中厚板厂高压水除磷泵采用变频调速后的效果分析

徐维辰

（天津钢铁集团有限公司炼轧厂，天津300301）

0 引言

风机、水泵为工业中应用量大、使用面广的通用性设备，此类设备的耗能在各类交流电机中占了相当大的比重。耗能大是其工作特性决定的，设计时一般都是根据生产中可能出现的最大负荷而选择的，但是运行过程中为了保护设备往往不会使用到。流量控制大多只是靠调节阀门来控制，因此会造成很大的浪费。因此，为节约能源，应根据不同工况采用不同的流量调节方式，不同的调节方式所消耗的电能也不同。目前，在工业乃至生活中的电器，大都采用对电动机的变频调速。其具有调速范围宽、机械性能好、效率高、易操作等优良的调速控制品质，且节能效果高，因此采用变频调速是当前较为直接和有效的节能手段。

对于中厚板高压水除鳞设备，如果将除鳞机原恒速系统改为变频调速系统，通过采用变频器将电动机直接进行调速运行来对系统的压力、流量进行调节控制，将起到很好的节能效果，产生较大的经济效益。

1 高压水除鳞机简介

由于金属的化学性质，在加热炉内加热的过程中坯料表面会发生氧化，产生氧化铁皮。在坯料轧制过程中，氧化铁皮如果清理不净，容易在轧制中嵌入成品表面而造成疤痕，这是影响钢材质量的因素之一。为了避免此类隐患，确保成品质量，高压水除鳞为目前金属轧制中应用最广泛的方法。而高压水除鳞机作为热轧系统中的关键设备，已经成为评定热轧设备水平的重要因素之一。

当板坯从加热炉中出来后，其表面接触空气而冷却，在炉内生产的氧化铁皮会产生裂纹。在高压水的高压喷射冲击下，使钢坯上附着的氧化铁皮的表层局部急速冷却，产生收缩，从而扩大氧化铁皮裂纹，且有翘曲的部分，变形后的氧化铁皮在高压水的冲击之下破碎；高压水流冲击到氧化铁皮与板坯之间后，使冲击的动压力转变为静压力，进而产生水楔，使板坯表面的氧化铁皮脱离；同时，冲击到板坯表面的水会在高温的作用下爆发性地成为蒸汽，加快氧化铁皮的剥离；其余水流顺势将剥离后的氧化铁皮冲走，使钢坯表面变得清洁，从而达到除鳞的目的。

2 工作原理

2.1 中厚板除鳞系统工作流程

中板厂高压水除鳞系统由一重设计院负责工艺及电气控制系统设计。该系统的由高压泵组、蓄能器组、低压水罐组、预冲水阀组、自动喷射阀组、配套液压站、热金属检测仪、集水管以及相应阀门组成。而高压泵组的构成包括电机，液力耦合器，高压离心泵及相应的控制元件、检测元件、安全组件等。

目前，在除鳞过程中，系统根据显示的蓄能器压力来调整液力耦合器的转速，进而实现离心泵的调速，调整输出的压力和流量，当蓄能器压力上升到需求压力23 MP时，离心泵开始降速并低速运行，在低速运行中，蓄能器压力降到21 MP时，离心泵高速运行，再次使系统压力达到需求压力。液力耦合器就是安装在离心泵与电机间的柔性传动元件，其机能就是使电机在输出转速固定时，通过控制内部勺管对泵的转速进行调节，而且通过它能使电机功率更平稳地传给离心泵。

由于电机输入转速一直是恒定的，因此当系统在降速的过程中，电机仍然是高功率输出，所以在降速过程中就损耗了很大一部分电能。假设系统内的电机能够变频调速，这样在系统蓄能器的升压过程中，主泵电机就能依靠变频器的控制以恒定加速达到工作所需压力，并且在降压过程中，电机通过变频器来调整转速也能达到节能目的，系统控制也会更加稳定。

2.2 水泵变频调速的节能运行原理

交流异步电动机的转速公式为：

式中，N为电机转速，r/min；f为定子供电频率，Hz；P为极对数；S为转差率。

由上式可知，改变异步电动机的电源频率f就可以改变电动机的转速N。变频调速具有调速范围宽、机械性能好、效率高等优点，实现闭环控制，是理想的调速方法。

高压水泵是典型的变转矩负载。变转矩负载的特性就是转矩随转速变化而变化。水泵电机的轴功率P与其流量Q，扬程H之间的关系如下：

当流量Q1变化到Q2时，电动机的转速为N1，N2，此时Q、H、P相对于转速的关系如下：

而电动机的轴功率P和转矩T的关系为：

因此：

由上面公式可以看出，水泵的电动机的轴动力与转速的3次方成正比，二转矩与转速的2次方成正比。

图1为水泵的扬程与流量、转矩与电机转速的关系曲线。

由流体力学得知，流量、压力、功率与转速的关系，水泵设备采用变频器调速后，当流量下降80%时，转速也会下降80%，而功率会下降到额定功率的51.2%，当流量下降到60%时，功率会下降到额定功率的21.6%。上述只是理想状态，实际情况也要考虑到转速降低时会引起的效率降低，即使这样节能效果也很明显，因此采用转速来调节流量是有效的节能办法。

在泵的使用过程中，需要在维持恒压的情况下改变流量。当流量下降时，如不改变泵转速，扬程将上升，其功率可以用扬程×流量计算。采用变频调速进行调速，流量下降时，在压力不变的情况下，若转速下降致额定转速的80%，轴功率将下降致额定功率的51.2%；若是扬程恒定，使转速下降到额定转速的60%，此时功率是额定值的21.6%，节能效果明显（见表1）。

表1 n2/n1与电耗关系

3 生产中的实例效果

参考双棒材生产线，在工艺要求上对出炉钢坯质量要求也非常严格，对确保高压水系统中系统压力及出水压力更是需要严格监控。通过参考交流，系统在改进为变频系统控制后，高压水系统有了更加优良的控制方式。通过改进，使系统内通过自身调节达到了流量、压力的闭环控制，确保了在满载生产过程中调速时间与出水压力及流量的需求。改进后的系统在投入生产线使用多年后，工作状态很稳定，除鳞效果理想，且故障率低，在确保生产的需求同时，节省了人力、物力及大量电能。

4 节能预算

当系统电机改为变频调速后，通过电机自身的调速改变泵的转速，与现在采用的阀门-耦合器调控相比，在满足生产需求的前提下，不但提高了设备的稳定性，还节约了电能，取得了较好的经济效益。

以下对除鳞泵电机改用变频器调整转速后与现在使用工频系统电机的耗能进行计算并对比，通过数据说明产生的经济效益。

4.1 高压水除鳞主泵电机在工频恒速时所消耗电能

目前使用主泵电机型号为YKS630-2的3相异步电动机，其参数为功率2 800 kW，电流183.4 A，电压 10 kV，50 Hz，转速 2 950 r/min。

按每年运行300天（除固定年修之外），每天3班连续生产，并且除去平均每天停车检修时间共计2 h计算，每年消耗电能为：

2 800 kW×（24-2）× 300=18 480 000 kW·h

4.2 当除鳞泵主电机改用变频调速后所消耗的电能

由2.2得知，水泵的电动机的轴动力与转速的3次方成正比：

已知主泵转速，在快节奏生产时其增压与降压时间比为4∶1，通过观察取降速时转速为升速过程的1/2来计算。

降速过程中除鳞主泵的运行功率：P=2 800[1/2]3=350 kW

同样按全年运行300天（除固定年修之外），每天连续生产，并且除去平均每天停车检修或等温时间共计2h计算，每年消耗电能为：

采用变频调速后预估每年可以节约电能：

按照电0.8元／kW·h，通过计算，一年可以节约电费240万元。

由上述计算分析可以看出，当高压水主泵电机采用变频调速后，对比目前在用的工频控制比较下，节能效果十分明显。变频系统在实际运行过程中，由于变频电机的使用转速会低于额定速度而且速稳定性好，可以减少设备震动产生的冲击，进而降低设备故障率及备件费用，减少设备维护工作量，取得较好的经济效益。

5 结论

结合当前钢材市场的严峻形势，应立足于设备本身实际情况，探究节约成本的路径，通过本文得到以下结论：证实了变频系统的节能性，通过计算能看出节能效果明显，取得较好的经济效益；变频器直接控制电机，进行调速驱动泵的工作，从而提高了传动效率，使设备更稳定；可以明显改善工况，避免阀门调节，使操作更简便，控制精度更高，响应速度快，让系统工作更平稳；设备稳定后能够延长设备寿命，为其他耗电设备的改进方向提供的参考价值。