精确控制炼钢中压泵组水压流量的装置及方法与流程

本发明涉及冶金系统炼钢冷却水供水节能降耗方法，具体是一种精确控制炼钢中压泵组水压流量的装置及方法。
背景技术：
：目前，炼钢中压泵组系统的水泵采用阀门调节的方式控制水压和流量。存在的问题是：（1）无论系统工况怎样变化电动机仍处于工频态运行，造成一定的能源浪费，用阀门控制负载流量时，有δn功率被损耗浪费掉了，且随着阀门开度的减小这个损耗还要增加；（2）由于采用人为调节阀门，不能够及时准确地调节阀门开度，很有可能出现调整不及时，这样就会造成电能损失，或者调整不合适导致设备冷却不足等状况发生；（3）由于现场水泵阀门多且较为分散，均处于人为控制，有时会出现阀门关闭不及时等情况，不能根据现场的实际情况进行有效的调节；（4）启动时对电网冲击大，设备长期高速运转，磨损严重，寿命短，工作噪音大。技术实现要素：本发明旨在解决
背景技术：
所述的问题，而提供一种精确控制炼钢中压泵组水压流量的装置及方法，其根据冷却水分支管道上的冷却水压力和流量的变化，由plc控制器控制变频器进而控制水泵电机，改变电机转速和水泵转速，自动调节冷却水总管道的流量及压力，在保证设备冷却要求的情况下，降低水泵转速，节能降耗。尤其利用profibus网络和工业以太网连接plc与变频器之间的通讯，自动调整变频器频率，从而改变电机转速和水泵转速，达到无极调速方式进行调节。本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种精确控制炼钢中压泵组水压流量的装置，包括plc控制器、水泵电机、水泵，水泵的冷却水总管道上设置有水泵出口流量及压力传感器，通向被冷却设备的冷却水分支管道上设置有分口冷却水流量及压力传感器，水泵出口流量及压力传感器和分口冷却水流量及压力传感器与plc控制器的信号输入端连接，plc控制器的信号输出端通过变频器连接水泵电机，水泵电机通过变频调节水泵转速，水泵转速信号反馈至plc控制器。进一步的，被冷却设备包括1#转炉、1#转炉烟道、2#转炉、2#转炉烟道、1#lf炉、2#lf炉、1#rh炉、2#rh炉，通向1#转炉的冷却水分支管道上设置有1#转炉冷却水流量及压力传感器，通向1#转炉烟道的冷却水分支管道上设置有1#转炉烟道冷却水流量及压力传感器，通向2#转炉的冷却水分支管道上设置有2#转炉冷却水流量及压力传感器，通向2#转炉烟道的冷却水分支管道上设置有2#转炉烟道冷却水流量及压力传感器，通向1#lf炉的冷却水分支管道上设置有1#lf炉冷却水流量及压力传感器，通向2#lf炉的冷却水分支管道上设置有2#lf炉冷却水流量及压力传感器，通向1#rh炉的冷却水分支管道上设置有1#rh炉冷却水流量及压力传感器，通向2#rh炉的冷却水分支管道上设置有2#rh炉冷却水流量及压力传感器。进一步的，1#转炉的冷却水分支管道上设置有1#转炉冷却水调节阀门，2#转炉的冷却水分支管道上设置有2#转炉冷却水调节阀门，1#转炉烟道的冷却水分支管道上设置有1#转炉烟道冷却水调节阀门，2#转炉烟道的冷却水分支管道上设置有2#转炉烟道冷却水调节阀门，1#lf炉的冷却水分支管道上设置有1#lf炉冷却水调节阀门，2#lf炉的冷却水分支管道上设置有2#lf炉冷却水调节阀门，1#rh炉的冷却水分支管道上设置有1#rh炉冷却水调节阀门，2#rh炉的冷却水分支管道上设置有2#rh炉冷却水调节阀门。上述装置的控制方法，包括如下步骤：（1）炼钢中压泵组电机全部改为变频器控制启停调速，现场的各分口冷却设备的冷却水自动关闭条件：转炉停炉后将炉前、炉侧进水阀门自动关闭，停炉4小时后，自动关闭炉后、炉口的进水阀门，转炉所有用水部位阀门自动关闭后就可以自动关闭1#转炉冷却水阀门或者2#转炉冷却水调节阀门；转炉停炉后，必须满足冷却水回水温度不高于55摄氏度且持续供应冷却水至少30min后，自动关闭2#转炉烟道冷却水调节阀门或者1#转炉烟道冷却水调节阀门，lf炉停炉后，满足冷却水回水温度不高于55摄氏度且持续供应冷却水至少30min后，自动关闭lf设备冷却水和1#lf炉冷却水调节阀门或者2#lf炉冷却水调节阀门，rh停炉后，满足回水温度达到40摄氏度，同时进水和回水温度差小于10摄氏度后，自动关闭1#rh炉冷却水调节阀门或者2#rh炉冷却水调节阀门；（2）炼钢中压泵组的变频器、plc控制器和上位机软件wincc，利用profibus网络和工业以太网通讯连接，plc控制器根据各分口冷却水流量及压力传感器的变化，控制变频器实现无极调速；（3）设所有分支正常工作时总管流量和压力与各分支设备冷却水的压力和流量的数值为各自的额定压力流量值，由于总管的流量只与变频器的频率有关系，当频率一定时，总管的流量就一定，采集炼钢中压泵组以及各分支设备冷却水的压力和流量的数值，通过调整各分口冷却水阀门即1#lf炉冷却水调节阀门、2#lf炉冷却水调节阀门、1#转炉冷却水阀门、2#转炉冷却水调节阀门、2#转炉烟道冷却水调节阀门、1#转炉烟道冷却水调节阀门、1#rh炉冷却水调节阀门、2#rh炉冷却水调节阀门，改变其他的冷却管道的流量和压力，在保证各冷却水流量满足设备冷却要求的情况下，降低转速；通过各个冷却水的流量和压力数据、冷却水压力和流量与变频器、水泵电机、水泵之间的关系，建立数学模型；（4）将各分口冷却水阀门即1#lf炉冷却水调节阀门、2#lf炉冷却水调节阀门、1#转炉冷却水阀门、2#转炉冷却水调节阀门、2#转炉烟道冷却水调节阀门、1#转炉烟道冷却水调节阀门、1#rh炉冷却水调节阀门、2#rh炉冷却水调节阀门的状态、以及总管的压力流量和分口冷却水的流量和压力作为plc控制器输入信号，各分口额定冷却水流量和压力为plc控制器的给定信号，变频器、水泵电机、水泵的转速为plc控制器的反馈信号，通过输入信号、给定信号和反馈信号结合数学模型计算分析出所需要的频率，作为变频器的输入频率，从而控制水泵电机和水泵的转速；并设定当冷却水阀门全部打开，水泵电机和水泵恢复为额定转速；（5）通过阀门开度与流量的关系和不同风量、不同控制方式时的轴功率的关系，和根据电机原理，水泵压力流量、转速、轴功率的关系推算出流量与变频器频率；（6）验证流量与变频器频率的关系，步骤如下：①各分口冷却水阀门手动关闭；②观察其他分口冷却水流量明显变化；如果没有，不降低水泵转速，记录数据；③如果有明显变化，记录数据，记录关闭的冷却水阀门位置；④观察其他分口冷却水流量是否大于该对应分口的额定流量；如果是，继续降低水泵电机转速；⑤如果不是，停止降低水泵转速，并记录数据；⑥确定冷却水阀门、冷却水流量压力与变频器、水泵电机、水泵之间的关系，建立数学模型。采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，有益效果是：由于冷却水总管道的总流量为各冷却水分支管道水流量之和，水泵的总流量与变频器的频率成正比，变频率频率与水泵电机和水泵的转速也成正比；因此，只要水泵转速不发生变化，总流量就不会变化。而当某一被冷却设备停机无需冷却时，该冷却水分支管道上的冷却水阀门就要关闭，也就意味着流量为零，此时其他各冷却水分支管道流量就会增加，也就出现了冷却水盈余的状态发生。基于此，本发明可以通过降低变频器的频率改变电机转速和水泵转速，来降低总流量，使其他各冷却水分支管道流量的流量恢复到以前冷却状态的流量，也就是说，在保证冷却水流量和压力满足设备冷却的条件下，降低转速，节能降耗。特别是通过利用profibus网络和工业以太网连接plc与变频器之间的通讯，自动调整变频器频率，从而改变电机转速和水泵转速，达到无极调速方式进行调节。附图说明图1是本发明实施例的结构示意图；图2是控制信号传输示意图；图3是冷却水流量与调节变频器频率的流程图；图4是水泵的流量、压力与转速之间的关系图；图5是离心式风机水泵采用不同的拟合法时风门开度与风量的关系；图6是离心式风机水泵使用不同的逼近方法时的风门开度与风量的关系曲线；图中：1-水泵出口流量及压力传感器；2-水泵出口调节阀门；3-1#lf炉冷却水流量及压力传感器；4-1#lf炉冷却水调节阀门；5-2#lf炉冷却水流量及压力传感器；6-2#lf炉冷却水调节阀门；7-1#转炉冷却水流量及压力传感器；8-1#转炉冷却水调节阀门；9-2#转炉冷却水流量及压力传感器；10-2#转炉冷却水调节阀门；11-2#转炉烟道冷却水流量及压力传感器；12-2#转炉烟道冷却水调节阀门；13-1#转炉烟道冷却水流量及压力传感器；14-1#转炉冷却水烟道调节阀门；15-1#rh炉冷却水流量及压力传感器；16-1#rh炉冷却水调节阀门；17-2#rh炉冷却水流量及压力传感器；18-2#rh炉冷却水调节阀门；19-分口冷却水流量及压力传感器；20-plc控制器；21-变频器；22-水泵电机；23-水泵。具体实施方式以下结合附图及实施例详述本发明。参见图1、图2，一种精确控制炼钢中压泵组水压流量的装置，由plc控制器20、变频器21、水泵电机22、水泵23、设置在管道上的水泵出口流量及压力传感器1及设置在各分支管道上的分口冷却水流量及压力传感器19构成，水泵出口流量及压力传感器1和各分口冷却水流量及压力传感器19与plc控制器20的信号输入端连接，plc控制器20的信号输出端通过变频器21连接水泵电机22，水泵电机22通过变频调节水泵23的转速，水泵23的转速信号反馈至plc控制器22。本实施例中，被冷却设备包括1#转炉、1#转炉烟道、2#转炉、2#转炉烟道、1#lf炉、2#lf炉、1#rh炉、2#rh炉，由此设置八支冷却水分支管道，冷却水总管道分别与八支冷却水分支管道连接，冷却水总管道上设置有水泵出口调节阀门2。通向1#转炉的冷却水分支管道上设置有1#转炉冷却水流量及压力传感器7和1#转炉冷却水调节阀门8，通向1#转炉烟道的冷却水分支管道上设置有1#转炉烟道冷却水流量及压力传感器13和1#转炉烟道冷却水调节阀门14，通向2#转炉的冷却水分支管道上设置有2#转炉冷却水流量及压力传感器9和2#转炉冷却水调节阀门10，通向2#转炉烟道的冷却水分支管道上设置有2#转炉烟道冷却水流量及压力传感器11和2#转炉烟道冷却水调节阀门12，通向1#lf炉的冷却水分支管道上设置有1#lf炉冷却水流量及压力传感器3和1#lf炉冷却水调节阀门4，通向2#lf炉的冷却水分支管道上设置有2#lf炉冷却水流量及压力传感器6和2#lf炉冷却水调节阀门5，通向1#rh炉的冷却水分支管道上设置有1#rh炉冷却水流量及压力传感器15和1#rh炉冷却水调节阀门16，通向2#rh炉的冷却水分支管道上设置有2#rh炉冷却水流量及压力传感器17和2#rh炉冷却水调节阀门18。采用上述装置进行炼钢中压泵组水压流量精确控制的方法，按下述步骤进行：（1）炼钢中压泵组电机全部改为变频器21控制启停调速，现场的各分口冷却设备的冷却水自动关闭条件：转炉停炉后将炉前、炉侧进水阀门自动关闭，停炉4小时后，自动关闭炉后、炉口的进水阀门，转炉所有用水部位阀门自动关闭后就可以自动关闭1#转炉冷却水阀门8或者2#转炉冷却水调节阀门10；转炉停炉后，必须满足冷却水回水温度不高于55摄氏度且持续供应冷却水至少30min后，自动关闭2#转炉烟道冷却水调节阀门12或者1#转炉烟道冷却水调节阀门14，lf炉停炉后，满足冷却水回水温度不高于55摄氏度且持续供应冷却水至少30min后，自动关闭lf设备冷却水和1#lf炉冷却水调节阀门4或者2#lf炉冷却水调节阀门6，rh停炉后，满足回水温度达到40摄氏度，同时进水和回水温度差小于10摄氏度后，自动关闭1#rh炉冷却水调节阀门16或者2#rh炉冷却水调节阀门18；（2）炼钢中压泵组的变频器21、plc控制器20和上位机软件wincc，利用profibus网络和工业以太网通讯连接，plc控制器20根据各分口冷却水流量及压力传感器19的变化，控制变频器21实现无极调速；（3）设所有分支正常工作时总管流量和压力与各分支设备冷却水的压力和流量的数值为各自的额定压力流量值，由于总管的流量只与变频器21的频率有关系，当频率一定时，总管的流量就一定，采集炼钢中压泵组以及各分支设备冷却水的压力和流量的数值，通过调整各分口冷却水阀门即1#lf炉冷却水调节阀门4、2#lf炉冷却水调节阀门6、1#转炉冷却水阀门8、2#转炉冷却水调节阀门10、2#转炉烟道冷却水调节阀门12、1#转炉烟道冷却水调节阀门14、1#rh炉冷却水调节阀门16、2#rh炉冷却水调节阀门18，改变其他的冷却管道的流量和压力，在保证各冷却水流量满足设备冷却要求的情况下，降低转速；通过各个冷却水的流量和压力数据、冷却水压力和流量与变频器21、水泵电机22、水泵23之间的关系，建立数学模型；（4）将各分口冷却水阀门即1#lf炉冷却水调节阀门4、2#lf炉冷却水调节阀门6、1#转炉冷却水阀门8、2#转炉冷却水调节阀门10、2#转炉烟道冷却水调节阀门12、1#转炉烟道冷却水调节阀门14、1#rh炉冷却水调节阀门16、2#rh炉冷却水调节阀门18的状态、以及总管的压力流量和分口冷却水的流量和压力为plc控制器20输入信号，各分口额定冷却水流量和压力为plc控制器20的给定信号，变频器21、水泵电机22、水泵23的转速为plc控制器20的反馈信号，通过输入信号、给定信号和反馈信号结合数学模型计算分析出所需要的频率，作为变频器21的输入频率，从而控制水泵电机22和水泵23的转速；并设定当冷却水阀门全部打开，水泵电机22和水泵23恢复为额定转速；（5）通过阀门开度与流量的关系和不同风量、不同控制方式时的轴功率的关系，和根据电机原理，水泵压力流量、转速、轴功率的关系推算出流量与变频器频率；（6）验证流量与变频器频率的关系，步骤如下：①各分口冷却水阀门手动关闭；②观察其他分口冷却水流量明显变化；如果没有，不降低水泵转速，记录数据；③如果有明显变化，记录数据，记录关闭的冷却水阀门位置；④观察其他分口冷却水流量是否大于该对应分口的额定流量；如果是，继续降低水泵电机转速；⑤如果不是，停止降低水泵转速，并记录数据；⑥确定冷却水阀门、冷却水流量压力与变频器、水泵电机、水泵之间的关系，建立数学模型。本实施例用于某公司炼钢中压冷却系统，未实施本发明前，炼钢中压泵组的水泵采用阀门调节的方式控制水压和流量。以下述参数为例：双吸离心泵型号300s-90a、流量774m3/h、扬程78.8m，数量4台；电机型号280kw20.47a10000v1482r/min，数量4台；设计流量一期为987m3/h，二期为1622m3/h，压力0.6mpa，各冷却水阀门数量及控制方式如表1。表1上述设备构成炼钢中压冷却系统，匹配两座转炉（1#转炉、2#转炉）和四座精炼炉（1#lf精炼炉、2#lf精炼炉、1#rh精炼炉、1#rh精炼炉）；当全部处于冶炼状态，阀门开启80%即可满足设备冷却要求，当然还要根据现场炉子的冶炼状态调整阀门的开度。采用本发明：现场阀门多粗略控制改为分散精确控制，将现场的各分口冷却设备的进水出水阀门实现自动关闭，阀门自动关闭条件：转炉停炉后将炉前、炉侧进水阀门自动关闭，停炉4小时后，自动关闭炉后、炉口的进水阀门，转炉所有用水部位阀门自动关闭后就可以自动关闭1#转炉冷却水阀门8或者2#转炉冷却水调节阀门10；转炉停炉后，必须满足冷却水回水温度不高于55摄氏度且持续供应冷却水至少30min后，自动关闭汽化冷却烟道阀门12或者1#转炉烟道冷却水调节阀门14，lf炉停炉后，满足冷却水回水温度不高于55摄氏度且持续供应冷却水至少30min后，自动关闭lf设备冷却水和1#lf炉冷却水调节阀门4或者2#lf炉冷却水调节阀门6，rh停炉后，满足回水温度达到40摄氏度，同时进水和回水温度差小于10摄氏度后，自动关闭1#rh炉冷却水调节阀门16或者2#rh炉冷却水调节阀门18。将现场的变频器、西门子300plc和上位机软件wincc，利用profibus网络和工业以太网通讯连接，根据冷却水压和流量的变化，在保证冷却水水压和流量满足设备冷却的要求的情况下，以实现将原阀门控制水压和流量改为无极调速模式。通过阀门开度与流量的关系和不同风量和不同控制方式时的轴功率的关系，可以推算出流量与变频器频率，具体操作流程为：通过现场的冷却水阀门的调整，改变冷却水水压和流量，在保证水压流量和降温要求满足设计要求时（即改造以前阀门全开状态下，各处的水压和流量值），合理降转（参见图3）。根据电机原理，水泵压力流量、转速、轴功率有以下关系（参见图4、图5、图6）：①ｆ２/ｆ1＝n2/n1；②q2/q1＝n2/n1；③h2/h1＝（n2/n1）2；④p2/p1＝（n2/n1）3；图4中，曲线①为水泵阻力特性，曲线②为工频速度下的水量与水压关系曲线，此时水泵工作在a点时，轴功率p1与q1、h1乘积，即图中面积aq1·0·h1a成正比。若要将水量从q1降到q2，如阀门（挡板），则工作点由a移到c，水量下降，压力上升，轴功率减少不多，减少的能量被挡板消耗；若采用变频调速，则工作点由a移到b，在满足同样流量q2的情况下，压力也下降，轴功率大大降低，且没有挡板损耗。根据基本常识，同时运行频率与转速成正比。根据图5阀门开度与流量的关系和图6不同风量和不同控制方式时的轴功率的关系，可以推算出流量与变频器频率的关系。最后验证流量与变频器的关系如下步骤：①各分口冷却水阀门手动关闭；②观察其他分口冷却水流量明显变化；如果没有，不能降低水泵转速，记录数据；③如果有明显变化，记录数据，记录关闭的冷却水阀门位置；④观察其他分口冷却水流量是否大于该对应分口的额定流量；如果是，继续降低水泵电机转速；⑤如果不是，停止降低水泵转速，并记录数据；最后，确定冷却水阀门、冷却水流量压力与变频器、水泵电机、水泵之间的关系，建立数学模型。通过图5、图6的推算和如上步骤的验证得到的结论如表2。表2部位1#转炉2#转炉1#lf精炼2#lf精炼1#rh精炼2#rh精炼可将频率4hz4hz2hz2hz3hz3hz当全部阀门开的状态40hz即可满足要求，当只有一个工位（一座转炉、一座lf、一座rh炉同时工作30hz就能满足要求）plc程序编写说明，将各分口冷却水阀门即1#lf炉冷却水调节阀门4、2#lf炉冷却水调节阀门6、1#转炉冷却水阀门8、2#转炉冷却水调节阀门10、2#转炉烟道冷却水调节阀门12、1#转炉烟道冷却水调节阀门14、1#rh炉冷却水调节阀门16、2#rh炉冷却水调节阀门18的状态、以及总管的压力流量和分口冷却水的流量和压力作为plc输入信号，各分口额定冷却水流量和压力为plc控制器20的给定信号，变频器21、水泵电机22、水泵（23）的转速为plc控制器20的反馈信号，通过输入信号、给定信号和反馈信号结合数学模型计算分析出所需要的频率，作为变频器的输入频率，从而控制水泵电机22和水泵23的转速；并设定当冷却水阀门全部打开，水泵电机22和水泵23恢复为额定转速。以上所述仅为本发明切实可行的实例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。当前第1页12