高压变频器在方坯连铸机二次喷淋供水泵上的应用

邓洪辉 宝钢集团新疆八一钢铁有限公司能源中心陈 池 上海宝钢节能环保技术有限公司



高压变频器在方坯连铸机二次喷淋供水泵上的应用

邓洪辉 宝钢集团新疆八一钢铁有限公司能源中心
陈 池 上海宝钢节能环保技术有限公司

摘要：方坯连铸二次喷淋冷却用水量不稳定，压力波动大，导致设备损坏，改用回流装置调节压力浪费了大量富余水量的输送能耗，为此提出采用高压变频器根据水量需求进行控制，从而做到节能。改造实践证明，结合工艺控制需求，采用完美无谐波高压变频器对二次喷淋供水泵实施调速节能控制，系统稳定，调节及时，且节省了大量的电能，具有较好的经济与社会效益。

关键词：高压变频；节能；二次喷淋；供水泵

1 前言

某钢厂150 t转炉水处理车间为主产线的转炉、精炼、连铸、除尘、空压机站等区域提供合格水源，其中，连铸二次喷淋供水泵为方坯连铸机提供冷却水。由于该连铸机出坯速度时常变化、冷却负荷和环境温度都在不断变化，导致冷却需要的水量也不时发生变化。但供水泵无调节装置，泵长期高速运转，致使系统投运后喷淋水压力波动较大，产线不用水时压力可达到2.4 MPa，远远超出工艺需求的1.1～1.3 MPa的设计压力范围，直接造成设备损坏。此后在供水主管道上加装了一套回流装置，用以调节主管压力。但使用中发现，回流装置调节过程中压力仍然有较大波动，最高时仍达到1.8 MPa，虽能满足生产要求，但有大量的水回流，为输送这部分回流水耗费了大量的电能。考虑高压变频技术日趋成熟，调节范围大，调节及时，可节省大量能耗，特提出采用高压变频器改造其中一台供水泵，实现结合工艺需求的恒压供水，从而可避免压力波动对生产的影响， 同时电动机也可在低于工频状况下运转，并节省大量的电能。

2 连铸二次喷淋水系统工艺描述

经转炉冶炼完成的钢水倒入连铸机中，在结晶器内表面凝结出钢壳，但内部依然为钢液，为此通过喷头喷水雾使其内部冷却并凝结成固体形成钢坯，二次喷淋水就是用于冷却钢坯的水源。

连铸二次喷淋供水系统主要由浊环冷水池、二次喷淋供水泵、连铸调节阀组、旋流井及提升泵、高效沉淀器、浊环热水池及管道组成。二次喷淋供水泵将冷水池中的水供给连铸调节阀组，连铸调节阀组通过调节提供根据工艺要求的水量对钢坯进行冷却，使用后的水经过自流进入旋流井，经旋流井沉淀大颗粒，通过水泵提升送至高效沉淀器再次沉淀后，自流进入浊环热水池，通过水泵提升输送至冷却塔冷却后进入浊环冷水池，再次循环使用，如图1所示。

图1　连铸二次喷淋冷却水系统

3 高压变频节能控制

3.1系统控制方式

方坯连铸机二次喷淋供水泵采用一用一备方式，正常生产时运行一台泵，当一台泵出现故障时，另一台泵自动投入运行。为保持变频改造前后运行方式一致，采用手动一拖二带工频旁路方式对两台水泵进行变频控制，一工频一变频，二者间有连锁，保证变频器同时只能拖动一台泵，而另一台泵可随时以工频方式投用。高压主回路如图2所示，双回路供电，K12和K22为单刀双置隔离开关，两者间有电气连锁，K11和K21隔离开关带机械互锁，当一台投变频时另一台不允许投用。正常运行时投用由变频拖动的水泵，另一台为备用泵，定修时可将主备两台泵进行手动切换。当变频器出现故障时按原控制逻辑自动投用另一台泵工频运行，当两台泵均有故障时则报重故障停产。

图2　高压主回路图

3.2高压变频器选用

方坯连铸机二次喷淋供水泵为10 kV高压泵，电机为Y4506-4型普通电机，额定功率400 kW，额定电流28.6 A，额定转速1 480 rpm，功率因数0.86，采用直接启动方式。

通过调研对比，选用完美无谐波、多单元串联电压源型高压变频器，逆变主电路拓扑采用多电平形式，逆变电路采用高压功率元件脉宽调制技术，整流用移相变压器采用H级绝缘干式变压器。这种高压变频器电压波形好、控制精度高，适应普通三相异步高压电机。它技术成熟、应用广泛，且具有过流、过压、欠压、缺相、短路、过载、过热、接地、电动机过载、外部报警、主器件自保护等完备的保护功能。

根据电机的额定电压和额定电流，选用高压变频器容量为10 kV，500 kVA，8个IGBT功率单元串联，额定电流为31 A，额定功率因数为0.97，输出电流谐波不超过2%。

3.3变频器频率控制方式

变频器运行频率由PLC上位控制系统给定，有两种方式：（1）由操作人员手动给定；（2）由PLC自动采集生产节奏信息和管道压力并通过逻辑控制和PID调节给定。方式（1）通常只在信号采集系统出现故障时使用，受人为操作和判断的影响，控制精度和及时性稍差。方式（2）首先根据生产节奏判断，当没有生产时使管路维持更低的压力，由此可以减少对设备的损害，延长寿命，同时也能降低供水泵的电耗；当正常生产时，人为设定正常生产模式，由PLC采集管道压力信号，通过PLC程序中的PID调节功能输出信号控制变频器的运行频率调节供水压力，实现恒压供水。压力设定可在PLC上位控制系统中设定，控制精度为0.03 MPa，即在设定压力上下0.03 MPa范围内，变频器不进行调节。

3.4系统投入运行后的效果

（1）变频器故障率：调试过程中出现一次一个逆变单元损害，分析原因认为是在安装过程中将逆变单元中的光电耦合部分碰撞损害造成。更换逆变单元后使用6个月至今未出现故障。

（2）恒压控制状态：手动设定频率方式仅在调试期间使用，调试完成后，长期使用自动频率给定方式，系统未出现因产线用水量变化造成的压力陡升陡降现象。

（3）设备故障率降低：① 使用变频调速前，每月因压力高原因造成切断阀、调节阀损害一到两台，变频投运后未出现因压力高原因造成的阀门损坏。② 使用变频调速后，管道连接处各点漏水现象明显降低，有效地降低了维护作业劳动强度。

4 节能计算

4.1改造前运行功率

改造前，喷淋泵的在喷淋时平均电流约为25.2 A，不喷淋时约为18.5 A，供电电压基本稳定在10.3 kV。初步统计发现，喷淋时间约占总运行时间的90%，从而平均运行电流I工为：I工＝25.2×90% +18.5×（1-90%）＝24.5 A。则根据电能计算公式（其中电机功率因数按其额定值计算）：

其中，P工——工频运行功率，kW；

U——运行电压，kV；

I工——工频运行平均电流，A；

0.86——电机额定功率因数。

4.2改造后节电评估

将低速运行时频率设定为15 Hz，喷淋时变频器运行频率平均在43 Hz运行，喷淋时供电高压柜上电流平均值约为17.8 A，不喷淋时电流为4.4 A，根据喷淋时间占总时间的比得到平均运行电流I变为：

I变＝17.8×90%+ 4.4×（1-90%）＝16.5 A则根据电能计算公式（其中功率因数按变频器的额定值计算）：

其中，P工——工频运行功率，kW；

U——运行电压，kV；

I变——变频运行平均电流，A；

0.97——变频器额定功率因数。

从而有节电功率为：

相当于节电率η为：

4.3改造后实测节能效果

根据电表实测7 d的运行电耗，得到该泵的平均小时电耗为383.4 kW。

在同样生产状态的情况下，以电表实测7 d的运行电耗，得到改造后该泵的平均小时电耗为280.6 kW。得到的实际节电率为：

实测值和计算值有差别，主要是由于计算中所用公式中电压和功率因数值为固定值，实际运行中存在变化，电流取平均也带有误差等因素引起的。

根据实测数据，按年度运行时间约8 000 h计算，该套节能装置年可节电：

W＝P工×年运行时间×节电率

＝383.4×8000×26.8%＝82.2 kWh

由此可知具有非常好的节电效益，按当地电价估算，实施该项目后三年即可收回投资。

5 结束语

结合工艺控制需求，采用完美无谐波高压变频器对某150 T转炉方坯连铸机二次喷淋供水泵实施调速节能控制，系统稳定，调节及时，可靠性高，基本不需要维护，满足生产的要求，且节省了大量的电能，具有较好的技术与经济效益。体系的历史意义和现实意义，并全面做好其主体宣传工作，才能助力和引领上海电力绿色发展。

1 公司“1 2 3 4”战略体系

近两年来，上海电力提出了“1 2 3 4”战略体系，即在集团公司率先建成国际“1”流能源企业为目标，以占领人才和技术制高点为主的“2”点为抓手，以做精上海、做强全国、做优海外工程“3”为核心内容，在此3方面基础上，实现“4”个转变为支撑的战略体系，这是此百年电力企业实现脱胎换骨和腾笼换鸟跨越式发展的动力。也为企业形象宣传工作提供了重要抓手。

围绕公司“1 2 3 4”战略体系，为开展好企业宣传工作提供了丰富和鲜活的素材和题材，其中任何一个方面都可彰显国有企业在社会主义市场经济体制下参与国际竞争中表现出来的胆略、远瞩和智慧。但是，上海电力在抓好日常内部宣传、形成高素质宣传队伍和社会媒体保持良好沟通的同时，更加重视对最具有集团公司战略特色和上海电力战术特点的宣传题材，并将特色、特点与中央提倡的、时代要求的主题相结合，及时、全面、准确做好“1 2 3 4”战略体系的宣传策划，务求取得实效，就是近阶段公司的重中之重。

2 以科技创新引领上海电力绿色发展

公司选择了以科技创新、引领上海绿色发展为主要内容的开展节能减排系列宣传，逐步落实“1 2 3 4”战略目标。

2.1做好应用先进技术，治理PM 2.5的深度

节能减排是继“上大压小”后又一件对上海电力这样老的发电企业的考验，也考验着上海电力在建设美丽中国（上海）、生态电厂，积极响应国家最严格的环保控制和公众环境意识的企业意志和品质。上海电力积极贯彻“奉献绿色能源，服务社会公众”理念，针对公司实际情况，在全公司系统内开展了一场在节能减排领域的技术革命。为什么说它是“技术革命”？因为上海电力所进行的PM2.5治理、布袋式除尘和湿式除尘技术，均为国内燃煤机组首次开展，并取得了一定成效。因此，上海电力的宣传主题选择了“科技创新、引领绿色发展”，大力宣传公司在吴泾热电厂进行的PM2.5治理，外高桥发电厂进行的布袋式除尘和长兴岛第二发电厂进行的湿式除尘等一系列技术创新先行先试。

在策划主题的同时，高度重视各创新项目的进展程度、数据真实和阶段性成果，务求实事求是。因此，公司宣传部门积极联系公司科技环保部、发电厂有关部门，密切关注工程进展，审慎决定宣传的深度和广度，这种审慎和负责的宣传态度，受到了参与宣传的社会媒体的高度认可。

2.2统一认识“以科技创新引领绿色发展”的现实意义

（1）首先，上海电力是一家历史悠久的国有发电企业，在全国、集团公司范围内具有一定代表性，都面临着如何在人多、设备老、环保责任重大等实际状况，把以科技创新、引领绿色发展的经验广泛宣传，可让同类企业作为参考借鉴。其次，传统媒体（报纸、电视），尤其是中央媒体、地方主要媒体具有受众广、公信力高等优势，同时，传统媒体中的信息报送可以将企业在节能减排过程中取得的经验、遇到的困难广布于众，这也是企业反映实际情况的有效途径。因此，基于此，上海电力选择了如新华社、中央电视台、《人民日报》《经济日报》等中央媒体，《解放日报》《劳动报》等地方主流媒体和《中国电力报》《中国发电》等行业权威性的媒体，作为该主体宣传的主要媒体。

（2）宣传的方法除采取自行撰稿、投稿的方式发表之外，还采取媒体记者专访中电投集团陆启洲总经理，上海电力王运丹董事长等企业的战略决策层等，采访上海电力专业部门、基层单位负责人和有关专业技术人士相结合的方法，作专题报道进行宣传。这种方法夯实主体宣传的基础，提升了高度。如2012年年底，有关上海电力在PM2.5等有关方面的节能减排技术创新在中央电视台一套、二套和十套节目上滚动播放，效果甚佳。广大观众对上海电力“以科技创新引领上海绿色发展”内涵有了直觉的感受。

2.3做好“以科技创新引领上海电力绿色发展”之宣传的广度

2013年以来，分别在《解放日报》《经济日报》《中国电力报》《劳动报》《青年报》和《新华网》发表多篇记者专访，如2016年3月8日《人民日报.内部参阅》上发表的《靠技术创新降污减排，以节约成本投资技术——对上海电力企业实施多污染协同集成治理的调查》，2016年4月6日《解放日报》头版头条发表的《转变的力量——记上海电力6000多名员工转岗分流创新发展》一文，2016年4月16日在《新华网》发表的《上海电力：以环保责任为动力 大机组优势凸显》《燃机电厂科技创新快步走，氮氧化物排放望降至10～15ppm》两篇记者专访，2016年5月8日在《经济日报》发表的“中电投上海电力打造发电企业减排新样本”。

10月30日-11月1日，邀请新华社、中央电视台等10余家中央媒体组团到公司进行“走进新国企”联合采访，由公司董事长介绍公司“科技创新、多污染协同集成治情况”；组织媒体记者团到外高桥电厂、长兴岛电厂、吴泾电厂、漕泾热电和漕泾电厂实地进行采访。新华社、中央电视台、中央人民广播电台、人民网、新华网、工人日报、经济日报、21世纪导报、第一财经报、中国电力报等知名媒体，发表了《产业新机百姓受益》《碧海岸边白鹭为伴——中电投漕泾发电有限公司生态文明建设调查》《上海电力燃煤机组清洁发电技术处于领先地位》《上海电力公司实施多污染协同集成治理侧记》《中电投上海电力试水PM2.5除尘》《上海电力国内首家实施“多污染物协同集成治理技术”》《中电投上海火电探索集成技术治理多污染物》《火电厂如何降低PM2.5排放》，这些发表的报道彰显了上海电力“以科技创新，引领上海电力绿色发展”战略决策。

2.4“以科技创新，引领上海电力绿色发展”主题宣传的社会效果

（1）在中央、行业和地方媒体发表的报道被凤凰网、和讯网等主流网站转载，其传播范围广，影响大，提升了集团公司和上海电力的社会知名度，对上市公司的美誉度提升作用也不可估量。上海电力获得了2012年度全国电力行业新闻宣传先进集体、2012～2013年度中国电力新闻网新闻宣传先进集体和2014～2015年度上海市最佳企业报等荣誉。上海电力外部网站及时转载，在关注“上海电力”股票的股民中产生了积极影响。

（2）在《人民日报.内部参阅》上发表的专访，第一次提出了成本和利润这对矛盾在科技创新上辩与证统一的关系，供其他发电企业提供了有益借鉴。在《解放日报》报道的专访，充分肯定了上海电力在“上大压小、人员分流”工作中付出的艰辛尝试，彰显了上海电力“志不求易，事不避难”的精气神。

（3）“以科技创新，引领上海电力绿色发展”的相关宣传报道，受到了政府部门和集团公司的高度重视。其中，“百年能源国企的创新转型之路”在上海市发改委内刊《重要经济信息》发表；在《中国电力报》刊登《上海电力研发出国内领先的宽负荷脱硝技术——燃煤锅炉全负荷氮氧化物达标排放》，并经集团公司董事长批示，在全集团公司推广。

（4）2014年5月22日，由吴泾热电厂承担的《燃煤电厂减少PM2.5微颗粒聚合装置的研究与示范》科研项目顺利通过了专家组验收。

（5）2014年11月20日，漕泾电厂1000 MW 的2号机组烟气超低排放技改工程竣工。项目投产后，烟尘、硫化物、氮氧化物排放指标水平远优于2014年7月份即将实施的火电厂大气污染物排放标准，使烟气污染物排放指标控制在燃机排放标准以内，并达到国家科技支撑项目目标。2015年11月底，漕泾电厂1号机组烟气超低排放技改工程竣工，各项指标优于2号机组。2016年，该公司已经将超低排放技改技术推广到600 MW机组的田集电厂、阚山电厂和300 MW机组的外高桥电厂。这是上海电力开展“以科技创新，引领上海电力绿色发展”的最好见证。

3 结语

我国经济已进入新常态，引领经济新常态、落实发展新理念，对能源发展提出了新要求。当前，我国能源发展处于战略转型期，建设清洁低碳安全高效的现代能源体系是新时期的能源发展战略。

作为发电行业，我们必须一如既往地做好“以科技创新，引领上海电力绿色发展”的主题宣传，推进能源清洁高效利用，提高清洁能源比重。应积极推进天然气高效利用，创新可再生能源利用方式，加快发展风电和太阳能，积极发展水电，安全高效发展核电，同时积极推动地热能、生物质能发展。

邓洪辉：男，39岁，主要从事水处理电气技术管理。

High Voltage Frequency Converter Application in Billet Caster Secondary Spray Water Supply Pump

Deng Honghui Bao Steel Group Xinjiang Bayi Steel Co.，Ltd Energy Center
Chen Chi Shanghai Bao Steel Energy Saving Environment Protection Technology Co.，Ltd

Abstract：Billet caster secondary spray water supply is unstable， whose pressure has large fluctuation that results in device damage. Using backflow device to regulate pressure that results in surplus water supply transportation and distribution energy waste. The article introduces high voltage frequency converter to control water quantity according to demand， which could save energy. Renovation proves that applying perfect no harmonic high voltage frequency converter to control secondary spray water supply pump speed would save large electric power and have better economic and social benefits due to stable system and timely adjustment.

Key words：High Voltage Frequency Convertion， Energy Saving， Secondary Spray， Water Supply

DOI：10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.05.007

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