管金朋

(侯马北方铜业股份有限公司， 山西 侯马 043000)

0 前言

随着工业自动化程度的日益提高以及能源的全球性短缺，变频技术因其自身的独特优势高速发展，越来越广泛地应用在冶金、化工、纺织、机械、造纸、食品等各个行业以及风机、水泵、等节能场合，而且取得了显著的经济效益[1-3]。本文就某冶炼厂5万t阴极铜电解项目的3台90 kW电解液循环泵在运行中存在的问题进行了变频改造，改造后，节能效果显著，同时可以为相关行业提供一定的借鉴。

1 某电解液循环泵在生产运行中存在的问题

某公司铜电解系统采用传统的湿法精炼工艺，即在电解槽中通以直流电，在电场的作用下使槽内电解液中的阳极和阴极发生电化学反应[4-5]，从而将铜的纯度进一步提高，达到99.99%以上。公司一期5万t阴极铜电解系统有3台电解液循环泵，电机额定功率均为90 kW，额定电流为162 A，额定转速为1 490 r/min，启动方式为直接启动。按照生产要求，3台循环泵2台工作、1台备用，电机的启动与停止由值班人员手动操作，工艺设计电解液由循环泵经换热器输送至普通电解液高位槽，电解液依靠自流经分配器到各个电解槽。在运行过程中，电解液循环泵存在以下问题：

1)在正常工况下，启动1台循环泵达不到工艺要求，启动2台循环泵又超出了实际需求，高位槽中电解液溢流到循环槽，操作人员通过调节循环泵后阀门来达到高位槽液位的稳定，造成了电能的极大浪费。

2)电机采用直接启动，启动电流较大，一般是额定电流的4～7倍，在启动时，对电机的绝缘程度会造成很大损害；同时，由于泵启动冲击大，冲击轴承和叶轮，导致轴承易损坏而使轴抱死，甚至叶轮折断，维修量大，维修费用高。

3)循环泵叶轮磨损加速，泵震动增大，对泵出口阀门及管道冲击加大，焊缝经常开焊漏液。

4)电解液液体循环量波动大，由于人工控制的局限性，不能及时调整到生产上所需求的流量。电解液循环量过大，易使电解槽内的阳极泥悬浮，电解铜表面长粒子；电解液循环量过小，电解槽内添加剂的含量低，直接影响电解铜的质量[6]。

2 循环泵的变频技术改造

2.1 变频器的节能原理

根据电机学原理，异步感应电动机的转速N与电源频率f、转差率s、电机极对数p三个参数的关系见式(1)：

N=60f(1-s)/p

(1)

改变式(1)中任何一个参数都可以实现电机转速的改变。变频器就是通过改变电源频率的方式来改变电动机转速的。由于转速与频率之间为线性关系，从理论上分析，调速范围在0%～100%内线性度良好，随着科学技术的不断发展，变频调速已成为交流电机调速的主要方式[7]。

2.2 循环泵的变频改造措施

经过多次的分析研究并结合生产需求，2017年4月电气技术人员对普通电解液循环泵进行了变频改造，变频器选为西门子6SE6430 90 kW，采用一托三的工作方式，控制分为手动和自动两种状态。在手动方式下，可以单独对每一台泵进行启停操作，循环泵处于工频模式；在自动方式下，采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统的调节。控制核心单元PLC根据电解液罐液位与设置液位的偏差，经过PID运算，PLC将4～20 mA模拟信号输送到变频器用以调节电机的转速和进行电机的软启动，PLC通过比较模拟量输出与液位的偏差，驱动切换继电器组，控制供液流量，同时完成电机启停和变频与工频的切换[8]。当液位低时，变频启动第1台循环泵，当达到额定频率50 Hz时，实际液位仍低于设定值，第1台循环泵转为工频运行，变频器启动第2台循环泵，依此类推；当液位高时，第N台循环泵频率逐渐降低，当频率降到0 Hz时，第N台循环泵停止运行，第N-1台循环泵变频启动。

2.3 变频器的运行参数

西门子6SE6430 90 kW变频器的主要运行参数见表1。

表1

2.4 改造效果

变频改造后，在正常工况下，电机系统循环泵由2台工频运行变为1台工频运行、1台变频运行。电解液循环泵改造前后的实际运行电流和消耗功率测试对比结果见表2。由表2可知，改造前，工频运行时平均电流为125 A，平均消耗功率为1 763 kWh；改造后，变频运行时平均电流维持在35 A，平均消耗功率为486 kWh。

3 经济效益分析

3.1 直接经济效益

三相功率计算公式为：

表2 电解液循环泵改造前后电流和消耗功率统计结果

(2)

式中：P——功率，W；

U——电压，380 V；

I——电流，A；

cosφ——功率因数，0.89。

电解液循环泵电机一年运行时间按照11个月(330天)计算，改造前、后的平均运行电流分别为125 A和35 A，则年可节约电能W=ΔPt=1.732×380×(125-35)×0.89×24×330=417 531 kWh；电费按0.57元/kWh计算，5万t电解系统年可节约费用为23.8万元。

同时，1台西门子90 kW变频器及配盘所需成本约为3.5万元，则循环泵的变频改造后累计全年产生经济效益为23.8-3.5=20.3万元。

3.2 间接经济效益

采用西门子变频器对循环泵进行节能改造，其优势是结构简单、改造方便、节能效果明显以及投资回收期短。变频器调速技术先进成熟，提高了设备的技术含量和设备的稳定性。循环泵变频改造后，电解液循环量波动减小了，电解铜的一级交割率提高了1.5%。

4 结束语

电解循环泵变频改造后，设备运行良好，节能效果明显，电机实现了软启动，避免了直接启动时大电流对电网的冲击，电机与工艺设备的使用寿命延长，同时降低了设备的维修费用。电解液高位槽溢流现象消失，液位控制更加准确。循环泵后阀门处于全开位置，免除了操作人员频繁调节阀门的工作，有效降低了工人的劳动强度，为公司重点设备的连续稳定运行提供了保障。