變頻增壓風(fēng)機(jī)在電鍍蒸發(fā)器中的應(yīng)用與改進(jìn)

劉美麗，楊金昭，張建成，趙 千，武增東

（1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司鍍錫板事業(yè)部，河北 唐山 063200；2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司冷軋作業(yè)部，河北 唐山 063200）

電鍍漂洗是電鍍錫重要的工藝環(huán)節(jié)之一。電鍍行業(yè)中，通常采用蒸發(fā)器回收、利用電鍍漂洗水來達(dá)到降低電鍍成本、減少?gòu)U水排放的目的[1]。電鍍漂洗水的回收和利用是降低電鍍成本和減少污染的重要手段，同時(shí)，高效率處理電鍍漂洗水也是鍍錫產(chǎn)線穩(wěn)定提速和保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要保障。蒸發(fā)能力是影響漂洗水處理能力的決定因素。當(dāng)其蒸發(fā)能力低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致漂洗水處理回收不及時(shí)，引起錫泥雜質(zhì)導(dǎo)致的帶鋼表面質(zhì)量問題，并且會(huì)增加廢液處理成本。

增壓風(fēng)機(jī)是蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)中保證蒸發(fā)能力的關(guān)鍵設(shè)備。一套高效、節(jié)能的增壓風(fēng)機(jī)能夠維持蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)的氣壓穩(wěn)定、管道暢通，并能及時(shí)處理二次蒸汽冷凝水，提高蒸發(fā)系統(tǒng)工作能力[2]。因此，深入研究增壓風(fēng)機(jī)的控制與應(yīng)用，對(duì)于提高電鍍漂洗水的回收利用率至關(guān)重要。

1 增壓風(fēng)機(jī)在電鍍蒸發(fā)器中的應(yīng)用

1.1 電鍍漂洗水處理工藝簡(jiǎn)介

鍍錫產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，為了保證帶鋼表面質(zhì)量，電鍍完成后必須立即對(duì)帶鋼進(jìn)行漂洗，漂洗過程會(huì)產(chǎn)生大量的電鍍漂洗水。從電鍍到漂洗的工藝過程中，電鍍液會(huì)被帶入漂洗段，產(chǎn)生錫泥之類的雜質(zhì)，該雜質(zhì)進(jìn)入漂洗槽會(huì)污染漂洗水。若帶鋼漂洗后仍殘留錫泥雜質(zhì)，則會(huì)粘在輥?zhàn)踊蛘邘т摫砻?，造成鍍錫板表面質(zhì)量問題。因此，電鍍后必須使用高質(zhì)量的漂洗水對(duì)帶鋼進(jìn)行徹底清洗，以防止電鍍液殘留進(jìn)入下道工序。

某公司在冷軋電鍍錫產(chǎn)線建立電鍍蒸發(fā)間，利用蒸發(fā)濃縮法對(duì)電鍍漂洗水進(jìn)行處理回收。電鍍蒸發(fā)的過程是將鍍錫生產(chǎn)線漂洗水箱中的溶液打入蒸發(fā)器內(nèi)，通過蒸發(fā)器產(chǎn)生濃縮物和冷凝水，并回流到鍍錫生產(chǎn)線循環(huán)箱的過程。蒸發(fā)器要有足夠的蒸發(fā)能力，才能保證蒸發(fā)效率達(dá)到漂洗水的產(chǎn)生速度。從節(jié)能角度出發(fā)，應(yīng)充分利用二次蒸汽，這樣可以減少蒸汽的消耗量，提高蒸汽的利用率[3]。增壓風(fēng)機(jī)正是蒸發(fā)器循環(huán)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)蒸汽二次利用的關(guān)鍵設(shè)備。蒸發(fā)罐本體原液和蒸汽通暢度、增壓風(fēng)機(jī)速度、循環(huán)管道通暢度都是影響蒸發(fā)能力的重要因素。

1.2 增壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)排水系統(tǒng)介紹

增壓風(fēng)機(jī)由高壓風(fēng)機(jī)葉輪、聯(lián)軸器、電機(jī)組成。聯(lián)軸器主要作用是承受和均勻分布葉輪端造成的壓力，避免對(duì)電機(jī)軸承有磨損，有專門的潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)進(jìn)行潤(rùn)滑，聯(lián)軸器上布有溫度和振動(dòng)傳感器[4]。增壓風(fēng)機(jī)處理二次蒸汽時(shí)，會(huì)有大量的冷凝水產(chǎn)生，因此風(fēng)機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)了自動(dòng)排水系統(tǒng)。

增壓風(fēng)機(jī)的自動(dòng)排水系統(tǒng)主要由3 個(gè)電磁閥和1 個(gè)液位計(jì)組成，如下頁(yè)圖1 所示。通常情況下，風(fēng)機(jī)下口的電磁閥1 常開，其余兩個(gè)閥門2 和3 常閉；當(dāng)液位計(jì)檢測(cè)出水箱內(nèi)液位較高時(shí)，將這3 個(gè)閥的狀態(tài)互換，閥門1 關(guān)閉，閥門2 和3 打開，水自動(dòng)流出；待水排干凈后，閥門狀態(tài)恢復(fù)，以此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排水。

圖1 增壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)排水示意圖

1.3 增壓風(fēng)機(jī)控制原理介紹

風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載的特性是負(fù)載轉(zhuǎn)矩M 與轉(zhuǎn)速n成平方關(guān)系，即軸功率P 與轉(zhuǎn)速n 成三次方關(guān)系。因此，增壓風(fēng)機(jī)使用變頻調(diào)速電機(jī)，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量，能夠取得顯著的節(jié)電效益[5]。

在蒸發(fā)器控制系統(tǒng)中，增壓風(fēng)機(jī)根據(jù)漂洗水供水量的多少?zèng)Q定需要給定的壓力大小。因此，將增壓風(fēng)機(jī)的前后壓力差作為風(fēng)機(jī)增速、減速的重要參數(shù)。增壓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 增壓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖

PLC 和變頻器聯(lián)合構(gòu)成增壓風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)。在生產(chǎn)過程中，PLC 具有較好的運(yùn)算能力，對(duì)電氣系統(tǒng)運(yùn)行過程中的數(shù)字信息進(jìn)行計(jì)算整合，給變頻器下發(fā)啟、停和速度設(shè)定等控制命令。變頻器收到控制信號(hào)后，按指令控制電機(jī)的各個(gè)動(dòng)作。因此，在整個(gè)控制系統(tǒng)中，變頻器既是命令的接收者，也是命令的執(zhí)行者，變頻器的性能直接影響增壓風(fēng)機(jī)乃至整個(gè)蒸發(fā)系統(tǒng)的工作效率[6-7]。

2 增壓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)改進(jìn)

隨著近兩年鍍錫產(chǎn)線產(chǎn)能提高，漂洗水流量加大，以及設(shè)備老化的影響，電鍍蒸發(fā)器一直存在蒸發(fā)能力不足的問題，主要是循環(huán)管道不暢、冷凝水積水，使得增壓風(fēng)機(jī)負(fù)載波動(dòng)大，經(jīng)常導(dǎo)致變頻器過載或過流，并且啟動(dòng)困難，帶載能力不足，一般采取清理循環(huán)管道和積水、調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等措施暫時(shí)緩解問題發(fā)生。2019 年，電鍍錫更是頻繁發(fā)生增壓風(fēng)機(jī)變頻器跳電的故障，嚴(yán)重時(shí)跳電5～6 次/d，嚴(yán)重影響電鍍漂洗水的蒸發(fā)能力，同時(shí)也造成電鍍液成本上升，輥?zhàn)诱橙惧a泥導(dǎo)致檢修換輥時(shí)間增加等一系列問題。因此，為從根本解決故障，優(yōu)化電鍍蒸發(fā)器的蒸發(fā)能力，針對(duì)增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行深入、徹底的分析改造，主要包括對(duì)增壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)排水系統(tǒng)和變頻器的改進(jìn)。

2.1 增壓風(fēng)機(jī)自動(dòng)排水系統(tǒng)改進(jìn)

蒸發(fā)器異常停機(jī)后，管道內(nèi)還存在有大量的蒸汽，一部分蒸汽會(huì)冷凝，由于風(fēng)機(jī)的位置比較靠下，會(huì)造成風(fēng)機(jī)葉輪積水，自動(dòng)排水裝置異常，從而導(dǎo)致負(fù)載波動(dòng)較大，使得風(fēng)機(jī)啟動(dòng)困難；自動(dòng)排水由3 個(gè)氣動(dòng)電磁閥控制，氣壓不穩(wěn)或震動(dòng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)異常，致使閥門開關(guān)異常，出現(xiàn)排水排不凈的情況。

異常狀況是指閥門關(guān)閉信號(hào)受現(xiàn)場(chǎng)影響波動(dòng)，因此通過增加閥門關(guān)閉信號(hào)延時(shí)，確保閥門完全關(guān)閉到位，從而保障風(fēng)機(jī)內(nèi)不積累冷凝水。

2.2 增壓風(fēng)機(jī)變頻器的改進(jìn)

電鍍蒸發(fā)器增壓風(fēng)機(jī)的電機(jī)功率為75 kW，轉(zhuǎn)速為4 291 r/min，頻率為72 Hz。由勞爾變頻器驅(qū)動(dòng)，變頻器型號(hào)為6SE0102-1AA31-8AA5-Z，采用V/F的控制方式，變頻器控制電取自直流母線。負(fù)載波動(dòng)受生產(chǎn)過程中工藝、機(jī)械等影響，電流輸出波動(dòng)較大，可能導(dǎo)致直流母線電壓過低，從而使變頻器失電重啟、通訊字短暫丟失問題發(fā)生。因此，將電鍍蒸發(fā)器增壓風(fēng)機(jī)變頻器更換為西門子PM340 變頻器，并從變頻器控制電供電結(jié)構(gòu)、控制方式以及參數(shù)配置方面對(duì)增壓風(fēng)機(jī)變頻器進(jìn)行改進(jìn)。

2.2.1 變頻器控制電供電結(jié)構(gòu)改變

勞爾變頻器屬于小眾品牌變頻器，僅為電鍍蒸發(fā)器的增壓風(fēng)機(jī)配備了2 臺(tái)。勞爾變頻器控制板直接從變頻器內(nèi)部整流單元的直流母線處取電，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，在一定程度上節(jié)省空間，但是這種高集成的硬件結(jié)構(gòu)也增加了設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)的困難。直流母線過壓、過流時(shí)都會(huì)影響控制板供電故障，易造成控制電源穩(wěn)定性差，且其內(nèi)部的一些參數(shù)無法更改，不易查看曲線，使得現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)非常不方便。勞爾變頻器為德國(guó)進(jìn)口設(shè)備，配備的德文操作手冊(cè)也使得學(xué)習(xí)研究難度增大，故障排查效率大大降低。

PM340 變頻器的控制板由外部直流電源CU320獨(dú)立供電，電源可靠性強(qiáng)，方便故障排查和更換維護(hù)，可移植性強(qiáng)。勞爾與PM340 變頻器控制板供電結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖3 所示。

圖3 勞爾和PM340 變頻器控制板供電結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 變頻器控制方式改變

一般的風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載傾向于選用V/F 變頻器，因?yàn)槠胀ǖ娘L(fēng)機(jī)泵類屬于輕載，采用控制比較簡(jiǎn)單的開環(huán)控制即能滿足使用需求，達(dá)到節(jié)能控制效果，并且V/F 控制變頻器成本低。但是V/F 控制轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、穩(wěn)定性較差，僅適用于速度精度不高或負(fù)載變動(dòng)較小的場(chǎng)合。

電鍍蒸發(fā)器的負(fù)載波動(dòng)是生產(chǎn)中積累的過程，很多因素?zé)o法控制，比如：毛細(xì)管壁積垢不暢、氣液分離裝置內(nèi)部過濾網(wǎng)堵塞、整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部壓力溫度的變化等因素，都會(huì)引起增壓風(fēng)機(jī)負(fù)載波動(dòng)大，電機(jī)轉(zhuǎn)速受沖擊變慢。因V/F 控制為開環(huán)控制，電機(jī)的供電頻率保持不變，此時(shí)電機(jī)瞬間失步，從而引起轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速震蕩，經(jīng)過一段時(shí)間后在一個(gè)較大的轉(zhuǎn)差下緩慢恢復(fù)平衡。電鍍蒸發(fā)器在實(shí)際的運(yùn)行過程中，勞爾變頻器由于低頻帶載能力較差，存在啟動(dòng)困難，不易達(dá)到設(shè)定速度的問題，導(dǎo)致變頻器控制異常，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性降低，嚴(yán)重影響蒸發(fā)器的蒸發(fā)能力。

PM340 變頻器采用的矢量控制為閉環(huán)控制，對(duì)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制特性較好。即使在低頻運(yùn)行時(shí)，也能產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩，且不會(huì)產(chǎn)生V/F 控制方式中易遇到的磁路飽和現(xiàn)象。矢量控制具有控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、在整個(gè)頻率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)都具有較硬機(jī)械特性的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地滿足增壓風(fēng)機(jī)負(fù)載波動(dòng)大的工況需求，穩(wěn)定電鍍蒸發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行，保證蒸發(fā)能力。

2.2.3 變頻器參數(shù)配置

根據(jù)電鍍蒸發(fā)系統(tǒng)實(shí)際的工藝數(shù)據(jù)要求，將西門子PM340 安裝后進(jìn)行基本的參數(shù)設(shè)置。

2.2.3.1 對(duì)變頻器進(jìn)行優(yōu)化

對(duì)變頻器進(jìn)行離線配置，選擇控制方式為不帶編碼器的矢量控制，輸入電機(jī)額定數(shù)據(jù)，將參數(shù)單位轉(zhuǎn)換為%，對(duì)變頻器進(jìn)行電機(jī)數(shù)據(jù)計(jì)算、靜態(tài)測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量、速度控制器優(yōu)化。

2.2.3.2 修改斜坡上升、下降時(shí)間，作S 型曲線，并做電流、電壓限幅參數(shù)設(shè)置

勞爾變頻器上升和下降的斜坡時(shí)間均設(shè)定為10 s，容易造成風(fēng)機(jī)過電壓、過電流問題，轉(zhuǎn)矩輸出波動(dòng)大，蒸汽循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)壓差不穩(wěn)定。對(duì)于增壓風(fēng)機(jī)，由于低速時(shí)負(fù)荷較輕，可按線性模式加速；而高速時(shí)負(fù)荷較重，加速過程應(yīng)減緩，以減少加速電流，保護(hù)變頻器。因此，將該P(yáng)M340 變頻器的上升、下降斜坡時(shí)間改為100 s，同時(shí)修改轉(zhuǎn)矩限幅、電流限幅參數(shù)，激活電流、電壓最大控制器。當(dāng)風(fēng)機(jī)加速時(shí)，限制頻率設(shè)定的上升率，防止過電流；減速時(shí)限制頻率下降率，以防止過電壓。S 型曲線參數(shù)的合理設(shè)置，使得輸出轉(zhuǎn)矩更平滑，更進(jìn)一步降低了對(duì)變頻器及電機(jī)的沖擊。電機(jī)S 型曲線更改界面如圖4 所示。

圖4 電機(jī)S 型曲線更改界面

2.2.3.3 配置PM340 變頻器與PLC 通訊接口參數(shù)

1）將控制通道第0 個(gè)通道設(shè)置為控制字1，第1個(gè)通道連接至P1070（主速度給定），剩下的字清除。

2）將控制字1 第4、5 個(gè)位清除，并將清除的參數(shù)手動(dòng)置1?？刂谱? 內(nèi)部16 位參數(shù)說明如表1 所示。

表1 PM340 變頻器通訊控制字設(shè)置

3）將0—9 狀態(tài)通道按表2 進(jìn)行設(shè)置。

4）將狀態(tài)字1 第3—11 位全部清除，第12 位改為RUNING，將13 位設(shè)置為CU 的DI2（溫度故障）、將14 位設(shè)置為CU 的DI3（溫度報(bào)警），將第15 位清0。狀態(tài)字1 內(nèi)部16 位參數(shù)設(shè)置如表3 所示。

表3 PM340 變頻器通訊狀態(tài)字1 內(nèi)部參數(shù)設(shè)置

5）先將狀態(tài)字2 全部清空，然后將第0 位改為電流或者電壓控制器，將第1 位改為回饋模式，將第2 位改為RUNNING，第3 位改為主接觸器吸合命令，將第4 位強(qiáng)制為1。

2.3 改進(jìn)效果分析

電鍍蒸發(fā)器增壓風(fēng)機(jī)使用的勞爾變頻器被西門子PM340 變頻器所替代，主要從變頻器硬件供電結(jié)構(gòu)、控制方式和變頻器參數(shù)配置三方面進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的變頻器轉(zhuǎn)矩輸出更加穩(wěn)定，蒸發(fā)器循環(huán)系統(tǒng)的壓差波動(dòng)小。增壓風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性和帶載能力增強(qiáng)，蒸發(fā)能力提高，故障減少。勞爾變頻器V/F 控制和PM340變頻器矢量控制下的轉(zhuǎn)矩、壓差曲線如圖6 所示。

圖6 勞爾和PM340 變頻器控制轉(zhuǎn)矩、壓差曲線

通過以上措施的整改，運(yùn)行至今已有兩年時(shí)間，增壓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行可靠穩(wěn)定，因負(fù)載波動(dòng)導(dǎo)致的變頻器跳電故障發(fā)生次數(shù)為零，降低了停機(jī)時(shí)間；設(shè)備優(yōu)化后蒸發(fā)器運(yùn)行穩(wěn)定，其蒸發(fā)能力比改造前至少提高了1 000 L/h，蒸發(fā)能力明顯提升。按照鍍錫產(chǎn)線提速，每年增產(chǎn)1 200 t，并且節(jié)省進(jìn)口備件采購(gòu)費(fèi)，每年可創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值達(dá)730 萬元。

3 結(jié)論

1）研究電鍍蒸發(fā)器和增壓風(fēng)機(jī)工藝作用，分析增壓風(fēng)機(jī)負(fù)載波動(dòng)影響，優(yōu)化自動(dòng)排水系統(tǒng)閥門信號(hào)，改善了風(fēng)機(jī)內(nèi)冷凝水排不盡問題。

2）通過更換變頻器，改進(jìn)變頻器控制板供電結(jié)構(gòu)，優(yōu)化控制方式，合理配置參數(shù)，解決了變頻器跳電故障，使增壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，進(jìn)而提高電鍍蒸發(fā)能力和漂洗廢水回收利用率，降低廢液處理成本，產(chǎn)線運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3）措施整改后增壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，因負(fù)載波動(dòng)導(dǎo)致的變頻器跳電故障發(fā)生次數(shù)為零，降低了停機(jī)時(shí)間。

4）設(shè)備優(yōu)化后蒸發(fā)器運(yùn)行穩(wěn)定，蒸發(fā)能力比改造前至少提高了1 000 L/h，提升明顯。按照鍍錫產(chǎn)線提速，每年增產(chǎn)1 200 t，并且節(jié)省進(jìn)口備件采購(gòu)費(fèi)，每年可創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值達(dá)730 萬元。