高壓變頻器在軋鋼廠濁環系統及加熱爐系統的應用
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軋鋼廠生產用水均采用循環用水系統，循環水系統共分為三個部分，即加熱爐、凈環、濁環水系統。從工藝上講軋鋼工序整個循環水系統按用水后水質的情況可分為凈環系統和濁環系統兩大部分。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，水質未被污染，屬凈環系統；軋機的冷卻方式為直接冷卻,使用后的水不僅水溫升高，水質已被氧化鐵皮及油類等污染，屬濁環系統，其中沖洗氧化鐵皮用水屬該系統中的小循環系統，該用水僅對水壓有要求。
軋鋼濁環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維持系統穩定，造成能源浪費。因此需對軋鋼水處理作業區濁環水泵部分電機進行變頻改造，這樣既節水又節能。
陜西龍門鋼鐵集團軋鋼廠濁環系統及加熱爐系統中的高壓風機、水泵，其輸出功率不能隨生產負荷變化而變化，只有通過改變風門、檔板、閥門的開度來調整，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、現場安裝、及變頻器的散熱方案。相關系統介紹如下：
2.1 系統主回路控制方案
針對棒材廠旋流池水系統高壓水泵、凈環水泵與棒材加熱爐空煙風機、煤煙風機、高線加熱爐煤煙風機、空煙風機、助燃風機上（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變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出。變頻器具有對電網諧波污染極小，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱、轉矩脈動、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，現場不需要更換電機。
2.2 變頻器控制系統
該控制系統主要用于控制濁環泵房9臺水泵和旋流井中2臺水泵、及相關管道壓力、流量、液位等的遠程/就地的自動和手動控制功能。
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實現所有水泵、壓力、流量、液位等實時數據的采集和控制等功能，并對變頻器進行實時監視、控制和調節。所有控制功能可以通過遠程或就地方式實現相關設備的自動或手動控制。PLC采集到的所有數據又可以通過網絡實時傳輸到上位監控計算機進行數據顯示、記錄、管理、打印、控制和參數調節功能。
整個控制系統由兩層網絡結構組成：現場控制層和監控層。
現場控制層主要用于連接PLC和變頻器設備，用于實現PLC對變頻器實時運行狀態數據的采集和對變頻器的控制和調節功能。
現場控制層主要由兩種方式連接PLC和變頻器設備：Profibus DP現場總線和硬接線方式。
監控層主要通過Modbus TCP/IP工業以太網網絡連接PLC和濁環泵房、軋線主控室的監控計算機，用于實現監控計算機對現場所有設備及儀表數據的實時采集、監視、記錄、管理、報警；對所有設備的實時遠程自動控制、調節等功能。
由于濁環泵房和軋線主控室距離較遠，因此，采用多模光纖以太網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現對現場水泵的實時監視和控制功能：
? 遠程自動：通過上位計算機實現對現場設備的實時數據采集和自動控制、調節等功能；
? 遠程手動：通過上位計算機實現對現場設備的實時數據采集和手動控制、調節等功能；
? 變頻器手動：變頻器上提供了操作面板可以實現對水泵的現場手動控制、調節等功能；
? 就地手動：通過變頻器控制柜的手動控制按鈕可以實現對水泵的現場手動控制、調節等功能；
2.2.4profibus DP控制方式
Profibus DP現場總線：PLC和變頻器之間采用Profibus DP現場總線實現實時的數據交換功能。該方式可以通過現場總線將變頻器的所有相關狀態信息實時傳輸到PLC和上位監控計算機，并將上位計算機或PLC下發的控制和調節指令實時傳送到變頻器，實現對現場變頻器的所有控制功能。
利德華福變頻器兼容實現Profibus DP通訊協議，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界面中簡單的參數設置便可以實現正常通訊。
2.2.5硬接線控制方式
硬接線方式：該方式是ProfibusDP現場總線的備用方式，如果Profibus DP總線發生故障時，依然可以通過硬接線方式實現對現場設備的所有監視和控制功能。
高壓變頻器和現場DCS控制系統硬接線連接的接口如下：
A、變頻器提供的開關量輸出8路：
(1) 變頻器待機狀態指示：表示變頻器已待命，具備啟動條件。
(2) 變頻器運行狀態指示：表示變頻器正在運行。
(3) 變頻器控制狀態指示：節點閉合表示變頻器控制權為現場遠程控制；節點斷開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：表示變頻器產生報警信號。
(5) 變頻器重故障指示：表示變頻器發生重故障，立即關斷輸出切斷高壓。
(6) 高壓緊急分斷：變頻器出現重故障時，自動分斷進線高壓開關。
(7) 高壓合閘允許：變頻器自檢通過或系統處于工頻狀態，允許上高壓。
(8) 電機在工頻旁路：表示電動機處于工頻旁路狀態。
以上所有數字量采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為AC220V、3A/DC24V，1A。
B、DCS提供給變頻器的開關量有4路：
(1) 啟動指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器開始運行。
(2) 停機指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻器正常停機。
(3) 高壓就緒：干接點，高壓開關處于分斷時，輔助節點打開，變頻器輸入已帶電，變頻器可以啟動。
(4) 高壓開關分閘信號：高壓開關處于分斷時，輔助節點閉合；1個。
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對應轉速低高限，須呈線性關系。
2.3 柜體安裝
(1) 變頻器設備安裝時，應考慮通風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。
(2) 所有柜體應牢固安裝于基座之上，并和廠房大地可靠連接。接地端子PE也應接至廠房大地。各柜體之間應相互連接成為一個整體。
(3)高壓變頻器采用一拖一系統，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備，在運行過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，通過變頻器的冷卻風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，可能會使變頻器運行環境溫度過高，影響變頻器的正常運行。
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