专利名称：基于二冷配水量的连铸机蒸汽排出风机节能优化控制方法
技术领域：
本发明属于电气及有关技术。
背景技术：
连铸机二次冷却蒸汽排出风机是连铸工艺设备中的重要设备之一，同时也是连铸 机在线单体设备中功率最大、耗电最多的设备之一，它的耗电量约占连铸机在线设备计算 负荷的1/6左右，如果能采取有效的节能方式，使其达到显著的节能效果，则会使连铸机的 综合能耗指标得到明显的改善，并获得良好的经济效益。目前的连铸机二次冷却蒸汽排出风机控制方法大多是采用控制风机出口挡板的 开度来调节风量，也有少量系统配备了变频器装置。前者是一种常规的风机控制方式，风机 的出口风量可在一定的范围内调节，但电动机没有工作在节能的方式；后者虽然配备了变 频器装置，但由于目前还没有采用与连铸机工况相适应的优化控制模型进行控制的系统， 速度调节存在不确定性，无法实际应用，故其节能的特点还没有、也不可能发挥出来，这类 配备了变频器装置的系统仅仅是用于改善电动机的启动性能，在启动过程完成后，系统一 直工作在恒速运行状态下。有关连铸机二次冷却蒸汽排出风机的优化控制节能技术目前还未见到公开发表 的文献，还处于空白阶段。
发明内容
本发明的目的是根据连铸机二次冷却蒸汽排出风机的工作特点研究开发与连铸 机工况相适应的动态优化控制数学模型，进而采用现代的变频控制技术对蒸汽排出风机的 出口风量进行调节，以尽可能地挖掘其节约电能的潜力。本发明的要点是以连铸机二次冷却水配水量为基础，根据不同浇铸钢种、冷却制 度及浇铸铸坯断面在各种拉坯速度时的配水量来构建连铸机二次冷却蒸汽排出风机动态 优化控制数学模型，利用现代变频调速技术，构成节能型连铸机二次冷却蒸汽排出风机动 态控制系统，对蒸汽排出风机进行动态优化节能控制，既能满足连铸工艺对排出蒸汽风量 的要求，又能充分地节约电能，与以往的蒸汽排出风机运行结果相比可节能30 70%。
附图中1是连铸机基础自动化系统，2是二次冷却蒸汽排出风机速度动态优化控 制数学模型控制器，3是变频器，4是蒸汽排出风机，5是与二次冷却配水量有关的数据库。
具体实施例方式连铸机蒸汽排出风机需排出的风量取决于连铸机二次冷却水产生的蒸汽量，故正 确的把握二次冷却水量是得到确切蒸汽量的关键。根据连铸机的工艺情况，二次冷却水量 主要与浇铸钢种、浇铸铸坯断面、拉坯速度及冷却制度有关。
浇铸钢种的不同，需要不同的冷却强度，即不同的冷却水量。对于普碳钢、低合金 钢，冷却强度约为1. 0 1. 2L/kg钢；对于中、高碳钢、合金钢，冷却强度约为0. 6 0. 8L/ kg钢；某些热裂纹敏感性强的钢种，冷却强度约为0.4 0. 6L/kg钢；高速钢冷却强度约为 0. 1 0. 3L/kg钢。对实际运行的任何一台连铸机而言，其浇铸钢种的范围一般不会变化太 大，所以涉及冷却水量的变化范围约为最大冷却水量的20% 40%。实际浇铸铸坯断面对蒸汽量的影响分为厚度变化和宽度变化两种情况，通常铸坯 厚度断面对喷水量的影响约为8% 14%，铸坯厚度断面越大产生的喷水量也就越多。铸 坯宽度断面的变化对喷水量的影响取决于连铸机对二次冷却水喷嘴的控制功能，某些连铸 机具有在浇铸小宽度铸坯时，关闭两侧不需喷水的喷嘴以节省喷水量的功能，但多数连铸 机不具备这种功能，即多数连铸机的喷水量不因浇铸宽度变化而改变水量。但无论哪种情 况，随着浇铸宽度的变化，实际的蒸汽量均是变化的，与两侧喷嘴是否关闭无关，因为在浇 铸小宽度铸坯时，两侧喷嘴即使喷水，由于没有喷到铸坯表面，也不会产生蒸汽，这是喷水 量与蒸汽发生量不成正比的特例。浇铸宽度涉及的蒸汽量变化范围一般约为最大蒸汽量的 20% 40%。铸坯拉速的变化范围比较大，约在15% 80%最高铸坯拉速内变化，但实际运行 中连铸机通常工作在50% 80%最大拉速的速度范围内。二次冷却水喷水量与铸坯拉速 为缓慢型二次曲线关系，其特点是在低速范围内呈非线性，在高速范围接近线性。此外，即使是相同的钢种、相同的断面以及相同的拉坯速度时，冷却制度不同时， 其配水量也不相同，弱冷冷却方式时的喷水量约为强冷冷却方式时的70% 90%。在进行连铸机二次冷却蒸汽排出风机的容量设计计算时，风机的额定功率是按最 大排出蒸汽风量计算的，而最大蒸汽量是按二次冷却水量最大时计算的。二次冷却最大喷 水量通常是在最高设计拉坯速度、强冷冷却方式的条件下计算得出的。但实际运行中根据 连铸机的工作条件，连铸机通常不会工作在最高拉坯速度下，而是工作在50% 80%左右 最大拉速的速度下，有时甚至更低。所以实际蒸汽的发生量通常远小于最大蒸汽量，即蒸汽 排出风机在大部分时间内不必工作在额定转速的状态下，就可以排出实际产生的蒸汽。另 一个非常值得考虑的因素是弱冷冷却方式，由于铸坯热送和直接轧制技术的出现，后部工 序需要获得尽量高的出坯铸坯温度，以节约热能。因此目前二次冷却普遍趋向于采取弱冷 冷却方式。在弱冷冷却方式时，二次冷却水喷水量进一步降低，通常约为强冷冷却方式的 70% 90%。综合这些因素可以看到蒸汽排出风机节能的潜力是非常大的，若能根据实际的蒸 汽发生量对风机转速进行动态优化调节，则能显著的节省电能。根据风机特性理论推导，风机电动机的功率正比于风机的风量和风压的乘积。其 中风量与风机转速成正比，风压与风机转速平方成正比，故电动机的功率与风机转速的立 方成正比。从上面的分析结果，若考虑连铸机常年平均工作在70%最大拉速下，仅速度变化 一项所需电动机功率将降为额定功率的34. 3%，即节能65. 7%,以单流中型板坯连铸机为 例，2台90kW蒸汽排出风机在每年运行320天的节能数据是908237度电。目前全国有壹千 多台连铸机，若采用节能技术，每年将节省的电能可达数亿度电。但应该指出的是，这是一 个比较保守的估算数值，如果再考虑浇铸铸坯断面、浇铸钢种以及冷却制度的变化，节省的 电能会高于这个数值，前提是必须要有正确有效的、与连铸机工况相适应的优化控制模型。
从上述分析可以看出连铸机二次冷却蒸汽排出风机节能的4个关键因素是浇铸 钢种、浇铸铸坯断面、拉坯速度和冷却制度。对于实际运行的任何一台连铸机而言，工艺二 次冷却配水分成若干区域，这些区域由若干个带调节阀的配水回路给水。二冷配水一般有 动态二冷配水和静态二冷配水2种方式，动态配水由过程控制计算机根据二冷凝固模型及 实时温度场进行动态配水计算；静态配水由基础自动化级或操作员根据二冷配水数据表进 行配水给定值设定，不同的浇铸钢种、浇铸铸坯断面、拉坯速度和冷却制度对应不同的二冷 配水数据表。无论动态二冷配水还是静态二冷配水均考虑了浇铸钢种、浇铸铸坯断面、拉坯 速度和冷却制度几个影响二冷水量变化的关键因素。综合上述分析，本发明研究开发了基于二冷配水量的连铸机蒸汽排出风机节能优 化控制方法，步骤如下第一，以连铸机工艺二次冷却配水基本数据为基础来构建连铸机二次冷却蒸汽排 出风机速度控制数学模型，设连铸机二冷配水分区个数为n，各区冷却喷嘴均勻布置，数学 模型如下Vref = Vs*kc* (( Σ Qi*Wa/Ws) /Qm) (1)式中Vref风机速度给定值(m/min)Vs 风机速度给定基准值(m/min)Qffl 设计的最大二冷配水量(L/min)Qi 第i配水区实际配水值(L/min)，i = 1，2…ηk。 与总配水量有关的工程系数(0. 9 1. 1)Wa 当前实际浇铸铸坯宽度(mm)Ws 浇铸铸坯宽度基准值(mm)(1)式即为连铸机二次冷却蒸汽排出风机速度动态控制数学模型。式中工程系数 k。根据具体连铸机工艺状况确定，存储在数据库中；最大二冷配水量Qm和浇铸铸坯宽度基 准值1是设计值，为工艺设计已知数据，存储在数据库中舟为第i配水区的水量实际值， 可从基础自动化系统获得，在对η个配水区的实际配水量进行求和后，则得到了总配水量 的实际值;Wa为当前实际浇铸铸坯宽度，可从基础自动化系统获得。第二，以(1)式为核心组建连铸机二次冷却蒸汽排出风机速度动态优化控制数学 模型控制器[2]，其主要功能是从基础自动化系统[1]读入连铸机各配水区的实际配水数 据，及从数据库[5]中读入对应的基准参数，通过(1)式进行风机速度给定计算，结果输出 至变频器[3]，利用现代变频调速技术对蒸汽排出风机[4]进行速度调节，构成高节能型连 铸机二次冷却蒸汽排出风机速度动态控制系统。本发明连铸机蒸汽排出风机节能优化控制方法，可对蒸汽排出风机进行动态节能 控制，由于研究开发了(1)式与连铸机工况相适应的动态控制数学模型，客观地考虑了各 种因素对蒸汽产生的影响，可实时计算二冷配水量，即蒸汽发生量，根据实际的二冷配水量 对风机速度进行优化控制，故可以充分地挖掘二次冷却蒸汽排出风机节能的潜力。连铸机二次冷却蒸汽排出风机节能优化控制方法可广泛应用于新建设的板坯连 铸机、方坯连铸机、圆坯连铸机、异形坯连铸机的二次冷却蒸汽排出风机的控制，也可广泛 应用于各种连铸机的二次冷却蒸汽排出风机控制系统的节能改造，可获得良好的节能效果和经济效益。
权利要求
1.一种基于二冷配水量的连铸机蒸汽排出风机节能优化控制方法，其特征是以连铸机 工艺二次冷却配水基本数据为基础来构建连铸机二次冷却蒸汽排出风机速度控制数学模 型，设连铸机二冷配水分区个数为n，各区冷却喷嘴均勻布置，机速度控制数学模型，设连铸 机二冷配水分区个数为n，各区冷却喷嘴均勻布置，数学模型如下Vref = Vs^((EQiWyffs)ZQffl) (1) 式中Vref风机速度给定值(m/min)Vs 风机速度给定基准值(m/min)Qffl 设计的最大二冷配水量(L/min)Qi 第i配水区实际配水值(L/min)，i = 1，2…ηk。 与总配水量有关的工程系数(0. 9 1. 1)Wa 当前实际浇铸铸坯宽度(mm)Ws 浇铸铸坯宽度基准值(mm)(1)式即为连铸机二次冷却蒸汽排出风机速度动态控制数学模型。式中工程系数k。根 据具体连铸机工艺状况确定，存储在数据库中；最大二冷配水量O1和浇铸铸坯宽度基准值 评3是设计值，为工艺设计已知数据，存储在数据库中；仏为第i配水区的水量实际值，可从基 础自动化系统获得，在对η个配水区的实际配水量进行求和后，则得到了总配水量的实际 值;Wa为当前实际浇铸铸坯宽度，可从基础自动化系统获得。
2.如权利要求1所述的基于二冷配水量的连铸机蒸汽排出风机节能优化控制方法，以 (1)式为核心组建连铸机二次冷却蒸汽排出风机速度动态优化控制数学模型控制器[2]， 其主要功能是从基础自动化系统[1]读入连铸机各配水区的实际配水数据，及从数据库 [5]中读入对应的基准参数，通过(1)式进行风机速度给定计算，结果输出至变频器[3]，利 用现代变频调速技术对蒸汽排出风机[4]进行速度调节，构成高节能型连铸机二次冷却蒸 汽排出风机速度动态控制系统。
全文摘要
本发明基于二冷配水量的连铸机蒸汽排出风机节能优化控制方法属于电气及有关技术，目的是研究开发一种与连铸机工况相适应的蒸汽排出风机节能优化控制方法，以尽可能地挖掘蒸汽排出风机节能的潜力，其要点是以连铸机二次冷却水配水量为基础，根据不同浇铸钢种、冷却制度及铸坯断面在各种拉坯速度时的配水量所产生的蒸汽量来构建连铸机二次冷却蒸汽排出风机动态优化控制数学模型，利用变频调速技术，构成节能型连铸机二次冷却蒸汽排出风机动态控制系统，对蒸汽排出风机进行动态优化节能控制，既能满足工艺对排出蒸汽风量的要求，又能充分地节约电能，可广泛应用于新建或改造的各种连铸机的蒸汽排出风机的控制，可获得良好的节能效果和经济效益。
文档编号B22D11/124GK102049481SQ20101028743
公开日2011年5月11日 申请日期2010年9月20日 优先权日2010年9月20日
发明者高毅夫 申请人:高毅夫