炼钢厂120T转炉中压泵软起动控制改造
    李德平
    酒泉钢铁集团有限责任公司碳钢薄板厂,甘肃嘉峪关735100.
    摘 要：转炉中压泵软启动改造
    关键词：软启动
    1．概述
    酒钢碳钢薄板厂炼钢工序有3座120t顶底复吹转炉，原设计电气控制方式为接触器直接启动控制，控制系统设计存在缺陷，160KW的电机采用直接起动方式，严重不符合国家电气标准。国家电气行业标准对电机起动有明确规定，即电机起动时的电网电压降不能超过15%。而我们未配备限制电机起动电流的起动设备，采用直接起动方式，起动时电流冲击波动达到20%以上，远远超过国家规定的标准值，自投产以来中压泵电机由于启动电流过大而冲击电网频繁造成转炉本体系统总电源智能断路器跳闸，致使泵组断电后烟道在转炉冶炼中断水，严重影响到烟道的使用寿命。2009年8月由于此系统故障频繁严重制约生产，立项实施了软启动改造，2009年12月将3座转炉中压泵组全部改造完成，使用软起动装置后，不仅实现在整个起动过程中无冲击而平滑的起动电机，明显减小了对机械负载的冲击，而且可根据电动机负载的特性来调节起动过程中的参数，如限流值、起动时间等，实现对电网的冲击降低到5％以下。此外，它还具有多种对电机保护功能，这就从根本上解决了目前采用直接起动方式起动设备的诸多弊端，转炉体统的供电可靠性明显提高，并且转炉泵组的可靠运行得到充分保证，为满足RH炉项目对系统的要求提供了保障。原转炉电气室有增加软起动器电气系统的位置及电缆槽，而且现转炉PLC控制系统满足与新增软起动器的兼容性，原控制线路无需改动，并且新增软起动器采用与转炉系统PLC同一品牌的罗克韦尔自动化产品，不仅实现了接口间有机的结合达到最佳的控制方案，而且支持转炉系统PLC网络控制协议，为将来进一步升级实现DeviceNet网络控制、智能控制预留有实施条件。
    1.1、转炉净汽化泵组设备简述
    转炉中压泵组设备是炼钢厂转炉净汽化系统的关键生产设备，由于炉口可移动段所处的环境较差易损坏，并且结构特殊。为保证其水循环流畅、安全、可靠，因此设计采用将炉口可移动段与汽包通过热水循环泵相连接，组成高压强制循环汽化冷却系统。中压强制循环汽化冷却系统的设备包括：高压热水循环泵、余热锅炉炉口移动段、汽包等。为了实现转炉自动化，转炉余热锅炉主要参数（如压力、温度、流量、水位等）及设备的控制、监测以及电气联锁等均在转炉主控室监视和操作控制。余热锅炉本体、软水系统、给水除氧系统、强制循环系统、蒸汽系统及蓄热器、汽包等均采用PLC程序控制和CRT画面操作。
    1.2、酒钢集团120T转炉净汽化系统中压热水循环泵工艺参数及电气系统配置
    中压热水循环泵型号：EAP250K5-500型
    流量： 600m3/h
    扬程： 60 m
    转速： 1480r/min
    配用电机功率： 160kW
    电机： 6台(每套余热锅炉2台，1用1备)
    带泵控功能的软起动器： 6台
    1.2、使用泵控软起动器的特性及优点：
    在管道中当流体发生突然变化时，离心泵会产生冲击及瞬间压力，在泵的启动及停止阶段，开闭阀门、或一些特殊系统的操作均会引起冲击。当然，有许多基于机械式的降低冲击技术，但是费用贵且复杂，所以采用电子方法在启动及停止泵时减低冲击及水锤问题被作为节省费用的最佳方法。
    在泵的应用中，有以下关系：
    Q2 N2 这里 ： N=泵速
    ----- ∞ ----
    Q1 N1 Q=流量(CFM)
    所以：可以通过改变泵的转速来调节液体流量。离心泵通常与电机以联轴器相连。当电机以全压起动时，泵非常快速的从0加速到全速，通常小于1/4秒很平常。基于流体通常不宜压缩及具有动量，故极短时间的变化会导致流体中的气隙为达到平衡而产生冲击，这就会导致许多不理想的结果。冲击产生的压力会对管壁造成冲击，从而引起噪声，就像管壁不断受到锤击，这种现象通常称作“水锤”效应。这种噪音与由于冲击引起的对管道及阀门的机械损伤相比是微不足道的。瞬间高水压会导致管壁老化或损伤瞬间低水压则会导致管壁塌陷，流体中气隙的存在会产生高度活跃的流体及部分真空，管道接缝处会逐渐扩大造成流体溢出，这种现象同样会损坏阀门装置。水锤是由于流体在泵的起动及停止时的快速变化引起的，这与对电机泵的加速与减速控制有关。下图为采用直接起动与采用泵控软起动器两种方式下泵组转速、转矩曲线，负载为离心泵。注意在100％速度时两条曲线的交汇点。
   
   
    图1 采用直接起动方式泵的转速、转矩曲线
   
   
    图2 采用有专用泵控制软起动器的转矩、转速曲线
   
   
   
   
    图3 采用直接起动方式流量变化与时间的关系曲线
   
   
    图4采用三种起动方式下流量与时间曲线
   
    因此经比较使用了带泵控功能的软起动器后，使得在直接起动过程中产生的转矩尖峰大大降低，罗克韦尔自动化公司的专用泵控软起动器内部使用了专用微处理器，使电机输出转矩得到了完善的控制。AB软起动器还有如下特点：对电机运行特性的控制，尤其在起动和停止期间；对电机和起动器的热过载保护；对传动机械的机械保护，清除转矩浪涌并降低冲击电流；在整个1区内控制加速转矩；按应用要求调节电机转矩；降低电机损耗；带液晶调试窗口，方便设定参数和阅读查询报警信息，如电流值；软启动器启动器的保护；短路保护：13ICL-20ms；旁路后的热保护功能；抗扰性；捕获旋转负载；短时断电保护<200ms；过载保护；连续负载的电流跳闸极限值：报警50%~300%In，最小10S。
   
    2. 改造方案：
    订购6台软起动器备件，将现每座转炉下料系统变频柜多余空间利用，自行设计软起动器控制及切换原理图，订购软起动器，进行安装调试，原有直接起动抽屉柜继续利用，输出回路与软起动装置通过切换装置并联，正常情况使用软起动装置，当软起动装置出现重故障时切换原抽屉柜保证其可靠性，软起动控制柜主电路设计图如下图所示。
   
    3.实施过程：
    要满足原计算机系统控制要求须软起动控制柜提供原有PLC输入输出信号，原电控系统与软起动控制柜配套使用，经设计软起动控制柜提供了与PLC连接的相应信号，改造时增加了抽屉柜、软起动切换功能和控制回路。主回路、控制回路电源从各自转炉本体接入，不改变原来的操作系统，两套系统互不牵制，原系统来自转炉主PLC的控制信号和反馈信号分别以并联方式接入两套控制电路，实现无缝连接，切换装置通过增加两个三刀双掷开关实现快速切换，以确保安全可靠。设施改造后需具备以下功能：两台泵具有联锁功能，1.当其中任意一台泵出现故障后，系统发出报警信号，通知维护人员排除故障，同时经过一定时间的延迟，系统自动切换到另一台泵运行。2.系统能够实现有远程\就地控制功能 ；3.系统具有各种运行状态指示功能 ；4.水泵运行、停止、故障指示；5.控制电源指示；6.系统自动运行、停止指示；7.系统故障指示，并有报警。8.故障时快速切换功能。下图为对接图与切换图：
   
    软启动器参数表
   
    参数号 参数名 参数设定值 单位 描述
    17 Parameter Mgrnt READY 　 参数
    28 STARTING MODE SOFT START 　 启动模式
    30 RAMP TIME#1 15 SEC 斜坡时间
    31 INITIAL TORQUE#1 20 % 初始转矩
    35 KICKSTART TIME 10.0 SEC 启动时间
    36 OVERLOAD CLASS 15 　 过载种类
    37 STALL DELAY 5 SEC 停转延时
    39 AUX CONTACTS NORMAL 辅助接点1和2　
    40 AUX CONTACT 1-FAULT 辅助接点3　
    41 CONTACT 3 CONFIG 0-N.O 　 辅助触点3的配置
    42 SOFT STOP TLME 15 　 软起停止时间
    69 LINE VOLTAGE 380 V 线电压
    70 MOTOR FLC 291 AMPS 电动机全负荷电流
    72 MTR CODE LETTER V 　 电动机代码字母　
    74 CONVERTER RAIING NONE 　 等级
    75 CT RTTIO 50:05 　 电流互感器变比　
    76 CALIBRAIION OFF 　 校验　
    77 ENTER CALIB 291 AMPS 输入校验电流　
    79 MOTOR HP RAIING 0 　 电动机额定功率（马力)　
    80 MOTOR KW RATING 160 KW 电动机额定功率　
    85 LOGIC MASK 0 　 逻辑掩码　
    87 LB SW VERSION 1.09 　 软件版本　
    88 OVERLOAD RESET MANUAL 　 过载复位　
    4.实施后的效果：
    现投入软起动器后中压泵起动时起动电流由原来直接起动的1400A降到350A，电机起动时的系统电网电压降到10%以下，对转炉本体系统总电源致命的影响得到彻底解决，并且原有的抽屉柜作为热备，一旦软起动器出现重故障可实现迅速切换，泵组的可靠性得到根本上的提高，避免了泵组故障对烟道寿命的影响。使用该软起动器泵控功能实现平滑地对电动机加速和减速，使泵组在起动和停机期间减少喘振。微处理器分析电动机转速的变化，并发出指令控制电动机和降低在系统中产生喘振的可能性，同时由于软启动器采用晶闸管控制输出电压，电动机的功率损耗将由减少电动机端子电压而降低，电机的运行条件得到明显改善，故障率大大降低。
    5.结论：
    通过对碳钢薄板厂炼钢工序3座转炉6台中压泵实施软起动器改造，自投用以来，不仅实现了电机的软起、停，避免了启动时的电压冲击对系统的影响，而且工/变频两套转换电路保障了系统的安全可靠。经过实际运行，改造达到了目的，而且系统运行比较稳定。此系统应用软起动技术的成功经验，值得其他重要应用场合泵组控制应用和推广。