基于PLC控制的中板分厂除磷系统节能优化

沈灿钢

摘要：现代特钢制造企业生产中，中板分厂的除磷电机一直是耗电大户，一臺电机的耗电量就占了整个分厂电量的15.3%，而除磷时间不超过整个轧制时间的40%。现代工业（特别是轧钢企业）中传动系统和PLC系统已经开始广泛应用，通过对除磷电机进行优化控制，利用PLC控制技术和先进驱动技术改变除磷电机的运转速度，降低除磷电机的实时功率，减少除磷电机的高功率运行时间。本文控制系统通过现场实际测试，除磷系统的PLC节能优化成效显著。

Abstract： In the production of modern special steel manufacturing enterprises， the descaling motor of medium plate branch plant has always been a major power consumer. The power consumption of one motor accounts for 15.3% of the total power consumption of the branch plant， and the dephosphorization time does not exceed 40% of the whole rolling time. Drive system and PLC system have been widely used in modern industry （especially in steel rolling enterprises）. Through optimized control of dephosphorization motor， the PLC control technology and advanced driving technology are used to change the speed of dephosphorization motor， reduce the real-time power of dephosphorization motor， and reduce the high-power running time of dephosphorization motor. The control system of this paper has passed the field test， and the PLC energy-saving optimization effect of the phosphorus removal system is remarkable.

关键词：除磷;PLC;轧制;板坯;HMI

Key words： phosphorus removal;PLC;rolling;slab;HMI

中图分类号：TH712                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）27-0156-03

0  引言

前两年中板分厂与兴澄特钢其他分厂、其他公司板材厂对标后发现，中板分厂的电耗一直高出后者10%～20%，这也是造成生产成本居高不下的主要因素之一。而中板分厂的耗电大户就是大电机，可谓电机动一动，电表转三转。

中板分厂轧线上共有5台大电机，其中2台为3050V/8000kW的轧机上辊主电机和下辊主电机，同时运行，另外3台为6000V/4300kW的除磷电机，1用2备。只要轧机在轧钢，上下辊主电机就要按照设定的速度转动起来，待钢的时候也是怠速旋转，所以这2台主电机节能的空间很小。而除磷电机却大不相同，在整个生产过程中，除磷时间仅仅占了不到40%。但是从2016～2018年中板分厂的用电量分析，除磷泵耗电量却占了总电量的15.3%，达到吨钢电耗13.91kWh。所以除磷系统的节能优化，对于整个分厂的降耗降本工作有着显著的效果。

1  除磷控制系统分析

中板分厂除磷系统分为除磷箱、机上除磷和除磷泵站三部分，图1为中板分厂除磷系统HIM界面。

除磷箱位于加热炉出口与轧机入口之间。板坯在加热炉预热（1300℃以上）之后，通过辊道输送到轧机的过程中，会在表面产生厚厚的一层氧化铁皮。除磷箱的目的就是在高温板坯通过时，利用位于辊道上下表面的两排高压喷嘴，将高压水均匀地打在热板坯的整个表面上，使氧化铁皮松脱。在热板坯离开除磷箱后，辊道加速，利用惯性使氧化铁皮脱落，防止氧化铁皮跟随板坯进入轧机，在轧制过程中压入钢板，产生麻面，造成质量异议。

中板分厂采用的是可逆式四辊轧机，板坯轧制时间较长。在轧制过程中，板坯表面会再次产生氧化铁皮。因此，在轧机上下工作辊的出入口再分别安装了一组喷嘴，这四组喷嘴即为机上除磷。跟除磷箱不同的是，每块板坯会多次打开机上除磷，再次产生氧化铁皮的时间短，温度低，故而较薄，所以机上除磷可以直接将氧化铁皮冲刷掉，使其随着除磷水直接流入冲渣沟。另外，部分板坯由于工艺需求，在轧制数道次之后，会等待板坯下降到一定温度后再继续轧制。此待温时间短则数十秒，长则三五分钟。所以待温后的第一道次，机上除磷尤为重要，甚至可以直接决定轧制的成功与否。

位于液压站内的除磷泵站，则是由ACS5000驱动3台除磷大电机进而拖动除磷泵，将中板分厂0.45MPA～0.75MPA的低压浊环水加压到22MPA以上，然后经高压管路连接到除磷箱和机上除磷。同时，为了保护管路，每对喷嘴前分别设有预冲阀和除磷阀。每次除磷时，先打开预冲阀，让管路里面充满高压水，2秒后再打开除磷阀，高压喷嘴喷射出高压水，实现除磷功能。

2  基于PLC控制的节能优化

2.1 除磷电机的节能优化分析

耗电量公式：E=P×T   P—功率  T—时间

可知，要降低除磷电机的耗电量，一方面可以从降低除磷电机的实时功率出发，另一方面可以从减少除磷电机高功率运转的时间。除磷电机的转速直接影响着实时功率，其最高转速可达1494rpm，但是除磷时并不需要全部时间都全功率运行。

2.2 降低除磷电机的实时功率

2.2.1 除磷箱除磷时节能优化

除磷箱除磷时，工艺上需要保证喷射前管路压力达到22MPa 以上，喷射时达到20MPa以上。另外，分厂的浊环水的水压也在0.45MPa～0.75MPa波动，综合考虑这些因素，然后经过长时间的试验，最终把除磷箱除磷时除磷电机的转速下降到1390rpm，优化程序如图2所示。

从图3“Drive Window”监控画面可以看到，除磷电机的实时功率从4300kW变为3000kW，降低了30.2%，节能效果明显。

2.2.2 机上除磷时节能优化

工艺上同样要求机上除磷要保证喷射前管路压力达到22MPA 以上，喷射时达到20MPA以上。但是与除磷箱除磷不同，机上除磷的喷嘴没有除磷箱的多，而且管路也没有除磷箱的粗，流量会比除磷箱除磷时小很多，因此可以把除磷电机的转速继续往下调整。最终把机上除磷时除磷电机的转速调整到1370rpm。不要小看这20rpm的下调，除磷电机的功率从3000kW下降到了2700kW，再次降低了10%，优化后效果如图4所示。

2.3 减少除磷电机高功率运转的时间

除磷电机和除磷泵的最低转速可以达到400rpm，但是如果速度降到400rpm时，在需要除磷时除磷泵来不及加速到1370rpm，管路压力不够，导致除磷不干净。之后慢慢修改转速，发现把不除磷时的转速调整到600rpm时，即可以在接下来需要除磷时保证水压，又能达到节能的目的，程序修改如图5。

如图6所示，节能效果非常明显，功耗直接下降到200kW。

通过优化实验，除磷箱除磷前，中板分厂共有2台加热炉（1台预留），而每台加热炉为双排布料，这就导致了不同布料的板坯出钢后，到达除磷箱的时间会不同（共4种）。这样，可以把除磷箱除磷前设定为600rpm，然后根据除磷泵从600rpm升速到1390rpm的时间，以及不同布料的板坯到达除磷箱的时间，设定不同的延迟升速时间，其中前2个比较块就是确定为2号加热炉第1排布料，值为13s。另外2号炉第2排、1号炉第1排、1号炉第2排对应的延迟时间为15s、18s、21s。

2.4 减少待温时间

中板分厂很多钢板需要待温，而根据2016-2018年的2级系统生产数据统计，所有钢板（不需要待温的钢板默认为待温时间0s的平均待温时间为30s，占钢板轧制时间的10%，所以，除磷泵待温时降速为600rpm也可以节约很多电量。

2.5 末道次轧制时优化除磷泵

板坯轧制的最后一道次是不需要除磷的，而末道次的轧制时间是最长的（因为钢板最薄，而体积和寬度却不变）。在之前的程序段中，只判断了板坯是否在轧制，却没有区别对待末道次。所以，通过PLC程序设计，在板坯轧制的最后一道次提前降速除磷泵。

3  结语

本文经过分析和实验，从优化节能出发，一方面降低除磷电机的实时功率，另一方面减少除磷电机高功率运转时间，两个方面共六点的优化。最终，一块板坯整个轧制过程中除磷电机的转速设定和功率。其中，820s时加热炉出钢，1560s时钢板轧制结束。最终，除磷电机的吨钢电耗也从13.91kWh下降到了11.20kWh，降幅达到19.5%。降低除磷电机的实时功率，减少除磷电机的高功率运行时间，一次又一次的试验证明，除磷系统的PLC节能优化已经初见成效。除磷系统的节能优化，对于整个分厂的降耗降本工作有着显著的效果。

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