劉金波 林海濤 許榮生

(1:寶鋼韶關(guān)鋼鐵有限公司板材廠 廣東韶關(guān)512123; 2:北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院 北京100083)

UFC工藝加壓泵電氣傳動(dòng)裝置的選型策略

劉金波①1，2林海濤1許榮生1

(1:寶鋼韶關(guān)鋼鐵有限公司板材廠 廣東韶關(guān)512123; 2:北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院 北京100083)

針對韶鋼超快冷項(xiàng)目改造中加壓泵電氣傳動(dòng)裝置的選型，本文通過對超快冷加壓泵電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的分析和計(jì)算，并結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際使用情況，摒棄了采用變頻電動(dòng)機(jī)加合資品牌串聯(lián)多重化高壓變頻器的加壓供水泵傳動(dòng)方式，選用了滿足工藝要求且無需定制的普通高壓電動(dòng)機(jī)加單元串聯(lián)多重化變頻器的低成本選型方案。通過韶鋼3450mm生產(chǎn)線實(shí)際驗(yàn)證，該方案完全滿足超快冷工藝現(xiàn)場使用要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，為韶鋼3450mm超快冷改造項(xiàng)目直接節(jié)約投資150多萬元。

UFC 加壓泵 電氣傳動(dòng) 選型

1 前言

寶鋼韶關(guān)鋼鐵有限公司板材廠3450mm生產(chǎn)線因采用新一代TMCP技術(shù)[1]于2014年1月增加一套超快冷(UFC)裝置(ADCOS-PM，新一代中厚板軋后冷卻裝置)。超快冷裝置有超常規(guī)的冷卻能力，冷卻速度一般大于100℃/s[2]。在超快冷生產(chǎn)中，冷卻規(guī)程的精確執(zhí)行是保證鋼板性能和板型穩(wěn)定的基礎(chǔ)，冷卻水壓力的平穩(wěn)快速調(diào)整是其核心之一[3]。韶鋼3450mm生產(chǎn)線超快冷裝置供水采用高位水箱加加壓泵的供水方式，高位水箱高24m，超快冷供水水壓有0.2MPa和0.5MPa兩種方式，其中0.5MPa由加壓泵對高位水箱二次加壓實(shí)現(xiàn)。工藝需求最大供水量為10000m3/h，正常供水時(shí)流量調(diào)節(jié)范圍約為2000m3/h～10000m3/h，單塊鋼板冷卻最長供水調(diào)整時(shí)間(怠速到工頻)必須在10s內(nèi)，最長關(guān)水調(diào)整時(shí)間(工頻到怠速)必須在15s內(nèi)，需采用定制設(shè)計(jì)的變頻器傳動(dòng)系統(tǒng)[4]。

超快冷裝置加壓泵設(shè)計(jì)為3臺(tái)，單臺(tái)供水量4200m3/h。加壓泵選型為700×H×S60單級(jí)雙吸離心泵，主要參數(shù):Q=3200～4000～4800m3/h，H=64～60～55m，額定轉(zhuǎn)速n=980rpm。

圖1 超快冷裝置示意圖

超快冷冷卻工藝要求

1) 加壓泵電氣傳動(dòng)系統(tǒng)需選擇變頻傳動(dòng)裝置以滿足水流量連續(xù)大范圍調(diào)節(jié)要求。

2) 三臺(tái)供水泵存在單臺(tái)一用兩備，雙臺(tái)兩用一備，三臺(tái)同開三種供水方式，以滿足正常供水時(shí)2000m3/h～10000m3/h流量調(diào)節(jié)范圍，多臺(tái)快速調(diào)節(jié)對變頻系統(tǒng)調(diào)速同步性要求較高。

3)正常供水時(shí)頻率調(diào)整范圍約為10Hz～50Hz，從10Hz到50Hz的調(diào)整時(shí)間必須小于10s，50Hz調(diào)整到10Hz必須小于15s，對電氣傳動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)要求較高。

2 加壓泵電氣傳動(dòng)選型分析

在以往設(shè)計(jì)的超快冷工藝變頻及傳動(dòng)系統(tǒng)中，加壓供水泵傳動(dòng)系統(tǒng)均采用變頻電動(dòng)機(jī)加合資品牌串聯(lián)多重化高壓變頻器的傳動(dòng)方式，并由變頻器廠家根據(jù)上述工藝要求進(jìn)行定制。其定制方案主要為加大恒功率類負(fù)載變頻器的容量或直接選用恒轉(zhuǎn)矩型變頻器。這種傳動(dòng)選型很好的保證工藝需求，但也大大增加了項(xiàng)目投資成本。

為降低項(xiàng)目投資成本，我們基于工程經(jīng)濟(jì)的角度針對電氣傳動(dòng)選型做了分析，主要集中在兩個(gè)問題：

1)加壓泵電動(dòng)機(jī)能否采用普通高壓異步電動(dòng)機(jī)？

2)普通單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器能否滿足工藝要求？

3 加壓泵電動(dòng)機(jī)選型計(jì)算

3.1 加壓泵電動(dòng)機(jī)選型

單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型采用若干個(gè)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。該變頻器滿足IEEE 519-1992和GB/T14549-93標(biāo)準(zhǔn)，具有對電網(wǎng)諧波污染小、可實(shí)現(xiàn)冗余、輸入功率因數(shù)高、不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，輸出波形質(zhì)量好、不存在諧波引起的電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、dU/dt低等特點(diǎn)，不必加裝輸出濾波器就可以用于普通異步電動(dòng)機(jī)[5]。

電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)水泵類負(fù)載，水泵滿載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1400N·m2，大大低于電動(dòng)機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量11000N·m2且水泵負(fù)載平穩(wěn)，對電動(dòng)機(jī)沖擊很小，過載能力要求小。

變頻調(diào)速要求加強(qiáng)對地絕緣和線匝絕緣強(qiáng)度，推薦使用F級(jí)或更高絕緣等級(jí)。

根據(jù)

式中n1、n2—加壓泵功率；P1、P2—加壓泵轉(zhuǎn)速；H1、H2—加壓泵流量。

采用變頻控制，當(dāng)流量減少時(shí)，所需功率近似按流量的3次方大幅度下降[3]，加壓泵低速情況下電動(dòng)機(jī)功率降低很快，且加壓泵為間歇性工作制，同軸冷卻風(fēng)機(jī)基本滿足其冷卻需要。

為了進(jìn)一步分析超快冷加壓泵電機(jī)選用高壓變頻電機(jī)還是選用普通高壓電機(jī)的問題，表1在現(xiàn)場實(shí)際需求的基礎(chǔ)上對兩種電機(jī)能否滿足現(xiàn)場要求進(jìn)行了比較，從表中可以看出，針對本項(xiàng)目的實(shí)際情況，普通電機(jī)也完全能滿足現(xiàn)場的實(shí)際需要，基于此，并從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，加壓泵電動(dòng)機(jī)選擇普通YKK560-6型高壓電動(dòng)機(jī)，F(xiàn)級(jí)絕緣，防護(hù)等級(jí)IP54。

表1 超快冷加壓泵電機(jī)選型要素比較

3.2 加壓泵電動(dòng)機(jī)計(jì)算

根據(jù)離心泵電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算公式(1)[6]

(1)

式中K—裕量系數(shù)，取1.05；γ—水密度；Q—加壓泵流量；H—加壓泵揚(yáng)程；ΔH—主管損失揚(yáng)程；η—加壓泵水泵效率，取0.85；ηC—加壓泵傳動(dòng)效率，與電動(dòng)機(jī)直接連接為1。

由上式得加壓泵電動(dòng)機(jī)計(jì)算功率為(700∶800∶900)kW，考慮到加壓泵流量、揚(yáng)程及加減速時(shí)間要求，電動(dòng)機(jī)適當(dāng)選大至900kW。電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)選型為：PN=900kW，UN=10kV，IN=65A，nN=993r/min，η=0.95，Tn=8665.6N·m。

4 加壓泵電氣傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

加壓泵傳動(dòng)系統(tǒng)選擇單元串聯(lián)多重化高壓變頻器，水泵為平方負(fù)載，變頻器容量根據(jù)電動(dòng)機(jī)容量適當(dāng)放大1.1～1.2倍，按1000kVA～1100kVA選取。由于工藝要求正常供水時(shí)從10Hz到50Hz的調(diào)整時(shí)間必須小于10s，50Hz調(diào)整到10Hz必須小于15s，選型時(shí)主要核算傳動(dòng)系統(tǒng)的加減速響應(yīng)問題。根據(jù)加減速時(shí)間與電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩有關(guān)，系統(tǒng)的機(jī)械方程為公式(2)[7]：

(2)

式中Te—電磁轉(zhuǎn)矩；T1—負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J=J1+J2—轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω—角速度；RΩ—阻尼系數(shù)，由于阻尼系數(shù)不易獲取，阻尼轉(zhuǎn)矩RΩω按0.1倍額定轉(zhuǎn)矩進(jìn)行估算。

加壓泵整個(gè)加減速過程按勻加減過程計(jì)算有：

(3)

式中TACC、TDec—加減速轉(zhuǎn)矩；J1—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，11000N·m2；J2—水泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，空載1000N·m2，滿載1400N·m2，按滿載計(jì)算。

按10Hz(199r/min)到50Hz(993r/min)勻加速10s核算，電動(dòng)機(jī)加速轉(zhuǎn)矩為1031N·m。按50Hz(993r/min)到10Hz(199r/min)勻減速15s核算，電動(dòng)機(jī)減速轉(zhuǎn)矩為687N·m。

加壓泵的轉(zhuǎn)速—負(fù)載曲線圖如圖2。

圖2 加壓泵轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線圖

從圖3可以看出，按10Hz勻加速10s到50Hz過程中，加壓泵電動(dòng)機(jī)及變頻器計(jì)算電流最大為57.2A，小于電動(dòng)機(jī)及變頻器額定電流，滿足使用工藝要求。

表2給出了在實(shí)際工藝要求下，兩種變頻器對于現(xiàn)場要求的滿足情況，從表中可以看出，普通國產(chǎn)變頻器和定制合資變頻器均可滿足超快冷加壓工藝實(shí)際要求。

圖3 加壓泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流時(shí)間計(jì)算曲線

表2 超快冷加壓泵變頻器選型要素比較

表3 超快冷加壓泵電氣傳動(dòng)系統(tǒng)選型方案比較

5 韶鋼加壓泵電氣傳動(dòng)使用情況

韶鋼超快冷工藝加壓泵裝置采用江西特種電動(dòng)機(jī)廠900kW YKK560-6型電動(dòng)機(jī)和廣州智光電氣公司Zinvert-A8H1150/10B型變頻器，投產(chǎn)后裝置很好的滿足了超快冷工藝要求。加壓泵電動(dòng)機(jī)頻率時(shí)間實(shí)際曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，加壓泵電動(dòng)機(jī)頻率從10Hz到50Hz約12s左右。主要是在滿足現(xiàn)場實(shí)際使用情況下降低現(xiàn)場超快冷裝置局部壓力波動(dòng)和減少水泵沖擊適當(dāng)調(diào)長了變頻器上升時(shí)間參數(shù)。

表3是超快冷加壓泵電氣傳動(dòng)系統(tǒng)韶鋼3450mm生產(chǎn)線和其他鋼廠選型方案比較，通過比較我們可以看出韶鋼3450mm生產(chǎn)線選型方案比其他鋼廠選型方案節(jié)約投資約50萬/臺(tái)套。

圖4 加壓泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)頻率時(shí)間曲線

6 結(jié)束語

通過對超快冷工藝加壓泵電氣傳動(dòng)系統(tǒng)選型分析和計(jì)算，得出滿足工藝要求的電氣傳動(dòng)參數(shù)，并經(jīng)過實(shí)際工況分析后，放棄了以往設(shè)計(jì)的超快冷工藝變頻及傳動(dòng)系統(tǒng)中，加壓供水泵傳動(dòng)系統(tǒng)均采用變頻電動(dòng)機(jī)加合資品牌串聯(lián)多重化高壓變頻器的傳動(dòng)方式，選取普通高壓電動(dòng)機(jī)加單元串聯(lián)多重化變頻器的電氣傳動(dòng)方式，通過實(shí)際應(yīng)用表明，加壓泵電動(dòng)機(jī)普通化的變頻電機(jī)國產(chǎn)化的選型方案完全滿足了現(xiàn)場生產(chǎn)的實(shí)際需要，符合工藝要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，為韶鋼節(jié)約投資達(dá)150多萬元。

[1]王國棟.新一代TMCP技術(shù)的發(fā)展[J].軋鋼,2012,Vol.29(1):18.

[2]彭良貴,王相華,王國棟.超快冷卻技術(shù)的發(fā)展[J].軋鋼,2004,Vol.21(1):1-3.

[3]孫濤,周娜,王丙興,等.中厚板控制冷卻系統(tǒng)的水流量控制技術(shù)[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008,Vol.29(6):842-844.

[4]李家棟,付天亮,李勇,等.多補(bǔ)償復(fù)合型超快冷水壓控制策略的建立和應(yīng)用[J].軋鋼,2013,Vol.30(3):48-52.

[5]項(xiàng)立崢,逯乾鵬,李南坤,等.高壓變頻器調(diào)速技術(shù)及發(fā)展趨勢研究[J].電力設(shè)備,2005,Vol.6(6):14-17.

[6]《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊》編委會(huì).鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(下冊).北京:冶金工業(yè)出版社，2008:42.

[7]《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊》編委會(huì).鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(上冊).北京:冶金工業(yè)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

劉金波，男，1983年出生，北京科技大學(xué)在讀研究生，工程師，主要從事電氣傳動(dòng)和冶金自動(dòng)化工作

TG333

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.05.007

2014-05-27)