感應爐爐體冷卻水控制系統的設計

唐亞軍,唐亞洲

(杭州四達電爐成套設備有限公司,浙江 杭州 311305)

感應熔化爐廣泛用于特種鋼材冶煉與鑄造領域,具有如下特點:①爐料由于自身感應發熱,能量轉化效率高;②熔煉狀況好,無環境污染,熔煉過程成分損失少,避免增硫、增磷的問題,特別適合稀有金屬及合金的熔煉;③爐料在真空或保護氣氛的措施下可以獲得高質量模鑄件的合金液體;④噪聲、煙塵易于治理,環境污染小[1-2]。根據有關感應熔的故障統計,多達90%的故障與冷卻水有關,良好完備的冷卻水系統是保證感應爐系統正常工作的前提。一般感應熔化爐冷卻系統分為電源冷卻水系統和爐體冷卻水系統。電源冷卻水系統一般是冷卻變頻電源柜的晶閘管、平波電抗器、電熱電容器、整流變壓器、連接水冷電纜等元器件。對于產生高溫的感應線圈單獨進行冷卻組成爐體冷卻水系統是整個冷卻系統的重點。爐體冷卻水系統不僅保護系統的正常工作,還保障著安全生產的責任。隨著感應熔化爐的容量的加大,電柜的功率增加、感應線圈的電流加大,冷卻性能要求不斷提高,不及時的散熱和故障斷水,極易造成感應線圈內的水汽化,造成線圈燒穿的故障,或者外漏水帶來爐體打火的事故,造成設備的損壞。還有可能引發嚴重的穿爐事件,造成設備與人員的損傷。

為保障感應爐的可靠運行,開發了基于S7-1500PLC的爐體冷卻水控制系統。該系統能遠程控制冷卻水系統的工作,還能實時監控冷卻水的運行情況,根據不同情況采取不同的冷卻方式。

1 爐體冷卻系統的組成及水環境要求

1.1 爐體冷卻系統的組成

系統主要是對水冷電纜、爐體線圈及附屬磁軛的冷卻。采用了雙回路循環系統即內回路為純水的密閉式循環冷卻水,外回路開放式冷卻塔循環冷卻的方式,通過板式換熱器進行內外水熱量交換。補水一般連接到制水機的管道。此方式,結合了密閉式冷卻系統與開式冷卻系統的優點,是主流大型熔化爐的冷卻趨勢。密閉式循環冷卻水系統水與大氣不接觸,水量損失少、水質質量高、不結垢、冷卻效果好,一般用在小型設備[3]。開式循環冷卻水系統冷卻量大,經濟效果好。爐體冷卻水系統還增加了高位水箱,提供的應急水冷卻回路。爐體冷卻系統水路結構示意圖如圖1所示(本文以90 t爐體冷卻舉例說明)。

圖1 爐體冷卻系統水路結構示意圖

1.2 爐體冷卻水環境要求

隨著感應爐容量的加大,對于感應爐系統的穩定運行,單回路循環冷卻系統已不滿足生產需求,本文以雙回路循環冷卻系統介紹感應爐冷卻系統。一般對爐體冷卻環境的要求:

(1)爐體進水溫度15～37 ℃,出水溫度不超過55 ℃,允許溫升小于20 ℃。實際生產中,感應線圈冷卻水出水一般控制在60～70 ℃,溫控開關設置在65 ℃。水溫過冷會造成感應圈銅管表面結冷凝水,影響爐體絕緣,要根據實際環境溫度控制進水溫度。

(2)內水水路水壓0.3～0.7 MPa。壓力過低,冷卻效果不好。壓力過高對水冷電纜與線圈接頭的要求高,接頭脫落,高水壓容易對爐襯造成嚴重的破壞。

(3)水質要求外回路CaO質量濃度小于60 mg/L,內回路CaO質量濃度小于2.5 mg/L。內水電導率小于等于10 us/ms,過高的電導率帶來電解,導致水冷系統中的金屬產生腐蝕。pH值7.0～8.5?？偣腆w含量:溶解性<300 mg/L、懸浮性<10 mg/L。

1.3 爐體冷卻水系統流量

坩堝直徑d2=2.21 m,爐襯外直徑d3=2.48 m,爐襯厚=d3-d2=0.27 m,石棉布總厚度0.006 m,d1=d3+石棉布厚度=2.486 m,線圈高度h1=3.4 m,圖2中給出了經測量得出的爐襯內表面接觸爐料的最高溫度1 700 ℃,爐料經過爐襯到達爐襯外表面的溫度400 ℃,及經過石棉布到達感應線的最高溫度值60 ℃。爐體冷卻水系統需帶走的發熱量主要來自感應線圈的發熱量,主要是感應線圈通過的大電流產生的熱量,和爐料被加熱后通過耐熱層(爐襯)和隔熱層(石棉布)到達感應線圈的熱量[4]。90 t爐體結構示意圖如圖2所示。

Q=PC+P22

(1)

式中:Q為感應線圈的發熱量, kW;PC為感應線圈發熱損失的功率, kW;P22為爐料通過耐熱層和隔熱層的熱傳損失, kW。

(2)

(3)

熱阻公式如下:

(4)

式中:R1為爐襯的熱阻值, ℃/ kW;d3為爐襯外直徑,m;d2坩堝直徑,m;λ1中性剛玉材料熱導率, kW/(m·K);h2為液體爐料高度h2=h1/1.13,m;R2為石棉布的熱阻值, ℃/ kW;d1為爐體爐襯外直徑加石棉布厚度,m;λ2石棉布熱導率, kW/(m·K);T2為爐襯表面溫度, ℃;T1為經石棉布阻熱后的溫度, ℃;R為二層熱阻R=R1+R2, ℃/ kW。以上參數代入式(2)～式(4),可以求得P22= 732.4 kW。

已知90 t感應爐的額定功率P為42 000 kW,為求得感應線圈發熱損失的功率通過下式計算[5]:

PT=Pη

(5)

P2=PT/ηu

(6)

PC=P-P2

(7)

式中:PT為爐料加熱熔化有效功率, kW;P為感應爐額定功率, kW;η為感應器總效率,熔煉鑄鋼η取0.65～0.70,大容量取上限,這里取η=0.7;P2為爐料總功率, kW;ηu為感應器熱效率,近式計算取0.8;PC感應線圈發熱損失的功率, kW。以上參數代入式(5)、式(6)、式(7),可以求得Pc=5 250 kW。

所需冷卻水量以下式計算:

(8)

式中:G為冷卻水量,kg/h;Q為爐體感應線圈帶走的發熱量, kW;t1為冷卻水進入感應線圈時的溫度, ℃;t2為冷卻水出感應線圈時的溫度, ℃;由于要求進出水溫差小于20 ℃,一般取進水t1=30 ℃,則t2=50 ℃。以上參數代入式(1)、式(8),可以求得G= 257 243 kg/h,即257.243 m3/h。計算的是單爐子,設備一般有兩個爐子組成備用爐的冷卻預留30%的流量,因此設備總計算流量約為260×(1+0.3)=340 m3/h?？紤]實際中要根據理論計算的結果乘以2～3倍的系數,這里取3倍則需要配置不小于1 020 m3/h的水量,設計多臺水泵組成,綜合水泵的參數選擇了單臺400 m3/h的水泵四臺組成,三用一備。

2 爐體冷卻水控制系統結構與功能

2.1 爐體冷卻水控制系統組成

爐體冷卻水控制系統主要由電源、電機、變頻器、氣動閥、DDC信號與AFC信號采集板、工程師站、上位機監控等幾部分組成,如圖3所示?？刂葡到y分二級控制,上層由工控機與工程師站組成。下層由PLC1500控制。上下層控制系統通過工業以太網聯接交換機進行通信。通過交換機下層可以擴展多套爐體結構網絡圖。單套感應爐爐體冷卻水控制系統結構示意圖如圖3所示。

圖3 單套感應爐爐體冷卻水控制系統結構示意圖

2.2 爐體冷卻水控制系統的功能

爐體冷卻水控制系統由不同的功能,不同模塊組成,通過緊密聯系,才能實現對爐體實時有效的冷卻控制。電機與變頻器是整個換爐冷卻控制系統的動力來源,考慮到感應爐的電磁干擾PLC直接通過端口控制變頻器的工作。電機根據系統流量計算三用一備,考慮到可靠性一個軟啟動帶動一臺電機,一臺電機回路有問題,PLC能夠切換到備用電機回路。1號氣動閥控制1號爐爐體水路工作。2號氣動閥控制2號爐爐體水路工作。一般只有一個爐體工作,另外一個爐體備用。3號氣動閥控制1號爐爐體水路應急高位水箱工作。4號氣動閥控制2號爐爐體水路應急高位水箱工作。應急氣動閥要根據工作爐體打開對應的閥門。5號氣動閥控制水箱缺水后補水工作。DCC采集板是專門為PLC采集開關量的設備,一塊能采集16路信號。采集的信號有壓力開關信號、溫度開關信號。爐體的壓力開關信號包括2路信號1#爐體水壓信號、2#爐體水壓信號。溫度開關信號包括1#爐體線圈24路信號,1#爐體水冷電纜4路信號,1#爐體磁軛2路信號,2#爐體線圈24路信號,2#爐體水冷電纜4路信號,2#爐體磁軛2路信號,總共60路溫度開關信號。AFC采集板是專門為PLC采集模擬量的設備,一塊能采集16路模擬信號。采集的信號有流量信號、溫度信號、液位信號、壓力信號。爐體的流量信號包括1#爐體線圈24路信號,1#爐體水冷電纜2路信號,2#爐體線圈24路信號,2#爐體水冷電纜2路信號,再加總進水流量信號、總回水流量信號,總共54路信號。溫度信號4路,液位信號1路,壓力信號2路。上位機是整個控制系統的操作中心并能實時地監控水冷卻系統的運行情況。工程師站是專門給技術人員修改和維護的窗口,減少對生產的影響。

3 爐體冷卻控制系統硬件設計

3.1 硬件設計選型

爐體冷卻控制系統要有高可靠性、強抗干擾能力、綜合客戶需要,上位機選擇了HP工控機和工程師站,下位控制選擇了西門子S7-1500PLC系列。依據設計要求,本系統選擇了如下主要硬件。

(1)上位工控機和工程師站。分別為HP工控機:酷睿i7,8代6核CPU,8G 內存,256固態+1G硬盤,22寸顯示器;HP工控機:酷睿i7,8代6核CPU,16G 內存,256固態+1G硬盤,22寸顯示器。

(2)下位1500PLC系列。選用了一個中央處理器CPU1515-2PN,集成了兩個PROFINET通信接口,通過網絡接口組建上下層之間的工業以太網通信網絡,用于編程調試、數據處理、擴建多設備組成的控制系統[6];一個數字輸入模塊DI 16X24VDC BA,16位輸入I/O端口接收信號;一個數字輸出模塊DQ 16X24VDC/0.5 BA,16位輸出I/0端口;一個模擬量輸出模塊 AQ 8xU/I/ HS,8路16位信號;一個模擬量輸入模塊 AI 8xU/I/RTD/TC ST,8路16位信號。

(3)冷卻泵的動力采用了PLC控制軟啟動帶動電機。電機根據泵的流量選擇了湘潭電機股份有限公司三相異步電機型號YE3-250-4,55 kW三臺。爐體冷卻系統的冷卻量相對固定一般選擇軟啟動,本項目軟啟動選擇了55 kW的ABB軟啟動型號PSTX105-600-70。PSTX軟起動器采用最近技術,適用于標準鼠籠式電動機,可設置信號4～20 mA模擬量作為電機電流信號傳給PLC監控。

(4)水路管道的選擇通過天津佰儀控制儀表有限公司的氣動閥進行控制。爐體一般配置兩個爐體,一用一備。水路的切換通過兩臺不銹鋼氣動球閥Q641F-16P-250氣動閥來選擇,通過4～20 mA模擬量還能控制氣動閥的打開或關閉角度控制水流量。應急高位水箱的水路通過二臺Q641F-16P-125氣動閥來選擇。補水閥由氣動閥Q641F-16P-40來控制。

(5)水路系統運行監控通過開關量DDC采集板和模擬量AFC采集板獲得。一塊DDC采集板是通過PLC四個數字端口輸出組合,一個數字輸入端口,來獲得16路開關信號。一塊AFC采集板是通過PLC四個數字端口輸出組合,一個模擬量輸入端口,來獲得16路模擬信號。本系統中,需要5塊DDC采集板,5塊AFC采集板,留有20%以上的采集端口。

3.2 電氣控制系統

由動力柜、UPS柜、PLC控制柜、爐體冷卻控制柜及本地控制箱等組成。動力柜是整個系統的電源分配中心,由二路進線組成,一路380V進線,另一路由柴油發電機組供電,通過雙電源自動轉換開關自動切換回路。爐體冷卻控制柜主要是隔離開關、斷路器、軟器動、繼電器等相關電機的控制與指示元器件。本地控制箱是用作調試用的面板,可以單臺啟停電機,通過轉換開關切換遠程與本地控制模式。PLC控制柜是控制中心是信息輸入輸出的匯總地。UPS柜帶有UPS主機和電池,即使二路進線回路斷電后,依然可以由電池供電能給PLC及儀表供電1.2 h,保證氣動閥的動作可靠,保障應急水路暢通。爐體冷卻水控制系統電氣設備結構示意圖如圖4所示。

圖4 爐體冷卻水控制系統電氣設備結構示意圖

4 爐體冷卻控制系統軟件設計

4.1 下位機控制程序設計

下位編程軟件采用了西門子TIA 博途V15, 是西門子自動化的全新工程設計軟件平臺[7]。根據控制系統的結構,PLC程序采用模塊化結構分為電機控制程序、數據采集程序、數據處理程序、報警處理子程序、應急水處理程序等幾個部分,如圖5所示。系統分為本地/遠程兩種控制模式,本地控制模式主要是調試和PLC非正常情況下應急操作;遠程控制模式通過上位機的操作由PLC自動進行控制。

圖5 主程序流程圖

主程序調用子程序的功能實現控制目的。上位機把啟動操作命令傳給PLC后,當本地操作箱所有泵控制械式為“遠程”狀態時,PLC根據電機控制程序選擇泵的啟動,并能根據泵的實際情況切換備用泵。信息采集程序能掃描整個爐體水路的溫控開關信號、流量信號、壓力信號。數據處理程序能夠根據換爐開關的信息控制氣動閥的動作。對于異常信號報警處理程序了能記錄錯誤信息并能發出停止感應爐的運行。應急水處理程序主要是判斷系統在熔化過程中停電后,一定時間內無法恢復時,啟動應急電動閥供水。

4.2 上位機控制程序設計

爐體冷卻水控制系統有上百條水路的信息需要進行監控與測量。采用西門子WinCC7.5軟件,是一個可以在Windows下使用的功能強大的HMI系統,可實現過程可視化和組態圖形用戶界面[8-9]。圖6中集中了三套設備控制畫面,名字加1、2、3進行區別。程序分為:主界面、電源水(電源冷卻水控制系統)、爐體水(爐體冷卻水控制系統)、變壓器液壓、信息列表、數據記錄。爐體冷卻水控制系統主界面如圖6所示。圖6中主畫面選中的是1#設備爐體水控制系統的主界面。分爐體實時顯示了24路爐體水路流量計數據。24路爐體水路溫度開關保護狀態,綠色正常,紅色保護。及水冷電纜與磁軛水溫度開關狀態。在右側畫面上有水路的主回路圖,對應總流量、壓力、液位、溫度、電導率等信號的實時值,也能觀看到氣動閥的狀態值。電機的操作通過點相應的電機圖標,可彈出操作界面。

圖6 爐體冷卻水控制系統主界面

通過信息列表可以詳細地了解系統各監控部件運行狀態、保護狀態。通過數據記錄可以記錄各種保護信息的時間,可以調用信號的歷史曲線。

5 系統運行情況

從2021年6月投入生產以來,系統運行正常、操作響應快、報警及時、水路故障定位快,減少了水路相關的故障和處理時間,能有效地監控水路的運行狀態,提高了爐體水路系統的自動化程度,沒有因為缺水造成安全生產事故。在數據記錄中通過Wincc online TableControl控件調用了一個熔化周期的冷卻運行記錄。 爐體進水溫度最低25.0 ℃,泵站出口(爐體出水)溫度最高32.5 ℃,進出水溫升不超過6.2 ℃,冷卻效果極好。

6 結 論

本設計符合最新有關爐體流量計監測的要求,能有效地保證設備的安全運行。爐體冷卻控制系統采取了多種措施來保障爐體的安全運行:

(1)水路多泵設計,一臺有故障能切換備用泵或者多臺有故障至少有一臺工作也能保障水回路不斷水。

(2)雙電源供電設計,常規電源與柴油發電回路通過雙電源開關自動切換,保障供電穩定。

(3)雙水路設計,常規冷卻水與高位水箱供水補充,保障水路連續。

(4)UPS電源加電池向PLC供電,解決了泵完全不能工作的情況與系統不能正常供電的情況,PLC能控制氣動閥打開應急水箱。也解決了在感應爐生產中大電流對PLC電源的干擾。

(5)系統控制器采用了西門子最新一代的1500PLC技術,CPU可達到1ns,能快速地響應和監測系統運行情況,大大提高設備可靠性,保證了系統的正常運行。雙回路循環冷卻系統雖然前期投資大,但后期維護量大大減少,故障率明顯減少,是大容量爐體冷卻系統的主流設計,并已成功應用在寶鋼德盛、鞍鋼聯眾等大型熔化爐項目。