庄少华

（云铜股份西南铜业分公司熔炼分厂，云南 昆明 650000）

云南铜业股份有限公司西南铜业分公司熔炼分厂电炉冲渣水系统承担电炉炉后放渣冲水及其循环利用，随着电炉生产组织、工艺调整，冷热水泵机组控制要求越来越高，当电炉冲渣系统水泵需要改变供水流量时，采用人工调节冲渣节流阀来实现,实际生产中流量近20%被浪费掉。采用变频调速控制，对节约能源，提高效益具有重要意义。

1 电炉冲渣水系统工艺流程

熔炼分厂电炉冲渣水系统包括以下主要设备：冷水泵机组2台，热水泵机组2台，冷却塔风机2台，电动阀门，液位计、温度计、管道及附件，根据生产组织、工艺要求，组成电炉冲渣水管网图（见图1），实现供水循环利用。

图1 电炉冲渣水系统管网图

2 变频调速节能原理

变频器调速的原理是通过整流桥将工频交流电压变为直流电压,再由逆变桥变换为频率可调的交流，作为交流三相异步电动机的驱动电源，使电动机获得无级调速所需的电压、电流和频率。水泵供水系统具有管网特性曲线，即通过管网的流量与所消耗的能量之间的关系曲线，同时表明水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差，液体在管道中流动的阻力。

图2 阀门调节功能

图2为水泵用阀门控制时，当流量要求从Q1减小到Q2,必须关小阀门。这时阀门的摩擦阻力变大,管路曲线从R移到R′，扬程则从Ha上升到Hb,运行工况点从a点移到b点。

图3 变速调节功耗

图3为调速控制时，当流量要求从Q1减小到Q2,由于阻力曲线R不变，泵的特性取决于转速。如果把速度从n降到n′，性能曲线由(Q-H)变为(Q-H)′，运行工况点则从a点移到c点，扬程从Ha下降到Hc。根据离心泵的特性曲线公式：N=RQH/102η，式中N为水泵使用工况轴功率（kW）;Q为使用工况点的流量（m3/s）;H使用工况点的扬程（m）;R为输出介质单位体积重量（kg/m3）;η为使用工况点的泵效率（%）。可求出运行在b点泵的轴功率和c点泵的轴功率分别为：

Nb=RQ2Hb/102η

Nc=RQ2Hc/102η

两者之差为：ΔN=Nc-Nb=RQ2(Hc-Hb)/102η

阀门控制流量时，有ΔN功率被损耗浪费掉了，且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加。而用转速控制时，由于流量Q与转速n的一次方成正比，扬程H与转速n的平方成正比，轴功率P与转速n的立方成正比，即功率与转速n成3次方的关系下降。如果不是用关小阀门的方法，而是把电机转速降下来，那么在转运同样流量的情况下，原来消耗在阀门的功率就可以全避免，取得良好的节能效果。

3 冲渣水系统存在的问题

3.1 热水泵与冷水泵机组供水流量不匹配

冷热水泵机组受管道、扬程等影响，通过实际检测，存在供水流量、电动机不匹配情况（见表1、表2）。

表1 冷热水泵供水流量不匹配

表2 冷热水泵电动机参数

3.2 冲渣水流量调节困难

冷热水泵采用软启动器控制方式，该控制不具体调节功能，设备处于恒速运转，当需要改变供水流量时，采用调节冲渣节流阀来实现，冲渣水流量控制效果差。

4 技术改造方案

4.1 冷热水泵匹配性对策

在不改变水泵基础的前提下，选择与冷水泵供水相匹配设备，克服热水泵机组因扬程不足带来的问题，重新对水泵、电动机进行选型（见表4、表5）。

表4 水泵技术参数

表5 电动机技术参数

4.2 水泵变频调节改造

根据生产工艺及设备控制需求，冷热水泵机组各增加变频调速系统，实现水泵流量的自动调节，实现冲渣水循环运行。

4.3 流量、液位装置

冲渣水系统实现变频调节功能，分别在冷热水池安装流量、液位装置，满足生产过程中流量参与水泵流量调节功能，实现水流量匹配，避免生产水满出，影响处理成本。

5 冲渣水系统技术改造

5.1 热水泵机组设备配置、安装

通过对热水泵机组设备升级来改善冷热水泵供水不匹配问题，水泵及电动机在不改变基座安装条件下，顺利完成水泵及电动机安装、调校工作。

5.2 冷热水泵变频改造

在保留原软启动器控制柜的基础上，新增变频控制柜，变频与软启动器控制进行联锁，以变频控制方式为主，软启动器作为备用，满足电炉冲渣水泵控制要求，设计如下控制方式逻辑图（见图4）：

图4 变频、软启动逻辑图

通过变频调速控制水泵流量，分别在冷热水池安装流量装置，参与水泵变频控制，实现变频自动调节。水泵流量调节是通过变频调速来实现，有两种方式：现场电位器调节;冷热水池流量装置来自动调节，自动调节是通过流量变送器测量，将4—20mA信号来控制变频器的运行频率，达到调节水泵运行频率要求。

5.3 冷热水泵机组测试、运行

系统供水流量正常，水泵机组运行平稳，振动数据正常，时域波形与频域波形见图4与图5所示，自由端振动速度有效值为1.13mm/s，振动加速度有效值为6.05m/s2，完全在控制范围以内，能够满足设备的安全运行。根据生产所需流量，对水泵进行现场调节和自动调节，均达到调节控制的要求。

图5 电动机振动时域与频域图（速度）

图6 电机自由端径向振动时域与频域图（加速度）

6 节能效果

实现变频调速后，对电机和电网的冲击大幅度下降。变频器能快速检测和保护，电动机的保护更完善了，提高电机安全可靠运行。通过实际测量统计，变频器节能率达20%，每台水泵节省年节能560640KW，年创造效益达25万余元。

7 总结

变频调速技术具有较好的调速性能、节能效果显著、设备运行安全可靠等优点，是水泵节能高效运行的先进、可靠技术。在电炉冲渣水系统应用后效果较好，在保证供水质量的条件下，取得良好的经济效益。提升企业自动化水平、降本增效具有重大的实践意义