高壓變頻器在軋鋼廠濁環(huán)系統(tǒng)及加熱爐系統(tǒng)的應(yīng)用
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軋鋼廠生產(chǎn)用水均采用循環(huán)用水系統(tǒng)，循環(huán)水系統(tǒng)共分為三個部分，即加熱爐、凈環(huán)、濁環(huán)水系統(tǒng)。從工藝上講軋鋼工序整個循環(huán)水系統(tǒng)按用水后水質(zhì)的情況可分為凈環(huán)系統(tǒng)和濁環(huán)系統(tǒng)兩大部分。加熱爐和設(shè)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(tǒng)；軋機(jī)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等污染，屬濁環(huán)系統(tǒng)，其中沖洗氧化鐵皮用水屬該系統(tǒng)中的小循環(huán)系統(tǒng)，該用水僅對水壓有要求。
軋鋼濁環(huán)水系統(tǒng)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維持系統(tǒng)穩(wěn)定，造成能源浪費(fèi)。因此需對軋鋼水處理作業(yè)區(qū)濁環(huán)水泵部分電機(jī)進(jìn)行變頻改造，這樣既節(jié)水又節(jié)能。
陜西龍門鋼鐵集團(tuán)軋鋼廠濁環(huán)系統(tǒng)及加熱爐系統(tǒng)中的高壓風(fēng)機(jī)、水泵，其輸出功率不能隨生產(chǎn)負(fù)荷變化而變化，只有通過改變風(fēng)門、檔板、閥門的開度來調(diào)整，這導(dǎo)致負(fù)載運(yùn)行效率較低，并且有大量能量浪費(fèi)在節(jié)流損失中。
圖1 軋鋼工序水循環(huán)流程示意圖
二、變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用方案
本次改造主要涉及以下幾方面：系統(tǒng)主回路控制方案、變頻器系統(tǒng)控制方案、現(xiàn)場安裝、及變頻器的散熱方案。相關(guān)系統(tǒng)介紹如下：
2.1 系統(tǒng)主回路控制方案
針對棒材廠旋流池水系統(tǒng)高壓水泵、凈環(huán)水泵與棒材加熱爐空煙風(fēng)機(jī)、煤煙風(fēng)機(jī)、高線加熱爐煤煙風(fēng)機(jī)、空煙風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)上（共八臺高壓變頻器），采用主回路如下：
圖2 變頻調(diào)速系統(tǒng)主回路
圖2中TF為高壓變頻器，采用利德華福品牌完美無諧波系列高壓變頻器。該系列變頻器采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)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(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)，現(xiàn)場不需要更換電機(jī)。
2.2 變頻器控制系統(tǒng)
該控制系統(tǒng)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(yuǎn)程/就地的自動和手動控制功能。
2.2.1控制系統(tǒng)架構(gòu)圖
圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
該控制系統(tǒng)主要由施耐德PLC實(shí)現(xiàn)所有水泵、壓力、流量、液位等實(shí)時數(shù)據(jù)的采集和控制等功能，并對變頻器進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)。所有控制功能可以通過遠(yuǎn)程或就地方式實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的自動或手動控制。PLC采集到的所有數(shù)據(jù)又可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳輸?shù)缴衔槐O(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、記錄、管理、打印、控制和參數(shù)調(diào)節(jié)功能。
整個控制系統(tǒng)由兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成：現(xiàn)場控制層和監(jiān)控層。
現(xiàn)場控制層主要用于連接PLC和變頻器設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)PLC對變頻器實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和對變頻器的控制和調(diào)節(jié)功能。
現(xiàn)場控制層主要由兩種方式連接PLC和變頻器設(shè)備：Profibus DP現(xiàn)場總線和硬接線方式。
監(jiān)控層主要通過Modbus TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接PLC和濁環(huán)泵房、軋線主控室的監(jiān)控計(jì)算機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)控計(jì)算機(jī)對現(xiàn)場所有設(shè)備及儀表數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、監(jiān)視、記錄、管理、報警；對所有設(shè)備的實(shí)時遠(yuǎn)程自動控制、調(diào)節(jié)等功能。
由于濁環(huán)泵房和軋線主控室距離較遠(yuǎn)，因此，采用多模光纖以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備用于連接所有監(jiān)控計(jì)算機(jī)。
2.2.3控制模式
為了保證控制系統(tǒng)的正常、可靠運(yùn)行，控制系統(tǒng)采用多種控制模式實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場水泵的實(shí)時監(jiān)視和控制功能：
? 遠(yuǎn)程自動：通過上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時數(shù)據(jù)采集和自動控制、調(diào)節(jié)等功能；
? 遠(yuǎn)程手動：通過上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時數(shù)據(jù)采集和手動控制、調(diào)節(jié)等功能；
? 變頻器手動：變頻器上提供了操作面板可以實(shí)現(xiàn)對水泵的現(xiàn)場手動控制、調(diào)節(jié)等功能；
? 就地手動：通過變頻器控制柜的手動控制按鈕可以實(shí)現(xiàn)對水泵的現(xiàn)場手動控制、調(diào)節(jié)等功能；
2.2.4profibus DP控制方式
Profibus DP現(xiàn)場總線：PLC和變頻器之間采用Profibus DP現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)實(shí)時的數(shù)據(jù)交換功能。該方式可以通過現(xiàn)場總線將變頻器的所有相關(guān)狀態(tài)信息實(shí)時傳輸?shù)絇LC和上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)，并將上位計(jì)算機(jī)或PLC下發(fā)的控制和調(diào)節(jié)指令實(shí)時傳送到變頻器，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場變頻器的所有控制功能。
利德華福變頻器兼容實(shí)現(xiàn)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在變頻器人機(jī)界面中簡單的參數(shù)設(shè)置便可以實(shí)現(xiàn)正常通訊。
2.2.5硬接線控制方式
硬接線方式：該方式是ProfibusDP現(xiàn)場總線的備用方式，如果Profibus DP總線發(fā)生故障時，依然可以通過硬接線方式實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的所有監(jiān)視和控制功能。
高壓變頻器和現(xiàn)場DCS控制系統(tǒng)硬接線連接的接口如下：
A、變頻器提供的開關(guān)量輸出8路：
(1) 變頻器待機(jī)狀態(tài)指示：表示變頻器已待命，具備啟動條件。
(2) 變頻器運(yùn)行狀態(tài)指示：表示變頻器正在運(yùn)行。
(3) 變頻器控制狀態(tài)指示：節(jié)點(diǎn)閉合表示變頻器控制權(quán)為現(xiàn)場遠(yuǎn)程控制；節(jié)點(diǎn)斷開表示變頻器控制權(quán)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?jǐn)啵鹤冾l器出現(xiàn)重故障時，自動分?jǐn)噙M(jìn)線高壓開關(guān)。
(7) 高壓合閘允許：變頻器自檢通過或系統(tǒng)處于工頻狀態(tài)，允許上高壓。
(8) 電機(jī)在工頻旁路：表示電動機(jī)處于工頻旁路狀態(tài)。
以上所有數(shù)字量采用無源接點(diǎn)輸出，定義為接點(diǎn)閉合時有效。除特別注明外，接點(diǎn)容量均為AC220V、3A/DC24V，1A。
B、DCS提供給變頻器的開關(guān)量有4路：
(1) 啟動指令：干接點(diǎn)，3秒脈沖閉合時有效，變頻器開始運(yùn)行。
(2) 停機(jī)指令：干接點(diǎn)，3秒脈沖閉合時有效，變頻器正常停機(jī)。
(3) 高壓就緒：干接點(diǎn)，高壓開關(guān)處于分?jǐn)鄷r，輔助節(jié)點(diǎn)打開，變頻器輸入已帶電，變頻器可以啟動。
(4) 高壓開關(guān)分閘信號：高壓開關(guān)處于分?jǐn)鄷r，輔助節(jié)點(diǎn)閉合；1個。
C、變頻器提供的模擬量2路：
(1) 變頻器輸出轉(zhuǎn)速
(2) 變頻器電機(jī)電流
變頻器提供2路4～20mADC的電流源輸出（變頻器供電），帶負(fù)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(zhuǎn)速給定值
現(xiàn)場提供1路4～20mADC二線制電流源輸出，帶載能力必須大于250Ω，4～20mADC對應(yīng)轉(zhuǎn)速低高限，須呈線性關(guān)系。
2.3 柜體安裝
(1) 變頻器設(shè)備安裝時，應(yīng)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(cè)面離墻必須保留不小于1000 mm的距離，方便安裝調(diào)試及維護(hù)人員通過。
(2) 所有柜體應(yīng)牢固安裝于基座之上，并和廠房大地可靠連接。接地端子PE也應(yīng)接至廠房大地。各柜體之間應(yīng)相互連接成為一個整體。
(3)高壓變頻器采用一拖一系統(tǒng)，無旁路柜，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(shè)備，在運(yùn)行過程中本身的能量消耗較大，變頻器消耗的能量全部轉(zhuǎn)換為熱量，通過變頻器的冷卻風(fēng)機(jī)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(dá)到幾十kW左右，如果不采取措施妥善處理，可能會使變頻器運(yùn)行環(huán)境溫度過高，影響變頻器的正常運(yùn)行。
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