1 引言
热轧带钢厂高压水除磷是利用高压水打击在高温的钢坯表面上，高压水在钢坯上急剧冷却，氧化铁皮与钢坯体产生温差，使表面的氧化铁皮龟裂的机械脱磷；高压水产生的冲击力铲除钢坯表面的氧化铁皮。
日照1580带钢生产线除磷特点：多点、往复式除磷。设置三段除磷，即炉后除磷，粗轧除磷，精轧前除磷。粗轧除磷为往复除磷，奇数道次进粗轧前除磷。除磷系统分除磷工作和待除磷保压等待两个阶段，在待除磷阶段只好通过溢流阀旁通释放热量，保持系统平衡、稳定，但有很大的能量浪费。所以，热钢1580热轧板带除磷系统适宜于作变频技术改造。
2 高压变频器技术原理和相关性能介绍
本次技术改造所采用的高压变频器为西门子完美无谐波类型，该变频器每相由几个低压pwm功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，采用高速微处理器实现控制而以光导纤维隔离驱动，这就是高压变频器领域常采用的多重化技术，其在根本上解决了6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波问题。变频器的每相由5个额定电压为690v的功率单元串联，因此相电压为690×5=3450v，所对应的线电压为6000v，每个功率单元由输入隔离变压器的15个二次绕组分别供电，15个二次绕组分成5组，每组之间存在一个12°的相位差，其中以中间△接法为0°参考点，上下方各有两套分别超前(+12°、+24°)和滞后(-12°、-24°)的4组绕组，所需相差角度可通过变压器的不同连接组别来实现，也称为多电平pwm电压型变频器。由于采用功率单元串联而不是用传统的器件简单串联实现高压输出，所以不存在器件均压的问题。每个功率单元承受全部的输出电流，但仅承受1/5的输出相电压和1/15的输出功率，其输入功率因数可达0.95以上，且不必设置输入滤波器和功率因数补偿装置，从而使整个变频器系统的效率在0.96以上。
变频器的功率单元示意图如图1所示。
图1 功率单元结构示意图
逆变器输出采用多电平移相式pwm技术，6kv输出相当于13电平，输出电压非常接近正弦波，dv/dt很小。
电平数的增加有利于改善输出波形，由谐波引起的电机发热，噪音和转矩脉动都大大降低，所以这种变频器对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机，不需要输出滤波器。
3 除磷系统改造的实施
3.1 技术原理
除磷系统使用的是高压离心泵，空转时电能消耗较大，一般除磷工作时间只占40~50%，因此如果让高压离心泵在整个生产周期中都工作，其大部分时间都会处于空转状态，有较多的的电能被浪费掉。采用高压变频调速控制除磷水泵转速，即根据除磷系统蓄能器液位(或压力)调节高压离心泵的转速，当蓄能器液位达到上工作液位或压力达到上限时，离心泵降速运行；当蓄能器液位达到下工作液位压力达到下限时，离心泵升速运行，达到稳定控制输出压力，保证输出流量，并达到节能的效果，这是带钢高压除磷系统最佳的节能控制模式。
3.2 性能指标
(1)以多点不间断连续测控实时参数为依据的恒压闭环运行控制方式，实际压力信号来自于现场信号，变频器通过调节速度，使实际压力逼近压力设置值，以保证系统的压力恒定。
(2)避免高压水除磷系统突然泄压和突然增压。
(3)变频器上下限频率的设定，一定要确保的出水输出压力能达到工艺要求的除磷压力。
(4)能对不同工况自动识别并控制：1点喷时；2点喷时；3点及以上喷时；生产暂停时。
(5)控制软件能有效克服了系统温度增加等技术难题。
(6)新改造的控制系统和原系统能有很好的兼容性。
(7)人机界面适合原操作人员的操作习惯，操作非常方便。
3.3 项目改造中解决的技术难点
(1)系统兼容问题
在保证现场正常轧钢的前提下，新技术改造的高压变频系统(包括控制回路和主回路)要和原有工频运行的水泵系统兼容问题。
通过日照钢铁相关技术人员与西门子罗宾康代理商广州金关节能有限公司的现场大量的实地勘测和技术论证，完美的实现了新技改的高压变频系统与原系统之间的兼容问题，系统可操作性非常高，能在原有的的操作系统基础上对高压变频器方便快捷地进行相关起停操作，使操作人员和设备维护人员不需要重新进行培训的情况下就能熟练正常操作。
(2)高压变频器改造后所产生的谐波源问题
设备选用不当会产生大量的高次谐波，污染配电网络，对该系统内的相关控制系统产生干扰和设备误动，同时过多的谐波不但会增大上一级电源的容量，污染电网，而且会使其它用电设备的无功负荷增大，加大了设备的发热量，同时变频器所产生的高次谐波还会使所带的电机，产生过热现象和过大的噪声，对高压电机的绝缘也有相当大的影响，容易产生绝缘击穿事故；通过选用西门子罗宾康完美无谐波高压变频器(ph-10-6-3200)，避免了上述问题的发生，提高了单台高压电机的功率因数，降低了启动时的电压降过大的问题，更好的保护了电机和高压水泵的使用寿命和使用安全。
(3)原系统的恒压力控制问题
既要保证高压变频系统能可靠的进行运行，又要保证高压变频器在使用过程张的快速响应问题，还要避免经常性的快速切换，加速对电机和高压水泵的不利影响，通过日钢技术人员和广州金关节能技术有限公司的现场技术商定：
● 若蓄能器的液位达到最低设定值时，高压液位计(或高压差压计)传出信号给控制系统，控制系统就会自动关闭最低液面阀，以防止高压气体窜入管路系统，此时最低液面阀有单向阀的功能，即高压水只能进入蓄能器；当蓄能器水位恢复正常状态时，最低液面阀也恢复正常状态；若蓄能器的的液位到达最高设定值且压力值达到规定范围下限时，控制系统自动启动空压机向蓄能器补气。同时，在蓄能器上设有安全阀，以防止误操作而造成除磷系统超压现象的发生，保障系统安全运行。
● 当钢坯到达除磷箱，系统自动打开喷射阀，除磷泵和蓄能器同时供水除磷，除磷完毕，喷射阀自动关闭，泵向蓄能器补水，蓄能器的压力达到泵的关死压力，泵无流量输出，蓄能器补水完毕。
● 在除磷泵向蓄能器补水完毕后，泵运行过程中会产生一定的热量，当温度升高到设定值时，系统自动打开除磷泵的最小流量阀，排放掉一定流量的水，被排放掉的水就带走了一定的热量，达到降低除磷泵壳体温度的目的；当温度低于一定值时，系统又自动关闭最小流量阀，此时，电机耗费功率最小，即可以大大节约电能。但是，日钢1580热轧板带除磷系统实际工况是：在三段除磷过程中，由于是连组铸连轧，有两钢坯前面精轧还未完成正在除磷，后面的钢坯同时在炉后除磷位或粗轧除磷位也同时需要除磷；这样开2台除磷泵才能满足正常工艺除磷需要。当都不在除磷位时，控制系统自动关闭了所有的除磷阀，且该时间段较长，系统蓄能器又非足够大，达到最高压力时，能量也会过剩，从而导致高压管路及泵壳体温度升高。目前采用的办法是：人为使2#除磷系统最小流量一直处于导通状态，以排放多余流量，带走一定的热量，保证系统满足正常工况需求。若在1#除磷系统或3#除磷系统，采用高压变频调速技术和根据压力自动跟踪调节控制，可使不除磷时段少排或不排高能量值的多余水，既能达到很好的节电效果，又能使高压管网压力相对稳定，提高除磷效果和提高系统设备的使用寿命。
通常最小流量阀的后面，设置有节流孔板及扩散管，即使最小流量阀打开，泵排量也不大。因此，合理的设计和控制除磷泵的壳体温度，调节排放流量，才能达到工频状态下的节电效果，延长除磷泵的使用寿命。而目前的工况是一直旁通，未能调节，即使是除磷状态，也一直在旁通排放，为保证生产正常进行，造成了较大的电能浪费，而变频器除磷系统就能很好的解决以上问题。
3.4 主要设备
高压除磷泵组：3套(2用1备)；
型号：sdas360-200；功率：3200kw；转速：3860r/min；流量：360m3/h；效率：75%；入口压力：0.3~ 0.5mpa；排出压力：20mpa；冷却水量：200l/min。
h型最小流量阀：vt-zxj85/250-q-fd，dn65，pn25mpa，控制压力0.5~0.7mpa，24v，气动压力0.6mpa。
3.5 系统的工况现状
除磷状态要求系统工作压力20.0mpa。通过对系统的长时间观察，除了极少数时间系统工作压力低于20.0mpa，大多数时间系统都工作在20.0mpa以上。
3.6 需要的数据采集
通过profibus-dp现场总线读取原系统的控制温度、压力等信号，现场所采用的监控软件通过现场总线profibus-dp通讯，把原除磷泵系统的温度、压力以及其它监控点等信号传送给s7-300plc，通过控制程序对节电系统进行控制。
3.7改造后除磷系统的控制结构
改造后的系统采用能量优化控制程序及西门子完美无谐波高压变频器，监控组态是用西门子wincc6.0设计的，主要对3#除磷泵运行状态、节电分析、故障诊断、高压电力控制断路器开关状态、历史运行纪录进行监控，新增一个s7-300 cpu314plc，作为原除磷系统cpu317plc的从站，采用profibus-dp的通讯方式对主站以及高压变频器进行读写数据。本系统采用恒压控制，多点除磷，从而达到节能的效果以及满足上述工艺的要求。
