冷轧不锈钢轧机油雾系统节能技术应用

邵 超，张志军，秦 飞

（宁波宝新不锈钢有限公司轧钢智造中心，浙江宁波 315807）

0 引言

对于冷轧不锈钢单机架轧机，由于机组生产间歇性的特点，在机组上下卷操作、更换工作辊、规格切换、设备异常处理、带钢表面质量检查、检修等存在大量的辅助时间，此时油雾风机系统仍然在额定转速下运行，这样会造成电能的浪费。随着国家节能减碳的要求，不锈钢行业有必要通过技术革新，实现企业节能降耗、绿色发展。通过油雾系统风机节能改造，可以将生产过程中辅助时间段油雾风机电机的转速降低，从而实现节能降耗的目的。

1 油雾处理系统工艺介绍

在轧制冷轧不锈钢板带生产过程中，需对轧辊、带钢表面进行冷却和润滑，在生产作业中会喷淋大量的轧制油对带钢表面进行冷却，从而在轧机牌坊区域产生大量的油雾气体。此类油雾的成份主要有3 个部分组成：①因喷射冲击产生的干净的雾状冷却液油雾，颗粒范围在3～20 μm，所占比例较大，占总油雾量的96 %以上；②轧制过程中产生的热量，将油雾加热导致蒸发或气化而产生的油雾，颗粒范围在0.01 ～5 μm；③轧制时喷射产生的含金属粉尘的油雾，占油雾总量的很小一部分。油雾温度约80 ℃，浓度约为100 ～300 mg/m3，它会造成环境污染并严重影响操作人员的身体健康。

因此不锈钢轧制产生的油雾必须通过多级净化装置处理，清理油雾废气并加以回收利用，达到保护环境及人员健康的目的。而油雾废气处理装置是通过油雾风机的作用，收集废气进入净化器内的均流室，过风面积加大，气流速度急剧下降，再依次进入各级过滤装置，逐级滤除颗粒及油雾，经过滤网捕集的油雾在过滤网上聚积后，回流到集油槽中以供回收再利用，油雾收集和处理系统如图1 所示。

图1 油雾收集和处理系统

2 油雾风机节能原理

轧机油雾产生量同轧机产生的热量（与压下量、轧制速度等因素有关）、轧制油温度、牌坊内轧制油喷射量等因素有关，尤其是轧制速度高时，带钢上产生的热量就越多，油雾浓度就会大幅增加，而在换辊、上下卷时，牌坊内不喷射轧制油时，油雾就会很少，因此油雾风机无需长期保持高转速工作，可以根据不同工况来设定不同的油雾风机电机的转速，同时又能满足轧机生产运行的要求。

风机风量和转速成正比：

式（1）中，Q1、Q2分别为转速n1、n2时对应的风量，风机所消耗的功率与转速的立方成正比：

式（2）中，P1、P2分别为转速n1、n2对应消耗的功率。

从式（1）、式（2）可知，如果根据油雾量的多少，进行改变风机的转速。改变风机转速的同时，又可以改变风机电机运行功率，实现改变风机的电耗，实现节能的目的。

3 原油雾风机控制系统

宝新公司SUNDWIG 二十辊单机架轧机油雾风机由AIGNER制造，电机使用的是VEM 公司的90 kW 工频电机，采用星三角启动控制方式，工频运行。在实际使用中发现电机实际负荷接近设计值，因此电机长期在接近100%的负荷区域工作，造成电机运行时的温升很高，尤其是夏季，电机壳体温度超过80 ℃，因此设备稳定性低，每年要对电机进行维护保养，但是还是经常出现电机损坏的设备故障，原油雾风机控制方式，原来油雾风机主回路如图2a）所示。

图2 油雾风机主回路

原油雾风机控制系统存在的缺点：①油雾风机电机采用星三角启动方式，电机启动转矩大，需要从电网吸收电机额定电流的4 倍以上，启动电流大，会造成电网电压和设备电压波动，同时增加线损且容易造成电机、交流接触器的损坏；②油雾风机电机长期在额定转速下，接近满负荷情况运行，会减少电机轴承、电机线圈绕组的使用寿命，增加维护成本；③油雾风机启动电流大，启动噪声很大，影响操作人员身体健康；④油雾风机所有工况都是额定转速运行，造成电能浪费。

4 油雾风机控制系统优化

4.1 变频器调速的特点

变频器的核心功能是调速，其次是节能。变频器节能需要符合3 个条件：①大功率并且为风机、泵类负载；②装置本身具有节电功能；③长期连续运行。

（1）变频节能。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计动力时都会有一定的裕量，使电机不能满负荷运行。除了满足动力驱动的要求之外，过剩的力增加了有功功率的消耗，导致电能的浪费。

（2）动态调节节能。快速适应负荷变化，提供最有效的电压。变频器在软件中具有5000 次/s 以上的测量和控制输出功能，使电机的输出始终保持高效运行。

（3）V/F 曲线可通过变频功能自动调整。在保证电机输出转矩的情况下，V/F 曲线可自动调整。电机输出扭矩减小，输入电流减小，达到节能效果。

（4）变频启动节能。当电机全压启动时，由于电机启动转矩大，需要从电网吸收电机额定电流的7 倍以上[1]，启动电流大，电网电压和设备电压波动大，会增加线损和设备的损坏。使用变频软启动后，可以减小启动电流，减少启动电流对电网的影响，节省电费，并减少启动的惯性，延长设备的使用寿命。

（5）提高功率因数，节约能源。电机通过定子绕组和转子绕组的电磁作用产生扭矩，绕组具有电感效应。对于电网来说，阻抗特性是感应的，电机运行时吸收大量的无功功率，导致功率因数过低。采用变频节能调速器后，由于其采用交—直—交的转换方式，经整流滤波后，负荷特性发生变化。变频器具有抗电网阻抗特性，功率因数高，降低了无功损耗。

随着科学技术的进步，大功率晶体管技术的迅速发展，大规模集成电路和微机技术的突飞猛进，变频调速在生产作业中已得到广泛应用[2]。变频调速在变频范围、动态响应、工作效率、调整精度、功率因数、输出特性保护功能及可靠性方面，都达到了较为完美的程度。变频调速的原理是根据异步电机的转速[3]：

式中：n 为转速，f 为电源频率，p 为极对数，s 为电机的转差率。从上式可知，改变供电频率f，即可改变电机的转速。

4.2 变频调速控制原理

变频器采用开环矢量控制方式，根据电机铭牌数据通过电机学习测得电机内部参数并建立模型，通过模型对电机转速和转矩进行精确控制，变频油雾风机控制方式如图2b）所示、变频器功率模块如图3 所示[4]。

图3 变频器功率模块

（1）手动控制：通过触摸屏上的按钮控制变频器的运行和停止，通过触摸屏上的频率设定框设定变频器的输出频率，从而调节风机的转速。

（2）自动控制：通过远程PLC 控制变频器的运行和停止。通过远程PLC 信号实现高速、低速的选择。

（3）向远程提供变频器的状态信号变频器“Ready”“Run”“Fault”。

（4）在触摸屏上显示变频器的状态信息，电机运行、停止、故障信号。

（5）向远程提供4～20 mA 的变频器转速信号和电机电流信号。

（6）由变频柜外部的紧急停车信号控制变频器紧急停车。

（7）通过触摸屏上的复位按钮对变频器故障进行复位。

变频器与原MCC 柜和PLC 的信号交换如图4 所示，变频器输入、输出信号如图5 所示。

图4 变频器与原MCC 柜和PLC 信号交换

图5 变频器输入、输出信号

5 应用效果

5.1 改造后的运行情况

油雾风机经变频改造后，高速段和低速段分段控制实时运行情况如图6 所示。

图6 改造后运行功率

5.2 改造后的效果情况

（1）对比改造前原电机消耗电量，额定功率90 kW（运行功率约85 kW），24 h×365 天满频运行。①改造前年消耗电能=85 kW×24 h×365×95 %（作业率）=707370 kW·h；②改造后的消耗电量（按公司轧机常规操作每班（480 min）上下卷6次，每次上下卷辅助时间为15 min 计算）。改造后年消耗电能=［（15 min/60 min/h）×1.1 kW×6 次+（390 min/60 min/h）×77.9 kW］/班×3 班×365 天×95 %（作业率）=528447 kW·h；③油雾风机经节能改造后可实现年节约电量=744600-415519 =178923 kW·h

（2）改造后启动情况。经过油雾风机变频改造后，油雾风机电机启动时电流稳步上升到设定最低转速电流，没有出现原启动时电流达到700 A 的情况，减少了电机启动电流大对电机设备、电缆的损害，降低了风机启动噪声。

（3）改造后设备运行情况情况。油雾风机变频控制，电机温度有明显改善，正常运行电机壳体温度50 ℃左右，不再对星三角启动的接触器进行周期检查维护，每年节约维护费用约1 万元，设备运行稳定。

6 结束语

油雾风机节能技术，通过在实践中的探索，还可以再进一步扩展节能思路，如通过油雾排放的压力，机组轧制的速度等进行反馈，进一步分段控制，寻找节能优化空间，实现高效率运行。冷轧不锈钢单机架轧机油雾风机节能的实践，设备人员要充分利用好先进的技术手段，深入现场了解现场工艺情况、设备运行状态，对管理的设备进行优化改进，节能降耗，稳定设备状态。