提高，漂洗水流量加大，以及設備老化的影響，電鍍蒸發器一直存在蒸發能力不足的問題，主要是循環管道不暢、冷凝水積水，使得增壓風機負載波動大，經常導致變頻器過載或過流，并且啟動困難，帶載能力不足，一般采取清理循環管道和積水、調整風機轉速等措施暫時緩解問題發生。2019 年，電鍍錫更是頻繁發生增壓風機變頻器跳電的故障，嚴重時跳電5～6 次/d，嚴重影響電鍍漂洗水的蒸發能力，同時也造成電鍍液成本上升，輥子粘染錫泥導致檢修換輥時間增加等一系列問題。因此，為從根本解決故障，優化電鍍蒸發器的蒸發能力，針對增壓風機進行深入、徹底的分析改造，主要包括對增壓風機自動排水系統和變頻器的改進。

2.1 增壓風機自動排水系統改進

蒸發器異常停機后，管道內還存在有大量的蒸汽，一部分蒸汽會冷凝，由于風機的位置比較靠下，會造成風機葉輪積水，自動排水裝置異常，從而導致負載波動較大，使得風機啟動困難；自動排水由3 個氣動電磁閥控制，氣壓不穩或震動會導致信號異常，致使閥門開關異常，出現排水排不凈的情況。

異常狀況是指閥門關閉信號受現場影響波動，因此通過增加閥門關閉信號延時，確保閥門完全關閉到位，從而保障風機內不積累冷凝水。

2.2 增壓風機變頻器的改進

電鍍蒸發器增壓風機的電機功率為75 kW，轉速為4 291 r/min，頻率為72 Hz。由勞爾變頻器驅動，變頻器型號為6SE0102-1AA31-8AA5-Z，采用V/F的控制方式，變頻器控制電取自直流母線。負載波動受生產過程中工藝、機械等影響，電流輸出波動較大，可能導致直流母線電壓過低，從而使變頻器失電重啟、通訊字短暫丟失問題發生。因此，將電鍍蒸發器增壓風機變頻器更換為西門子PM340 變頻器，并從變頻器控制電供電結構、控制方式以及參數配置方面對增壓風機變頻器進行改進。

2.2.1 變頻器控制電供電結構改變

勞爾變頻器屬于小眾品牌變頻器，僅為電鍍蒸發器的增壓風機配備了2 臺。勞爾變頻器控制板直接從變頻器內部整流單元的直流母線處取電，設計結構緊湊，在一定程度上節省空間，但是這種高集成的硬件結構也增加了設備運行、維護的困難。直流母線過壓、過流時都會影響控制板供電故障，易造成控制電源穩定性差，且其內部的一些參數無法更改，不易查看曲線，使得現場維護非常不方便。勞爾變頻器為德國進口設備，配備的德文操作手冊也使得學習研究難度增大，故障排查效率大大降低。

PM340 變頻器的控制板由外部直流電源CU320獨立供電，電源可靠性強，方便故障排查和更換維護，可移植性強。勞爾與PM340 變頻器控制板供電結構對比如圖3 所示。

圖3 勞爾和PM340 變頻器控制板供電結構示意圖

2.2.2 變頻器控制方式改變

一般的風機水泵類負載傾向于選用V/F 變頻器，因為普通的風機泵類屬于輕載，采用控制比較簡單的開環控制即能滿足使用需求，達到節能控制效果，并且V/F 控制變頻器成本低。但是V/F 控制轉矩響應慢、穩定性較差，僅適用于速度精度不高或負載變動較小的場合。

電鍍蒸發器的負載波動是生產中積累的過程，很多因素無法控制，比如：毛細管壁積垢不暢、氣液分離裝置內部過濾網堵塞、整個系統內部壓力溫度的變化等因素，都會引起增壓風機負載波動大，電機轉速受沖擊變慢。因V/F 控制為開環控制，電機的供電頻率保持不變，此時電機瞬間失步，從而引起轉矩和轉速震蕩，經過一段時間后在一個較大的轉差下緩慢恢復平衡。電鍍蒸發器在實際的運行過程中，勞爾變頻器由于低頻帶載能力較差，存在啟動困難，不易達到設定速度的問題，導致變頻器控制異常，動態穩定性降低，嚴重影響蒸發器的蒸發能力。

PM340 變頻器采用的矢量控制為閉環控制，對異步電機的轉矩控制特性較好。即使在低頻運行時，也能產生足夠大的轉矩，且不會產生V/F 控制方式中易遇到的磁路飽和現象。矢量控制具有控制精度高、動態響應好、在整個頻率調節范圍內都具有較硬機械特性的優點，能夠很好地滿足增壓風機負載波動大的工況需求，穩定電鍍蒸發系統運行，保證蒸發能力。

2.2.3 變頻器參數配置

根據電鍍蒸發系統實際的工藝數據要求，將西門子PM340 安裝后進行基本的參數設置。

2.2.3.1 對變頻器進行優化

對變頻器進行離線配置，選擇控制方式為不帶編碼器的矢量控制，輸入電機額定數據，將參數單位轉換為%，對變頻器進行電機數據計算、靜態測量、動態測量、速度控制器優化。

2.2.3.2 修改斜坡上升、下降時間，作S 型曲線，并做電流、電壓限幅參數設置

勞爾變頻器上升和下降的斜坡時間均設定為10 s，容易造成風機過電壓、過電流問題，轉矩輸出波動大，蒸汽循環系統內壓差不穩定。對于增壓風機，由于低速時負荷較輕，可按線性模式加速；而高速時負荷較重，加速過程應減緩，以減少加速電流，保護變頻器。因此，將該PM340 變頻器的上升、下降斜坡時間改為100 s，同時修改轉矩限幅、電流限幅參數，激活電流、電壓最大控制器。當風機加速時，限制頻率設定的上升率，防止過電流；減速時限制頻率下降率，以防止過電壓。S 型曲線參數的合理設置，使得輸出轉矩更平滑，更進一步降低了對變頻器及電機的沖擊。電機S 型曲線更改界面如圖4 所示。

圖4 電機S 型曲線更改界面

2.2.3.3 配置PM340 變頻器與PLC 通訊接口參數

1）將控制通道第0 個通道設置為控制字1，第1個通道連接至P1070（主速度給定），剩下的字清除。

2）將控制字1 第4、5 個位清除，并將清除的參數手動置1。控制字1 內部16 位參數說明如表1 所示。

表1 PM340 變頻器通訊控制字設置

3）將0—9 狀態通道按表2 進行設置。

4）將狀態字1 第3—11 位全部清除，第12 位改為RUNING，將13 位設置為CU 的DI2（溫度故障）、將14 位設置為CU 的DI3（溫度報警），將第15 位清0。狀態字1 內部16 位參數設置如表3 所示。

表3 PM340 變頻器通訊狀態字1 內部參數設置

5）先將狀態字2 全部清空，然后將第0 位改為電流或者電壓控制器，將第1 位改為回饋模式，將第2 位改為RUNNING，第3 位改為主接觸器吸合命令，將第4 位強制為1。

2.3 改進效果分析

電鍍蒸發器增壓風機使用的勞爾變頻器被西門子PM340 變頻器所替代，主要從變頻器硬件供電結構、控制方式和變頻器參數配置三方面進行了改進。改進后的變頻器轉矩輸出更加穩定，蒸發器循環系統的壓差波動小。增壓風機穩定性和帶載能力增強，蒸發能力提高，故障減少。勞爾變頻器V/F 控制和PM340變頻器矢量控制下的轉矩、壓差曲線如圖6 所示。

圖6 勞爾和PM340 變頻器控制轉矩、壓差曲線

通過以上措施的整改，運行至今已有兩年時間，增壓風機的運行可靠穩定，因負載波動導致的變頻器跳電故障發生次數為零，降低了停機時間；設備優化后蒸發器運行穩定，其蒸發能力比改造前至少提高了1 000 L/h，蒸發能力明顯提升。按照鍍錫產線提速，每年增產1 200 t，并且節省進口備件采購費，每年可創造直接經濟價值達730 萬元。

3 結論

1）研究電鍍蒸發器和增壓風機工藝作用，分析增壓風機負載波動影響，優化自動排水系統閥門信號，改善了風機內冷凝水排不盡問題。

2）通過更換變頻器，改進變頻器控制板供電結構，優化控制方式，合理配置參數，解決了變頻器跳電故障，使增壓風機運行穩定，進而提高電鍍蒸發能力和漂洗廢水回收利用率，降低廢液處理成本，產線運行穩定，經濟效益顯著。

3）措施整改后增壓風機運行可靠、穩定，因負載波動導致的變頻器跳電故障發生次數為零，降低了停機時間。

4）設備優化后蒸發器運行穩定，蒸發能力比改造前至少提高了1 000 L/h，提升明顯。按照鍍錫產線提速，每年增產1 200 t，并且節省進口備件采購費，每年可創造直接經濟價值達730 萬元。