罗克韦尔/A*B中压变频器在唐钢中厚板轧钢除鳞水泵改造中的应用与节能

王 超

（唐钢中厚板材有限公司，河北 唐山 063610）

1 概述

轧钢工艺简述：炼钢输送过来的钢坯被推钢机推入轧钢加热炉中，加热炉将钢坯加热到一定温度（800-1000℃），满足轧制要求后，出钢机将钢坯运出至辊道，钢坯随辊道转动运行至轧机进行轧制。钢坯在加热炉内被加热时，表面在高温状态下被氧化，形成一层致密的氧化铁皮（鳞皮）。为保证成品钢材质量，需要在轧机轧制前将钢坯表面鳞皮状杂质处理干净。

高压水（除鳞水）就是用来处理钢坯表面杂质的。高压水泵产生的高压水（16～21MPa）进入喷嘴，在喷嘴的作用下，高压水形成一个具有很大冲击力的水束射向钢坯，将钢坯表面的氧化铁皮除去。轧制不同的板材，要求除鳞水的压力和用量也不尽相同，这就需要用到液力耦合器来改变水泵转速达到供水要求。

2 液力耦合器

2.1 液力耦合器的组成和工作原理

液力耦合器是一种液力传动装置，是利用液体的动能来传递功率的一种液压传动装置，其结构主要由壳体、泵轮、涡轮3个部分组成。液力耦合器的输入轴与电动机联在一起，随电动机的转动而转动，是液力耦合器的主动部分。涡轮和输出轴连接在一起（输出轴和水泵连在一起），是液力耦合器的从动部分，带动水泵转动。

液力耦合器是通过控制工作腔内工作油液的动量矩变化，来传递电动机能量并改变输出转速的，电动机通过液力耦合器的输入轴拖动其主动工作轮，对工作油进行加速，被加速的工作油再带动液力耦合器的从动工作涡轮，把能量传递到输出轴和水泵，这样，可以通过控制工作腔内的油压来控制输出轴的力矩，达到控制负载的转速的目地。因此，液力耦合器可以在电机恒速运转情况下实现负载转速无级调节。在变频器未应用以前，液力耦合器是一种理想的交流电机调速方式。

2.2 液力耦合器的特点

结构简单，操作方便，

2.3 性能指标

价格便宜，对精度要求低，能量转换效率低，结构简单，故障率低，运行时需加专用的冷却系统，液压油老化后定时更换。

3 罗克韦尔/A*B变频器改造方案

唐钢中厚板轧钢车间高压水除鳞以前用的就是液力耦合器调速，运行中发现有如下问题：

轧制不同的钢种，需要除鳞水提供不同的压力和流量，就需要我们经常调整液力耦合器进油量，来调整供水泵的转速达到生产需要。在实际生产操作中比较繁琐；液力耦合器在长时间的运行后，在高速转动时有时会发生抖动现象，致使耦合器的轴瓦温度升高很快很高，若不及时发现会让耦合器轴瓦烧毁，而影响生产；长时间运行还会使耦合器轴瓦密封遭到破坏，致使耦合器漏油，影响环境；经过一段使用时间后维护费用较高；液力耦合在低速运行时产生机械损耗和转差损耗较大，效率较低，造成电能浪费；液力耦合器损坏后检修较为繁琐，维修周期较长，维修完毕后安装时较为困难。

针对以上这些问题我公司对液力耦合器进行了改造，选用了罗克韦尔/A*B中压变频器（PowerFlex7000）代替液力耦合器。

3.1 改造过程

将液力耦合器拆除，基础重新更改合适后，将水泵直接与电机连接（中间增加个连接轴）。高压开关柜出线接到A*B变频器进线柜，然后将变频器出线接至电机即可。

3.2 变频器与液力耦合器比较

PowerFlex7000变频器，主要特点可靠性高，输入输出波形好，维护方便，故障率低，普通电机无需改动。

变频器通过DP总线连接至西门子S7-300PLC，泵体速度可由操作人员在电脑WINCC画面上按照轧钢工艺要求更改，节省人力，非常方便。

没有了液力耦合器，不会产生因液力耦合器故障而产生的事故时间，提高了轧钢效率。

变频器的效率大大提高，节约相当可观的费用。

4 节能与计算

高压变频器效率高，转差损耗小，其效率达0.95以上，并且不随调速的范围而变化。液力耦合器效率低，其效率与调速比成正比，负载的转速越低，其效率就越低。液力耦合器低速时效率低，主要是由耦合器带动水泵转动时产生的转差率大造成的；能量损失是由耦合器带动工作油转动产生，部分转变为工作油的热量，部分转变为工作油的动能而流出。图1所示为变频器和液力耦合器的效率曲线。

图1 两种调速方式效率曲线

液力耦合器从电动机输出轴取的机械能，通过液力变速后送入负载，其效率不可能为1；变频器从电网取的电能，通过逆变后送入电动机电枢， 其效率也不可能是1。在全转速范围内，变频器的效率变化不大，变频器在输出低转速下降时效率仍然较高，例如：100%转速时效率97%，75%转速时效率大于95%，20%转速时效率大于90%；液力耦合器的效率基本上与转速成正比，随着输出转速的降低，效率基本上成正比下降。例如：100%转速时效率95%，75%转速时效率约72%，20%转速时效率约19%。

节能计算改造后，查得变频器的低频转速下的参数如下：N=1300r/min，P1=160kW，cosØ=0.63，η=94%.，求得电机轴输出功率为Pz=150KW。

由以上数据，反过来推导在使用液力耦合器时，水泵转速在N=1300r/min时液力耦合器的输入功率P1’，在水泵转速1300r/min时，液力偶轴输出功率也为150kW，由图中知道液力耦合器的效率为47%，求得液力耦合器的输入功率为150kW/47%=320kW。所以在低频时候变频器比耦合器节能为320kW-150kW=170kW。

在高频时，变频器的效率和液力耦合器的效率相差不是很大，所以节能效果不是很明显。

通过现场观察和计算，变频器在低频运行时，所占时间的比为68%。变频器每天运行24h，每年运行320d。每年节能为320×24×68%×170kW=887808kW。

一年所节省的电费为（0.5元/kWh）：718080×0.5元=443904元

5 结语

综上所述，本文对高压变频器和液力耦合器的优缺点进行了分析，及其在水泵调速节能运行应用中的比较得出：高压变频器在技术和经济等方面都是优越的、先进的。变频器和液力耦合器相比，不仅技术先进，而且节能可观。虽然高压变频器的改造投资较大，但它的综合经济效益优于液力耦合器，它不仅是水泵调速节能的发展方向，而且也符合国家政策的规定，是值得推广的节能的先进技术。

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