高壓變頻器在軋鋼廠(chǎng)濁環(huán)系統及加熱爐系統的應用
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軋鋼廠(chǎng)生產(chǎn)用水均采用循環(huán)用水系統，循環(huán)水系統共分為三個(gè)部分，即加熱爐、凈環(huán)、濁環(huán)水系統。從工藝上講軋鋼工序整個(gè)循環(huán)水系統按用水后水質(zhì)的情況可分為凈環(huán)系統和濁環(huán)系統兩大部分。加熱爐和設備的冷卻方式為間接冷卻, 使用后的水僅水溫升高，水質(zhì)未被污染，屬凈環(huán)系統；軋機的冷卻方式為直接冷卻,使用后的水不僅水溫升高，水質(zhì)已被氧化鐵皮及油類(lèi)等污染，屬濁環(huán)系統，其中沖洗氧化鐵皮用水屬該系統中的小循環(huán)系統，該用水僅對水壓有要求。
軋鋼濁環(huán)水系統用水量是變量，而水處理供水泵為定量泵，全部依靠持壓泄壓閥泄水來(lái)維持系統穩定，造成能源浪費。因此需對軋鋼水處理作業(yè)區濁環(huán)水泵部分電機進(jìn)行變頻改造，這樣既節水又節能。
陜西龍門(mén)鋼鐵集團軋鋼廠(chǎng)濁環(huán)系統及加熱爐系統中的高壓風(fēng)機、水泵，其輸出功率不能隨生產(chǎn)負荷變化而變化，只有通過(guò)改變風(fēng)門(mén)、檔板、閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)調整，這導致負載運行效率較低，并且有大量能量浪費在節流損失中。
圖1 軋鋼工序水循環(huán)流程示意圖
二、變頻調速系統應用方案
本次改造主要涉及以下幾方面：系統主回路控制方案、變頻器系統控制方案、現場(chǎng)安裝、及變頻器的散熱方案。相關(guān)系統介紹如下：
2.1 系統主回路控制方案
針對棒材廠(chǎng)旋流池水系統高壓水泵、凈環(huán)水泵與棒材加熱爐空煙風(fēng)機、煤煙風(fēng)機、高線(xiàn)加熱爐煤煙風(fēng)機、空煙風(fēng)機、助燃風(fēng)機上（共八臺高壓變頻器），采用主回路如下：
圖2 變頻調速系統主回路
圖2中TF為高壓變頻器，采用利德華福品牌完美無(wú)諧波系列高壓變頻器。該系列變頻器采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現直接高壓輸出。變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染極小，輸入功率因數高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱、轉矩脈動(dòng)、噪音、dv/dt及共模電壓等問(wèn)題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，現場(chǎng)不需要更換電機。
2.2 變頻器控制系統
該控制系統主要用于控制濁環(huán)泵房9臺水泵和旋流井中2臺水泵、及相關(guān)管道壓力、流量、液位等的遠程/就地的自動(dòng)和手動(dòng)控制功能。
2.2.1控制系統架構圖
圖3 控制系統結構圖
該控制系統主要由施耐德PLC實(shí)現所有水泵、壓力、流量、液位等實(shí)時(shí)數據的采集和控制等功能，并對變頻器進(jìn)行實(shí)時(shí)監視、控制和調節。所有控制功能可以通過(guò)遠程或就地方式實(shí)現相關(guān)設備的自動(dòng)或手動(dòng)控制。PLC采集到的所有數據又可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)傳輸到上位監控計算機進(jìn)行數據顯示、記錄、管理、打印、控制和參數調節功能。
整個(gè)控制系統由兩層網(wǎng)絡(luò )結構組成：現場(chǎng)控制層和監控層。
現場(chǎng)控制層主要用于連接PLC和變頻器設備，用于實(shí)現PLC對變頻器實(shí)時(shí)運行狀態(tài)數據的采集和對變頻器的控制和調節功能。
現場(chǎng)控制層主要由兩種方式連接PLC和變頻器設備：Profibus DP現場(chǎng)總線(xiàn)和硬接線(xiàn)方式。
監控層主要通過(guò)Modbus TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )連接PLC和濁環(huán)泵房、軋線(xiàn)主控室的監控計算機，用于實(shí)現監控計算機對現場(chǎng)所有設備及儀表數據的實(shí)時(shí)采集、監視、記錄、管理、報警；對所有設備的實(shí)時(shí)遠程自動(dòng)控制、調節等功能。
由于濁環(huán)泵房和軋線(xiàn)主控室距離較遠，因此，采用多模光纖以太網(wǎng)交換機設備用于連接所有監控計算機。
2.2.3控制模式
為了保證控制系統的正常、可靠運行，控制系統采用多種控制模式實(shí)現對現場(chǎng)水泵的實(shí)時(shí)監視和控制功能：
? 遠程自動(dòng)：通過(guò)上位計算機實(shí)現對現場(chǎng)設備的實(shí)時(shí)數據采集和自動(dòng)控制、調節等功能；
? 遠程手動(dòng)：通過(guò)上位計算機實(shí)現對現場(chǎng)設備的實(shí)時(shí)數據采集和手動(dòng)控制、調節等功能；
? 變頻器手動(dòng)：變頻器上提供了操作面板可以實(shí)現對水泵的現場(chǎng)手動(dòng)控制、調節等功能；
? 就地手動(dòng)：通過(guò)變頻器控制柜的手動(dòng)控制按鈕可以實(shí)現對水泵的現場(chǎng)手動(dòng)控制、調節等功能；
2.2.4profibus DP控制方式
Profibus DP現場(chǎng)總線(xiàn)：PLC和變頻器之間采用Profibus DP現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現實(shí)時(shí)的數據交換功能。該方式可以通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)將變頻器的所有相關(guān)狀態(tài)信息實(shí)時(shí)傳輸到PLC和上位監控計算機，并將上位計算機或PLC下發(fā)的控制和調節指令實(shí)時(shí)傳送到變頻器，實(shí)現對現場(chǎng)變頻器的所有控制功能。
利德華福變頻器兼容實(shí)現Profibus DP通訊協(xié)議，只要將Profibus DP通訊電纜接到變頻器的PLC通訊模塊接口上通過(guò)在變頻器人機界面中簡(jiǎn)單的參數設置便可以實(shí)現正常通訊。
2.2.5硬接線(xiàn)控制方式
硬接線(xiàn)方式：該方式是ProfibusDP現場(chǎng)總線(xiàn)的備用方式，如果Profibus DP總線(xiàn)發(fā)生故障時(shí)，依然可以通過(guò)硬接線(xiàn)方式實(shí)現對現場(chǎng)設備的所有監視和控制功能。
高壓變頻器和現場(chǎng)DCS控制系統硬接線(xiàn)連接的接口如下：
A、變頻器提供的開(kāi)關(guān)量輸出8路：
(1) 變頻器待機狀態(tài)指示：表示變頻器已待命，具備啟動(dòng)條件。
(2) 變頻器運行狀態(tài)指示：表示變頻器正在運行。
(3) 變頻器控制狀態(tài)指示：節點(diǎn)閉合表示變頻器控制權為現場(chǎng)遠程控制；節點(diǎn)斷開(kāi)表示變頻器控制權為本地變頻器控制。
(4) 變頻器輕故障指示：表示變頻器產(chǎn)生報警信號。
(5) 變頻器重故障指示：表示變頻器發(fā)生重故障，立即關(guān)斷輸出切斷高壓。
(6) 高壓緊急分斷：變頻器出現重故障時(shí)，自動(dòng)分斷進(jìn)線(xiàn)高壓開(kāi)關(guān)。
(7) 高壓合閘允許：變頻器自檢通過(guò)或系統處于工頻狀態(tài)，允許上高壓。
(8) 電機在工頻旁路：表示電動(dòng)機處于工頻旁路狀態(tài)。
以上所有數字量采用無(wú)源接點(diǎn)輸出，定義為接點(diǎn)閉合時(shí)有效。除特別注明外，接點(diǎn)容量均為AC220V、3A/DC24V，1A。
B、DCS提供給變頻器的開(kāi)關(guān)量有4路：
(1) 啟動(dòng)指令：干接點(diǎn)，3秒脈沖閉合時(shí)有效，變頻器開(kāi)始運行。
(2) 停機指令：干接點(diǎn)，3秒脈沖閉合時(shí)有效，變頻器正常停機。
(3) 高壓就緒：干接點(diǎn)，高壓開(kāi)關(guān)處于分斷時(shí)，輔助節點(diǎn)打開(kāi)，變頻器輸入已帶電，變頻器可以啟動(dòng)。
(4) 高壓開(kāi)關(guān)分閘信號：高壓開(kāi)關(guān)處于分斷時(shí)，輔助節點(diǎn)閉合；1個(gè)。
C、變頻器提供的模擬量2路：
(1) 變頻器輸出轉速
(2) 變頻器電機電流
變頻器提供2路4～20mADC的電流源輸出（變頻器供電），帶負載能力均為250Ω。
D、DCS提供給變頻器的模擬量1路：
(1) 變頻器轉速給定值
現場(chǎng)提供1路4～20mADC二線(xiàn)制電流源輸出，帶載能力必須大于250Ω，4～20mADC對應轉速低高限，須呈線(xiàn)性關(guān)系。
2.3 柜體安裝
(1) 變頻器設備安裝時(shí)，應考慮通風(fēng)散熱及操作空間的需要，整套裝置背面離墻距離不得小于1000mm，裝置頂部與屋頂空間距離不得小于500mm，裝置正面離墻距離不得小于2000mm，裝置側面離墻必須保留不小于1000 mm的距離，方便安裝調試及維護人員通過(guò)。
(2) 所有柜體應牢固安裝于基座之上，并和廠(chǎng)房大地可靠連接。接地端子PE也應接至廠(chǎng)房大地。各柜體之間應相互連接成為一個(gè)整體。
(3)高壓變頻器采用一拖一系統，無(wú)旁路柜，外形尺寸完全相同，如下圖：
圖4 變頻器安裝尺寸圖
2.4.1散熱方案的對比介紹
高壓變頻器屬于大型電子設備，在運行過(guò)程中本身的能量消耗較大，變頻器消耗的能量全部轉換為熱量，通過(guò)變頻器的冷卻風(fēng)機將熱量帶到變頻器本體之外，由于這部分熱量絕對值較大，一般達到幾十kW左右，如果不采取措施妥善處理，可能會(huì )使變頻器運行環(huán)境溫度過(guò)高，影響變頻器的正常運行。
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