管金朋

(侯馬北方銅業(yè)股份有限公司， 山西 侯馬 043000)

0 前言

隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的日益提高以及能源的全球性短缺，變頻技術(shù)因其自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)高速發(fā)展，越來越廣泛地應(yīng)用在冶金、化工、紡織、機(jī)械、造紙、食品等各個(gè)行業(yè)以及風(fēng)機(jī)、水泵、等節(jié)能場(chǎng)合，而且取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。本文就某冶煉廠5萬(wàn)t陰極銅電解項(xiàng)目的3臺(tái)90 kW電解液循環(huán)泵在運(yùn)行中存在的問題進(jìn)行了變頻改造，改造后，節(jié)能效果顯著，同時(shí)可以為相關(guān)行業(yè)提供一定的借鑒。

1 某電解液循環(huán)泵在生產(chǎn)運(yùn)行中存在的問題

某公司銅電解系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的濕法精煉工藝，即在電解槽中通以直流電，在電場(chǎng)的作用下使槽內(nèi)電解液中的陽(yáng)極和陰極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)[4-5]，從而將銅的純度進(jìn)一步提高，達(dá)到99.99%以上。公司一期5萬(wàn)t陰極銅電解系統(tǒng)有3臺(tái)電解液循環(huán)泵，電機(jī)額定功率均為90 kW，額定電流為162 A，額定轉(zhuǎn)速為1 490 r/min，啟動(dòng)方式為直接啟動(dòng)。按照生產(chǎn)要求，3臺(tái)循環(huán)泵2臺(tái)工作、1臺(tái)備用，電機(jī)的啟動(dòng)與停止由值班人員手動(dòng)操作，工藝設(shè)計(jì)電解液由循環(huán)泵經(jīng)換熱器輸送至普通電解液高位槽，電解液依靠自流經(jīng)分配器到各個(gè)電解槽。在運(yùn)行過程中，電解液循環(huán)泵存在以下問題：

1)在正常工況下，啟動(dòng)1臺(tái)循環(huán)泵達(dá)不到工藝要求，啟動(dòng)2臺(tái)循環(huán)泵又超出了實(shí)際需求，高位槽中電解液溢流到循環(huán)槽，操作人員通過調(diào)節(jié)循環(huán)泵后閥門來達(dá)到高位槽液位的穩(wěn)定，造成了電能的極大浪費(fèi)。

2)電機(jī)采用直接啟動(dòng)，啟動(dòng)電流較大，一般是額定電流的4～7倍，在啟動(dòng)時(shí)，對(duì)電機(jī)的絕緣程度會(huì)造成很大損害；同時(shí)，由于泵啟動(dòng)沖擊大，沖擊軸承和葉輪，導(dǎo)致軸承易損壞而使軸抱死，甚至葉輪折斷，維修量大，維修費(fèi)用高。

3)循環(huán)泵葉輪磨損加速，泵震動(dòng)增大，對(duì)泵出口閥門及管道沖擊加大，焊縫經(jīng)常開焊漏液。

4)電解液液體循環(huán)量波動(dòng)大，由于人工控制的局限性，不能及時(shí)調(diào)整到生產(chǎn)上所需求的流量。電解液循環(huán)量過大，易使電解槽內(nèi)的陽(yáng)極泥懸浮，電解銅表面長(zhǎng)粒子；電解液循環(huán)量過小，電解槽內(nèi)添加劑的含量低，直接影響電解銅的質(zhì)量[6]。

2 循環(huán)泵的變頻技術(shù)改造

2.1 變頻器的節(jié)能原理

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速N與電源頻率f、轉(zhuǎn)差率s、電機(jī)極對(duì)數(shù)p三個(gè)參數(shù)的關(guān)系見式(1)：

N=60f(1-s)/p

(1)

改變式(1)中任何一個(gè)參數(shù)都可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。變頻器就是通過改變電源頻率的方式來改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的。由于轉(zhuǎn)速與頻率之間為線性關(guān)系，從理論上分析，調(diào)速范圍在0%～100%內(nèi)線性度良好，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速已成為交流電機(jī)調(diào)速的主要方式[7]。

2.2 循環(huán)泵的變頻改造措施

經(jīng)過多次的分析研究并結(jié)合生產(chǎn)需求，2017年4月電氣技術(shù)人員對(duì)普通電解液循環(huán)泵進(jìn)行了變頻改造，變頻器選為西門子6SE6430 90 kW，采用一托三的工作方式，控制分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種狀態(tài)。在手動(dòng)方式下，可以單獨(dú)對(duì)每一臺(tái)泵進(jìn)行啟停操作，循環(huán)泵處于工頻模式；在自動(dòng)方式下，采用PLC參與控制的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。控制核心單元PLC根據(jù)電解液罐液位與設(shè)置液位的偏差，經(jīng)過PID運(yùn)算，PLC將4～20 mA模擬信號(hào)輸送到變頻器用以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和進(jìn)行電機(jī)的軟啟動(dòng)，PLC通過比較模擬量輸出與液位的偏差，驅(qū)動(dòng)切換繼電器組，控制供液流量，同時(shí)完成電機(jī)啟停和變頻與工頻的切換[8]。當(dāng)液位低時(shí)，變頻啟動(dòng)第1臺(tái)循環(huán)泵，當(dāng)達(dá)到額定頻率50 Hz時(shí)，實(shí)際液位仍低于設(shè)定值，第1臺(tái)循環(huán)泵轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，變頻器啟動(dòng)第2臺(tái)循環(huán)泵，依此類推；當(dāng)液位高時(shí)，第N臺(tái)循環(huán)泵頻率逐漸降低，當(dāng)頻率降到0 Hz時(shí)，第N臺(tái)循環(huán)泵停止運(yùn)行，第N-1臺(tái)循環(huán)泵變頻啟動(dòng)。

2.3 變頻器的運(yùn)行參數(shù)

西門子6SE6430 90 kW變頻器的主要運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1

2.4 改造效果

變頻改造后，在正常工況下，電機(jī)系統(tǒng)循環(huán)泵由2臺(tái)工頻運(yùn)行變?yōu)?臺(tái)工頻運(yùn)行、1臺(tái)變頻運(yùn)行。電解液循環(huán)泵改造前后的實(shí)際運(yùn)行電流和消耗功率測(cè)試對(duì)比結(jié)果見表2。由表2可知，改造前，工頻運(yùn)行時(shí)平均電流為125 A，平均消耗功率為1 763 kWh；改造后，變頻運(yùn)行時(shí)平均電流維持在35 A，平均消耗功率為486 kWh。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

三相功率計(jì)算公式為：

表2 電解液循環(huán)泵改造前后電流和消耗功率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

(2)

式中：P——功率，W；

U——電壓，380 V；

I——電流，A；

cosφ——功率因數(shù)，0.89。

電解液循環(huán)泵電機(jī)一年運(yùn)行時(shí)間按照11個(gè)月(330天)計(jì)算，改造前、后的平均運(yùn)行電流分別為125 A和35 A，則年可節(jié)約電能W=ΔPt=1.732×380×(125-35)×0.89×24×330=417 531 kWh；電費(fèi)按0.57元/kWh計(jì)算，5萬(wàn)t電解系統(tǒng)年可節(jié)約費(fèi)用為23.8萬(wàn)元。

同時(shí)，1臺(tái)西門子90 kW變頻器及配盤所需成本約為3.5萬(wàn)元，則循環(huán)泵的變頻改造后累計(jì)全年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益為23.8-3.5=20.3萬(wàn)元。

3.2 間接經(jīng)濟(jì)效益

采用西門子變頻器對(duì)循環(huán)泵進(jìn)行節(jié)能改造，其優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、改造方便、節(jié)能效果明顯以及投資回收期短。變頻器調(diào)速技術(shù)先進(jìn)成熟，提高了設(shè)備的技術(shù)含量和設(shè)備的穩(wěn)定性。循環(huán)泵變頻改造后，電解液循環(huán)量波動(dòng)減小了，電解銅的一級(jí)交割率提高了1.5%。

4 結(jié)束語(yǔ)

電解循環(huán)泵變頻改造后，設(shè)備運(yùn)行良好，節(jié)能效果明顯，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，避免了直接啟動(dòng)時(shí)大電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，電機(jī)與工藝設(shè)備的使用壽命延長(zhǎng)，同時(shí)降低了設(shè)備的維修費(fèi)用。電解液高位槽溢流現(xiàn)象消失，液位控制更加準(zhǔn)確。循環(huán)泵后閥門處于全開位置，免除了操作人員頻繁調(diào)節(jié)閥門的工作，有效降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，為公司重點(diǎn)設(shè)備的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。