邵 超，張志軍，秦 飛

（寧波寶新不銹鋼有限公司軋鋼智造中心，浙江寧波 315807）

0 引言

對(duì)于冷軋不銹鋼單機(jī)架軋機(jī)，由于機(jī)組生產(chǎn)間歇性的特點(diǎn)，在機(jī)組上下卷操作、更換工作輥、規(guī)格切換、設(shè)備異常處理、帶鋼表面質(zhì)量檢查、檢修等存在大量的輔助時(shí)間，此時(shí)油霧風(fēng)機(jī)系統(tǒng)仍然在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，這樣會(huì)造成電能的浪費(fèi)。隨著國(guó)家節(jié)能減碳的要求，不銹鋼行業(yè)有必要通過技術(shù)革新，實(shí)現(xiàn)企業(yè)節(jié)能降耗、綠色發(fā)展。通過油霧系統(tǒng)風(fēng)機(jī)節(jié)能改造，可以將生產(chǎn)過程中輔助時(shí)間段油霧風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

1 油霧處理系統(tǒng)工藝介紹

在軋制冷軋不銹鋼板帶生產(chǎn)過程中，需對(duì)軋輥、帶鋼表面進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，在生產(chǎn)作業(yè)中會(huì)噴淋大量的軋制油對(duì)帶鋼表面進(jìn)行冷卻，從而在軋機(jī)牌坊區(qū)域產(chǎn)生大量的油霧氣體。此類油霧的成份主要有3 個(gè)部分組成：①因噴射沖擊產(chǎn)生的干凈的霧狀冷卻液油霧，顆粒范圍在3～20 μm，所占比例較大，占總油霧量的96 %以上；②軋制過程中產(chǎn)生的熱量，將油霧加熱導(dǎo)致蒸發(fā)或氣化而產(chǎn)生的油霧，顆粒范圍在0.01 ～5 μm；③軋制時(shí)噴射產(chǎn)生的含金屬粉塵的油霧，占油霧總量的很小一部分。油霧溫度約80 ℃，濃度約為100 ～300 mg/m3，它會(huì)造成環(huán)境污染并嚴(yán)重影響操作人員的身體健康。

因此不銹鋼軋制產(chǎn)生的油霧必須通過多級(jí)凈化裝置處理，清理油霧廢氣并加以回收利用，達(dá)到保護(hù)環(huán)境及人員健康的目的。而油霧廢氣處理裝置是通過油霧風(fēng)機(jī)的作用，收集廢氣進(jìn)入凈化器內(nèi)的均流室，過風(fēng)面積加大，氣流速度急劇下降，再依次進(jìn)入各級(jí)過濾裝置，逐級(jí)濾除顆粒及油霧，經(jīng)過濾網(wǎng)捕集的油霧在過濾網(wǎng)上聚積后，回流到集油槽中以供回收再利用，油霧收集和處理系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 油霧收集和處理系統(tǒng)

2 油霧風(fēng)機(jī)節(jié)能原理

軋機(jī)油霧產(chǎn)生量同軋機(jī)產(chǎn)生的熱量（與壓下量、軋制速度等因素有關(guān)）、軋制油溫度、牌坊內(nèi)軋制油噴射量等因素有關(guān)，尤其是軋制速度高時(shí)，帶鋼上產(chǎn)生的熱量就越多，油霧濃度就會(huì)大幅增加，而在換輥、上下卷時(shí)，牌坊內(nèi)不噴射軋制油時(shí)，油霧就會(huì)很少，因此油霧風(fēng)機(jī)無需長(zhǎng)期保持高轉(zhuǎn)速工作，可以根據(jù)不同工況來設(shè)定不同的油霧風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)又能滿足軋機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行的要求。

風(fēng)機(jī)風(fēng)量和轉(zhuǎn)速成正比：

式（1）中，Q1、Q2分別為轉(zhuǎn)速n1、n2時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)量，風(fēng)機(jī)所消耗的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比：

式（2）中，P1、P2分別為轉(zhuǎn)速n1、n2對(duì)應(yīng)消耗的功率。

從式（1）、式（2）可知，如果根據(jù)油霧量的多少，進(jìn)行改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)，又可以改變風(fēng)機(jī)電機(jī)運(yùn)行功率，實(shí)現(xiàn)改變風(fēng)機(jī)的電耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

3 原油霧風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)

寶新公司SUNDWIG 二十輥單機(jī)架軋機(jī)油霧風(fēng)機(jī)由AIGNER制造，電機(jī)使用的是VEM 公司的90 kW 工頻電機(jī)，采用星三角啟動(dòng)控制方式，工頻運(yùn)行。在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)電機(jī)實(shí)際負(fù)荷接近設(shè)計(jì)值，因此電機(jī)長(zhǎng)期在接近100%的負(fù)荷區(qū)域工作，造成電機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫升很高，尤其是夏季，電機(jī)殼體溫度超過80 ℃，因此設(shè)備穩(wěn)定性低，每年要對(duì)電機(jī)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，但是還是經(jīng)常出現(xiàn)電機(jī)損壞的設(shè)備故障，原油霧風(fēng)機(jī)控制方式，原來油霧風(fēng)機(jī)主回路如圖2a）所示。

圖2 油霧風(fēng)機(jī)主回路

原油霧風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)：①油霧風(fēng)機(jī)電機(jī)采用星三角啟動(dòng)方式，電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，需要從電網(wǎng)吸收電機(jī)額定電流的4 倍以上，啟動(dòng)電流大，會(huì)造成電網(wǎng)電壓和設(shè)備電壓波動(dòng)，同時(shí)增加線損且容易造成電機(jī)、交流接觸器的損壞；②油霧風(fēng)機(jī)電機(jī)長(zhǎng)期在額定轉(zhuǎn)速下，接近滿負(fù)荷情況運(yùn)行，會(huì)減少電機(jī)軸承、電機(jī)線圈繞組的使用壽命，增加維護(hù)成本；③油霧風(fēng)機(jī)啟動(dòng)電流大，啟動(dòng)噪聲很大，影響操作人員身體健康；④油霧風(fēng)機(jī)所有工況都是額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，造成電能浪費(fèi)。

4 油霧風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化

4.1 變頻器調(diào)速的特點(diǎn)

變頻器的核心功能是調(diào)速，其次是節(jié)能。變頻器節(jié)能需要符合3 個(gè)條件：①大功率并且為風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載；②裝置本身具有節(jié)電功能；③長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。

（1）變頻節(jié)能。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)動(dòng)力時(shí)都會(huì)有一定的裕量，使電機(jī)不能滿負(fù)荷運(yùn)行。除了滿足動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的要求之外，過剩的力增加了有功功率的消耗，導(dǎo)致電能的浪費(fèi)。

（2）動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)節(jié)能?？焖龠m應(yīng)負(fù)荷變化，提供最有效的電壓。變頻器在軟件中具有5000 次/s 以上的測(cè)量和控制輸出功能，使電機(jī)的輸出始終保持高效運(yùn)行。

（3）V/F 曲線可通過變頻功能自動(dòng)調(diào)整。在保證電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的情況下，V/F 曲線可自動(dòng)調(diào)整。電機(jī)輸出扭矩減小，輸入電流減小，達(dá)到節(jié)能效果。

（4）變頻啟動(dòng)節(jié)能。當(dāng)電機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，由于電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，需要從電網(wǎng)吸收電機(jī)額定電流的7 倍以上[1]，啟動(dòng)電流大，電網(wǎng)電壓和設(shè)備電壓波動(dòng)大，會(huì)增加線損和設(shè)備的損壞。使用變頻軟啟動(dòng)后，可以減小啟動(dòng)電流，減少啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的影響，節(jié)省電費(fèi)，并減少啟動(dòng)的慣性，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

（5）提高功率因數(shù)，節(jié)約能源。電機(jī)通過定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的電磁作用產(chǎn)生扭矩，繞組具有電感效應(yīng)。對(duì)于電網(wǎng)來說，阻抗特性是感應(yīng)的，電機(jī)運(yùn)行時(shí)吸收大量的無功功率，導(dǎo)致功率因數(shù)過低。采用變頻節(jié)能調(diào)速器后，由于其采用交—直—交的轉(zhuǎn)換方式，經(jīng)整流濾波后，負(fù)荷特性發(fā)生變化。變頻器具有抗電網(wǎng)阻抗特性，功率因數(shù)高，降低了無功損耗。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，大功率晶體管技術(shù)的迅速發(fā)展，大規(guī)模集成電路和微機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，變頻調(diào)速在生產(chǎn)作業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用[2]。變頻調(diào)速在變頻范圍、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、工作效率、調(diào)整精度、功率因數(shù)、輸出特性保護(hù)功能及可靠性方面，都達(dá)到了較為完美的程度。變頻調(diào)速的原理是根據(jù)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速[3]：

式中：n 為轉(zhuǎn)速，f 為電源頻率，p 為極對(duì)數(shù)，s 為電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。從上式可知，改變供電頻率f，即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

4.2 變頻調(diào)速控制原理

變頻器采用開環(huán)矢量控制方式，根據(jù)電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)通過電機(jī)學(xué)習(xí)測(cè)得電機(jī)內(nèi)部參數(shù)并建立模型，通過模型對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確控制，變頻油霧風(fēng)機(jī)控制方式如圖2b）所示、變頻器功率模塊如圖3 所示[4]。

圖3 變頻器功率模塊

（1）手動(dòng)控制：通過觸摸屏上的按鈕控制變頻器的運(yùn)行和停止，通過觸摸屏上的頻率設(shè)定框設(shè)定變頻器的輸出頻率，從而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

（2）自動(dòng)控制：通過遠(yuǎn)程PLC 控制變頻器的運(yùn)行和停止。通過遠(yuǎn)程PLC 信號(hào)實(shí)現(xiàn)高速、低速的選擇。

（3）向遠(yuǎn)程提供變頻器的狀態(tài)信號(hào)變頻器“Ready”“Run”“Fault”。

（4）在觸摸屏上顯示變頻器的狀態(tài)信息，電機(jī)運(yùn)行、停止、故障信號(hào)。

（5）向遠(yuǎn)程提供4～20 mA 的變頻器轉(zhuǎn)速信號(hào)和電機(jī)電流信號(hào)。

（6）由變頻柜外部的緊急停車信號(hào)控制變頻器緊急停車。

（7）通過觸摸屏上的復(fù)位按鈕對(duì)變頻器故障進(jìn)行復(fù)位。

變頻器與原MCC 柜和PLC 的信號(hào)交換如圖4 所示，變頻器輸入、輸出信號(hào)如圖5 所示。

圖4 變頻器與原MCC 柜和PLC 信號(hào)交換

圖5 變頻器輸入、輸出信號(hào)

5 應(yīng)用效果

5.1 改造后的運(yùn)行情況

油霧風(fēng)機(jī)經(jīng)變頻改造后，高速段和低速段分段控制實(shí)時(shí)運(yùn)行情況如圖6 所示。

圖6 改造后運(yùn)行功率

5.2 改造后的效果情況

（1）對(duì)比改造前原電機(jī)消耗電量，額定功率90 kW（運(yùn)行功率約85 kW），24 h×365 天滿頻運(yùn)行。①改造前年消耗電能=85 kW×24 h×365×95 %（作業(yè)率）=707370 kW·h；②改造后的消耗電量（按公司軋機(jī)常規(guī)操作每班（480 min）上下卷6次，每次上下卷輔助時(shí)間為15 min 計(jì)算）。改造后年消耗電能=［（15 min/60 min/h）×1.1 kW×6 次+（390 min/60 min/h）×77.9 kW］/班×3 班×365 天×95 %（作業(yè)率）=528447 kW·h；③油霧風(fēng)機(jī)經(jīng)節(jié)能改造后可實(shí)現(xiàn)年節(jié)約電量=744600-415519 =178923 kW·h

（2）改造后啟動(dòng)情況。經(jīng)過油霧風(fēng)機(jī)變頻改造后，油霧風(fēng)機(jī)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流穩(wěn)步上升到設(shè)定最低轉(zhuǎn)速電流，沒有出現(xiàn)原啟動(dòng)時(shí)電流達(dá)到700 A 的情況，減少了電機(jī)啟動(dòng)電流大對(duì)電機(jī)設(shè)備、電纜的損害，降低了風(fēng)機(jī)啟動(dòng)噪聲。

（3）改造后設(shè)備運(yùn)行情況情況。油霧風(fēng)機(jī)變頻控制，電機(jī)溫度有明顯改善，正常運(yùn)行電機(jī)殼體溫度50 ℃左右，不再對(duì)星三角啟動(dòng)的接觸器進(jìn)行周期檢查維護(hù)，每年節(jié)約維護(hù)費(fèi)用約1 萬元，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

油霧風(fēng)機(jī)節(jié)能技術(shù)，通過在實(shí)踐中的探索，還可以再進(jìn)一步擴(kuò)展節(jié)能思路，如通過油霧排放的壓力，機(jī)組軋制的速度等進(jìn)行反饋，進(jìn)一步分段控制，尋找節(jié)能優(yōu)化空間，實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行。冷軋不銹鋼單機(jī)架軋機(jī)油霧風(fēng)機(jī)節(jié)能的實(shí)踐，設(shè)備人員要充分利用好先進(jìn)的技術(shù)手段，深入現(xiàn)場(chǎng)了解現(xiàn)場(chǎng)工藝情況、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)管理的設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，節(jié)能降耗，穩(wěn)定設(shè)備狀態(tài)。