UFC工艺加压泵电气传动装置的选型策略

刘金波 林海涛 许荣生

(1:宝钢韶关钢铁有限公司板材厂 广东韶关512123; 2:北京科技大学冶金与生态工程学院 北京100083)

UFC工艺加压泵电气传动装置的选型策略

刘金波①1，2林海涛1许荣生1

(1:宝钢韶关钢铁有限公司板材厂 广东韶关512123; 2:北京科技大学冶金与生态工程学院 北京100083)

针对韶钢超快冷项目改造中加压泵电气传动装置的选型，本文通过对超快冷加压泵电气传动系统的分析和计算，并结合现场的实际使用情况，摒弃了采用变频电动机加合资品牌串联多重化高压变频器的加压供水泵传动方式，选用了满足工艺要求且无需定制的普通高压电动机加单元串联多重化变频器的低成本选型方案。通过韶钢3450mm生产线实际验证，该方案完全满足超快冷工艺现场使用要求，系统运行稳定，为韶钢3450mm超快冷改造项目直接节约投资150多万元。

UFC 加压泵 电气传动 选型

1 前言

宝钢韶关钢铁有限公司板材厂3450mm生产线因采用新一代TMCP技术[1]于2014年1月增加一套超快冷(UFC)装置(ADCOS-PM，新一代中厚板轧后冷却装置)。超快冷装置有超常规的冷却能力，冷却速度一般大于100℃/s[2]。在超快冷生产中，冷却规程的精确执行是保证钢板性能和板型稳定的基础，冷却水压力的平稳快速调整是其核心之一[3]。韶钢3450mm生产线超快冷装置供水采用高位水箱加加压泵的供水方式，高位水箱高24m，超快冷供水水压有0.2MPa和0.5MPa两种方式，其中0.5MPa由加压泵对高位水箱二次加压实现。工艺需求最大供水量为10000m3/h，正常供水时流量调节范围约为2000m3/h～10000m3/h，单块钢板冷却最长供水调整时间(怠速到工频)必须在10s内，最长关水调整时间(工频到怠速)必须在15s内，需采用定制设计的变频器传动系统[4]。

超快冷装置加压泵设计为3台，单台供水量4200m3/h。加压泵选型为700×H×S60单级双吸离心泵，主要参数:Q=3200～4000～4800m3/h，H=64～60～55m，额定转速n=980rpm。

图1 超快冷装置示意图

超快冷冷却工艺要求

1) 加压泵电气传动系统需选择变频传动装置以满足水流量连续大范围调节要求。

2) 三台供水泵存在单台一用两备，双台两用一备，三台同开三种供水方式，以满足正常供水时2000m3/h～10000m3/h流量调节范围，多台快速调节对变频系统调速同步性要求较高。

3)正常供水时频率调整范围约为10Hz～50Hz，从10Hz到50Hz的调整时间必须小于10s，50Hz调整到10Hz必须小于15s，对电气传动系统响应要求较高。

2 加压泵电气传动选型分析

在以往设计的超快冷工艺变频及传动系统中，加压供水泵传动系统均采用变频电动机加合资品牌串联多重化高压变频器的传动方式，并由变频器厂家根据上述工艺要求进行定制。其定制方案主要为加大恒功率类负载变频器的容量或直接选用恒转矩型变频器。这种传动选型很好的保证工艺需求，但也大大增加了项目投资成本。

为降低项目投资成本，我们基于工程经济的角度针对电气传动选型做了分析，主要集中在两个问题：

1)加压泵电动机能否采用普通高压异步电动机？

2)普通单元串联多电平PWM电压源型变频器能否满足工艺要求？

3 加压泵电动机选型计算

3.1 加压泵电动机选型

单元串联多电平PWM电压源型采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器满足IEEE 519-1992和GB/T14549-93标准，具有对电网谐波污染小、可实现冗余、输入功率因数高、不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置，输出波形质量好、不存在谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动、dU/dt低等特点，不必加装输出滤波器就可以用于普通异步电动机[5]。

电动机拖动水泵类负载，水泵满载转动惯量1400N·m2，大大低于电动机本身的转动惯量11000N·m2且水泵负载平稳，对电动机冲击很小，过载能力要求小。

变频调速要求加强对地绝缘和线匝绝缘强度，推荐使用F级或更高绝缘等级。

根据

式中n1、n2—加压泵功率；P1、P2—加压泵转速；H1、H2—加压泵流量。

采用变频控制，当流量减少时，所需功率近似按流量的3次方大幅度下降[3]，加压泵低速情况下电动机功率降低很快，且加压泵为间歇性工作制，同轴冷却风机基本满足其冷却需要。

为了进一步分析超快冷加压泵电机选用高压变频电机还是选用普通高压电机的问题，表1在现场实际需求的基础上对两种电机能否满足现场要求进行了比较，从表中可以看出，针对本项目的实际情况，普通电机也完全能满足现场的实际需要，基于此，并从经济性角度出发，加压泵电动机选择普通YKK560-6型高压电动机，F级绝缘，防护等级IP54。

表1 超快冷加压泵电机选型要素比较

3.2 加压泵电动机计算

根据离心泵电动机功率计算公式(1)[6]

(1)

式中K—裕量系数，取1.05；γ—水密度；Q—加压泵流量；H—加压泵扬程；ΔH—主管损失扬程；η—加压泵水泵效率，取0.85；ηC—加压泵传动效率，与电动机直接连接为1。

由上式得加压泵电动机计算功率为(700∶800∶900)kW，考虑到加压泵流量、扬程及加减速时间要求，电动机适当选大至900kW。电动机主要参数选型为：PN=900kW，UN=10kV，IN=65A，nN=993r/min，η=0.95，Tn=8665.6N·m。

4 加压泵电气传动系统参数计算

加压泵传动系统选择单元串联多重化高压变频器，水泵为平方负载，变频器容量根据电动机容量适当放大1.1～1.2倍，按1000kVA～1100kVA选取。由于工艺要求正常供水时从10Hz到50Hz的调整时间必须小于10s，50Hz调整到10Hz必须小于15s，选型时主要核算传动系统的加减速响应问题。根据加减速时间与电动机的输出转矩以及负载转矩有关，系统的机械方程为公式(2)[7]：

(2)

式中Te—电磁转矩；T1—负载转矩；J=J1+J2—转动惯量；ω—角速度；RΩ—阻尼系数，由于阻尼系数不易获取，阻尼转矩RΩω按0.1倍额定转矩进行估算。

加压泵整个加减速过程按匀加减过程计算有：

(3)

式中TACC、TDec—加减速转矩；J1—电动机转动惯量，11000N·m2；J2—水泵转动惯量，空载1000N·m2，满载1400N·m2，按满载计算。

按10Hz(199r/min)到50Hz(993r/min)匀加速10s核算，电动机加速转矩为1031N·m。按50Hz(993r/min)到10Hz(199r/min)匀减速15s核算，电动机减速转矩为687N·m。

加压泵的转速—负载曲线图如图2。

图2 加压泵转速转矩关系曲线图

从图3可以看出，按10Hz匀加速10s到50Hz过程中，加压泵电动机及变频器计算电流最大为57.2A，小于电动机及变频器额定电流，满足使用工艺要求。

表2给出了在实际工艺要求下，两种变频器对于现场要求的满足情况，从表中可以看出，普通国产变频器和定制合资变频器均可满足超快冷加压工艺实际要求。

图3 加压泵电动机启动电流时间计算曲线

表2 超快冷加压泵变频器选型要素比较

表3 超快冷加压泵电气传动系统选型方案比较

5 韶钢加压泵电气传动使用情况

韶钢超快冷工艺加压泵装置采用江西特种电动机厂900kW YKK560-6型电动机和广州智光电气公司Zinvert-A8H1150/10B型变频器，投产后装置很好的满足了超快冷工艺要求。加压泵电动机频率时间实际曲线如图4所示。

从图4可以看出，加压泵电动机频率从10Hz到50Hz约12s左右。主要是在满足现场实际使用情况下降低现场超快冷装置局部压力波动和减少水泵冲击适当调长了变频器上升时间参数。

表3是超快冷加压泵电气传动系统韶钢3450mm生产线和其他钢厂选型方案比较，通过比较我们可以看出韶钢3450mm生产线选型方案比其他钢厂选型方案节约投资约50万/台套。

图4 加压泵电动机启动频率时间曲线

6 结束语

通过对超快冷工艺加压泵电气传动系统选型分析和计算，得出满足工艺要求的电气传动参数，并经过实际工况分析后，放弃了以往设计的超快冷工艺变频及传动系统中，加压供水泵传动系统均采用变频电动机加合资品牌串联多重化高压变频器的传动方式，选取普通高压电动机加单元串联多重化变频器的电气传动方式，通过实际应用表明，加压泵电动机普通化的变频电机国产化的选型方案完全满足了现场生产的实际需要，符合工艺要求，系统运行稳定，为韶钢节约投资达150多万元。

[1]王国栋.新一代TMCP技术的发展[J].轧钢,2012,Vol.29(1):18.

[2]彭良贵,王相华,王国栋.超快冷却技术的发展[J].轧钢,2004,Vol.21(1):1-3.

[3]孙涛,周娜,王丙兴,等.中厚板控制冷却系统的水流量控制技术[J].东北大学学报(自然科学版)，2008,Vol.29(6):842-844.

[4]李家栋,付天亮,李勇,等.多补偿复合型超快冷水压控制策略的建立和应用[J].轧钢,2013,Vol.30(3):48-52.

[5]项立峥,逯乾鹏,李南坤,等.高压变频器调速技术及发展趋势研究[J].电力设备,2005,Vol.6(6):14-17.

[6]《钢铁企业电力设计手册》编委会.钢铁企业电力设计手册(下册).北京:冶金工业出版社，2008:42.

[7]《钢铁企业电力设计手册》编委会.钢铁企业电力设计手册(上册).北京:冶金工业出版社，2008:306.

SelectionStrategyofElectricDevicewithPressurePumponUFCTechnology

Liu Jinbo1，2Lin Haitao1Xu Rongsheng1

(1:Shaoguan Iron & Steel Co., Baosteel Group, Shaoguan 512123; 2:University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083)

Aiming at the selection of pressure pump electric drive at UFC in reconstruction project, through the analysis and calculation of pressure pump electric drive system, and combined with the actual situation on site, abandoned the use of transmission mode of pressuried water supply with variable frequency motor and series multiple high-voltage inverter, and chosen common high-voltage motor with unit series multiple inverter which meeting the process requirements and no custom. Through the actual verification at SISG 3450mm production line, the scheme can meet the requirements of the ultra fast cooling process, and system is running stable, directly save investment about 1500000 yuan.

UFC equipment Pressure pump Electric drive Model selection

刘金波，男，1983年出生，北京科技大学在读研究生，工程师，主要从事电气传动和冶金自动化工作

TG333

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.05.007

2014-05-27)