管金朋

(侯馬北方銅業(yè)股份有限公司， 山西 侯馬 043000)

0 前言

隨著工業(yè)自動化程度的日益提高以及能源的全球性短缺，變頻技術因其自身的獨特優(yōu)勢高速發(fā)展，越來越廣泛地應用在冶金、化工、紡織、機械、造紙、食品等各個行業(yè)以及風機、水泵、等節(jié)能場合，而且取得了顯著的經(jīng)濟效益[1-3]。本文就某冶煉廠5萬t陰極銅電解項目的3臺90 kW電解液循環(huán)泵在運行中存在的問題進行了變頻改造，改造后，節(jié)能效果顯著，同時可以為相關行業(yè)提供一定的借鑒。

1 某電解液循環(huán)泵在生產(chǎn)運行中存在的問題

某公司銅電解系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的濕法精煉工藝，即在電解槽中通以直流電，在電場的作用下使槽內(nèi)電解液中的陽極和陰極發(fā)生電化學反應[4-5]，從而將銅的純度進一步提高，達到99.99%以上。公司一期5萬t陰極銅電解系統(tǒng)有3臺電解液循環(huán)泵，電機額定功率均為90 kW，額定電流為162 A，額定轉速為1 490 r/min，啟動方式為直接啟動。按照生產(chǎn)要求，3臺循環(huán)泵2臺工作、1臺備用，電機的啟動與停止由值班人員手動操作，工藝設計電解液由循環(huán)泵經(jīng)換熱器輸送至普通電解液高位槽，電解液依靠自流經(jīng)分配器到各個電解槽。在運行過程中，電解液循環(huán)泵存在以下問題：

1)在正常工況下，啟動1臺循環(huán)泵達不到工藝要求，啟動2臺循環(huán)泵又超出了實際需求，高位槽中電解液溢流到循環(huán)槽，操作人員通過調(diào)節(jié)循環(huán)泵后閥門來達到高位槽液位的穩(wěn)定，造成了電能的極大浪費。

2)電機采用直接啟動，啟動電流較大，一般是額定電流的4～7倍，在啟動時，對電機的絕緣程度會造成很大損害；同時，由于泵啟動沖擊大，沖擊軸承和葉輪，導致軸承易損壞而使軸抱死，甚至葉輪折斷，維修量大，維修費用高。

3)循環(huán)泵葉輪磨損加速，泵震動增大，對泵出口閥門及管道沖擊加大，焊縫經(jīng)常開焊漏液。

4)電解液液體循環(huán)量波動大，由于人工控制的局限性，不能及時調(diào)整到生產(chǎn)上所需求的流量。電解液循環(huán)量過大，易使電解槽內(nèi)的陽極泥懸浮，電解銅表面長粒子；電解液循環(huán)量過小，電解槽內(nèi)添加劑的含量低，直接影響電解銅的質(zhì)量[6]。

2 循環(huán)泵的變頻技術改造

2.1 變頻器的節(jié)能原理

根據(jù)電機學原理，異步感應電動機的轉速N與電源頻率f、轉差率s、電機極對數(shù)p三個參數(shù)的關系見式(1)：

N=60f(1-s)/p

(1)

改變式(1)中任何一個參數(shù)都可以實現(xiàn)電機轉速的改變。變頻器就是通過改變電源頻率的方式來改變電動機轉速的。由于轉速與頻率之間為線性關系，從理論上分析，調(diào)速范圍在0%～100%內(nèi)線性度良好，隨著科學技術的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速已成為交流電機調(diào)速的主要方式[7]。

2.2 循環(huán)泵的變頻改造措施

經(jīng)過多次的分析研究并結合生產(chǎn)需求，2017年4月電氣技術人員對普通電解液循環(huán)泵進行了變頻改造，變頻器選為西門子6SE6430 90 kW，采用一托三的工作方式，控制分為手動和自動兩種狀態(tài)。在手動方式下，可以單獨對每一臺泵進行啟停操作，循環(huán)泵處于工頻模式；在自動方式下，采用PLC參與控制的方式來實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。控制核心單元PLC根據(jù)電解液罐液位與設置液位的偏差，經(jīng)過PID運算，PLC將4～20 mA模擬信號輸送到變頻器用以調(diào)節(jié)電機的轉速和進行電機的軟啟動，PLC通過比較模擬量輸出與液位的偏差，驅(qū)動切換繼電器組，控制供液流量，同時完成電機啟停和變頻與工頻的切換[8]。當液位低時，變頻啟動第1臺循環(huán)泵，當達到額定頻率50 Hz時，實際液位仍低于設定值，第1臺循環(huán)泵轉為工頻運行，變頻器啟動第2臺循環(huán)泵，依此類推；當液位高時，第N臺循環(huán)泵頻率逐漸降低，當頻率降到0 Hz時，第N臺循環(huán)泵停止運行，第N-1臺循環(huán)泵變頻啟動。

2.3 變頻器的運行參數(shù)

西門子6SE6430 90 kW變頻器的主要運行參數(shù)見表1。

表1

2.4 改造效果

變頻改造后，在正常工況下，電機系統(tǒng)循環(huán)泵由2臺工頻運行變?yōu)?臺工頻運行、1臺變頻運行。電解液循環(huán)泵改造前后的實際運行電流和消耗功率測試對比結果見表2。由表2可知，改造前，工頻運行時平均電流為125 A，平均消耗功率為1 763 kWh；改造后，變頻運行時平均電流維持在35 A，平均消耗功率為486 kWh。

3 經(jīng)濟效益分析

3.1 直接經(jīng)濟效益

三相功率計算公式為：

表2 電解液循環(huán)泵改造前后電流和消耗功率統(tǒng)計結果

(2)

式中：P——功率，W；

U——電壓，380 V；

I——電流，A；

cosφ——功率因數(shù)，0.89。

電解液循環(huán)泵電機一年運行時間按照11個月(330天)計算，改造前、后的平均運行電流分別為125 A和35 A，則年可節(jié)約電能W=ΔPt=1.732×380×(125-35)×0.89×24×330=417 531 kWh；電費按0.57元/kWh計算，5萬t電解系統(tǒng)年可節(jié)約費用為23.8萬元。

同時，1臺西門子90 kW變頻器及配盤所需成本約為3.5萬元，則循環(huán)泵的變頻改造后累計全年產(chǎn)生經(jīng)濟效益為23.8-3.5=20.3萬元。

3.2 間接經(jīng)濟效益

采用西門子變頻器對循環(huán)泵進行節(jié)能改造，其優(yōu)勢是結構簡單、改造方便、節(jié)能效果明顯以及投資回收期短。變頻器調(diào)速技術先進成熟，提高了設備的技術含量和設備的穩(wěn)定性。循環(huán)泵變頻改造后，電解液循環(huán)量波動減小了，電解銅的一級交割率提高了1.5%。

4 結束語

電解循環(huán)泵變頻改造后，設備運行良好，節(jié)能效果明顯，電機實現(xiàn)了軟啟動，避免了直接啟動時大電流對電網(wǎng)的沖擊，電機與工藝設備的使用壽命延長，同時降低了設備的維修費用。電解液高位槽溢流現(xiàn)象消失，液位控制更加準確。循環(huán)泵后閥門處于全開位置，免除了操作人員頻繁調(diào)節(jié)閥門的工作，有效降低了工人的勞動強度，為公司重點設備的連續(xù)穩(wěn)定運行提供了保障。