热轧钢板生产线高压水除鳞泵站设计方案及比较

热轧钢板生产线 高压水除鳞泵站设计方案及 比较

高丽娟

中冶赛迪工程技术股份有限公司 重庆 401122

摘要：本文以1780mm热轧钢板车间的高压水除鳞系统为例，探讨高压水除鳞泵站设计并对不同方案进行分析和比较，并提出建议。

关键词：热轧钢板；高压水除鳞泵站；配置；节能

高压水除鳞系统是钢板生产流程中的重要环节。在热轧钢板生产过程中，通常采用高压水去除钢板表面氧化铁皮，这是提高产品表面质量的关键。

本文以一个1780mm热轧钢板车间的高压水除鳞系统为例，讨论四种高压水除鳞泵站的设计方案，并对其进行分析和比较。

1高压水用户及消耗量

本文除鳞用户需求设计输入如下：

除鳞用水点包含：粗轧除鳞箱高压除鳞用水、粗轧机组高压除鳞用水、精轧除鳞箱高压除鳞用水，各用户用水量详见详见下表：

表1 高压水除鳞耗水量表

2除鳞用水特点

粗轧除鳞箱高压除鳞用水和粗轧机组高压除鳞用水水量波动大，精轧高压除鳞用水量稳定，可通过配置变频式高压水除鳞泵+蓄势器的方式来满足尖峰水量，以降低高压水除鳞泵供水量需求，同时达到节能的目的。

3除鳞泵站配置方案及特点

根据除鳞点用水需求，热轧生产线除鳞泵站有以下四种常规配置方案。

3.1 方案一：离心式高压水除鳞泵＋蓄能器系统

3.1.1 系统配置

在高压水除鳞泵站内，建立了一套完整的高压除鳞用水系统，考虑到除鳞用水量变化较大，具有较大的节能空间，配备了变频电机，可以对泵转速进行调节。根据这些除鳞工艺特点，采用离心式高压水除鳞泵＋蓄能器系统。泵站内设3台离心式高压水除鳞泵，单台Q=240 m³/h， P=23.5MPa，3台变频，2运1备；2台8m³蓄势器，2台高压空压机，单台Q=3m³/min,P=28MPa，2台自清洗过滤器，单台Q=1000 m³/h，网孔尺寸：0.1mm，1运1备；除鳞喷射阀6台及其他配套设施。

3.1.2 系统流程

外部经处理后的压力为0.3~0.5MPa的浊环水通过自清洗过滤器过滤后，经高压除鳞泵加压至约23.5MPa后送至各除鳞点。当除鳞阀关闭时，高压水送至蓄能器或经最小流量阀排出；当除鳞阀开启后，除鳞泵和蓄能器共同向用户点供水，并使除鳞集管前的压力达21.5MPa。蓄能器为高压管路稳压,同时，蓄能器容量可满足高压水尖峰水量。每台高压除鳞泵的出口设1个最小流量阀，以防止水泵运行过热。在检修、换辊期间、轧钢间歇使用变频调速降低泵的转速，保证不停泵的同时节省能源。

3.1.3 高压水除鳞泵站布置及操作

粗轧高压水除鳞泵站设置在主轧线高架平台下。站房的大小为30m×10m×8m（长×宽×高）。

除鳞阀组靠近除鳞点布置。管沟上设盖板。

除鳞泵站不设单独操作室，除鳞泵旁设紧急停机按钮。其余操作控制均在操作室PLC画面上进行。高压水系统实行集中监控、报警和联锁控制，以确保除鳞泵机组及系统的正常运转。

3.2 方案二：柱塞式高压水除鳞泵＋蓄能器系统

3.2.1 泵站配置

若采用柱塞泵，则需要将3台Q=240 m³/h，P=23.5MPa的变频离心泵替换为：14台Q=40 m³/h，P=23.5MPa变频柱塞泵，12运2备；其他主要设备不变，包含2台8m³蓄势器，2台高压空压机，单台Q=3m³/min,P=28MPa，2台自清洗过滤器，单台Q=1000 m³/h，网孔尺寸：0.1mm，1运1备；除鳞喷射阀6台及其他配套设施。除鳞泵配套阀门及管道按柱塞泵做相应调整。

3.2.2 采用柱塞泵与采用离心泵的比较

对于高水量的板材除鳞，从性能上看，离心泵是优于柱塞泵的，具体表现如下：

1）由于设备增压原理不同，离心泵系统喷嘴处压力比柱塞泵系统稳定。

离心式高压除鳞泵是专门针对除鳞这种急变速工况而设计的，叶轮对称布置，轴向力自平衡，特别适应于高压水除鳞这种变工况的系统。系统运行平稳，没有脉冲，水锤现象少，自动化程度高，接近无人操作。

2）离心泵系统更安全。

柱塞本在安全阀失灵的情况下，一旦电控系统或者循环装置失控，系统会产生憋压，系统压力急剧升高，导致恶性事故。

3）对于高水量的系统，合理配置，离心泵系统占地更小。

对于此泵站，采用离心泵方案，站房的大小为30m×10m×8m（长×宽×高）；采用柱塞泵方案，站房的大小为35m×13m×6m0（长×宽×高）。

4）检修维护更方便且费用更低。

国内常用的离心泵厂家，运行中的离心式高压除鳞泵能达到12000小时以上不维修。而柱塞泵，由于运行时振动和冲击力较大，曲轴、柱塞、最小流量阀等磨损严重，维修频率高、维修难度大、需要更多的日常维护人力，维护成本高。

柱塞填料是维护工作的重要部分，应每天观察填料处的泄漏情况。当输送清水类介质时，泄漏量在额定流量的万分之一以内，均属正常。如泄漏量超过允许值，应适当压紧填料。当压紧填料仍无明显效果时，则需更换填料或柱塞。回装填料时不宜压得太紧，可先旋紧到位，再回旋1/4圈。回装旧填料时应使已偏磨方朝上，填料内表面和侧面应光滑平整，不可用螺丝刀捅入，这会损坏密封面。应装正并到位后再装下一个填料。填料的切口应互为180°或120°。

装填料压盖时，应在螺纹上涂二硫化钼涂，且填料压盖与填料箱的啮合螺纹牙应在八牙以上。若啮合牙数过少，将损坏螺纹牙。

当泵使用超过3个月或泵的流量压力明显下降时，应检查锥阀及锥阀座，其密封面应光滑、无轴向槽沟、缺口等。轻微划痕可研磨修复，允许修复三次，划痕严重时应更换。

曲轴油封及十字头接杆油封唇口有残缺时，将导致润滑油渗漏，应及时更换。唇口应朝向油箱内部。

柱塞泵建议易损件更换频率见下表：

表2 柱塞泵建议易损件更换频率表

除此之外，维护的人力成本的增加也应考虑在内。

柱塞泵相较于离心泵的优势：

1）柱塞泵比离心泵效率更高。

柱塞泵效率超过90%，离心泵效率通常不超过80%。这导致采用离心泵，电耗比采用柱塞泵更大。

离心泵方案，泵的运行电功率是2600kW×2台，柱塞泵方案，泵的运行电功率是355kW×12台。

2）柱塞泵比离心泵初投资价格更低。

对于此配置方案，柱塞泵方案相较于离心泵方案，设备初投资大约为2:3。

综和以上因素，更推荐离心泵的方案。

3.3 方案三：不设蓄能器的离心式高压水除鳞泵系统

3.3.1 系统配置

本项目如果不设置蓄势器，则需要再增加一台Q=240 m³/h， P=23.5MPa离心式除鳞泵，以及对应的高、低压阀组及管路，增大自清洗过滤器的流量。泵站内设4台离心式高压水除鳞泵，单台Q=240 m³/h， P=23.5MPa，4台变频，3运1备；2台自清洗过滤器，单台Q=1500 m³/h，网孔尺寸：0.1mm，1运1备；除鳞喷射阀6台及其他配套设施。

3.3.2 系统是否设置蓄势器的比较

系统设置蓄势器的优点：

1）节约设备初投资

蓄势器参与水量调节，对水流量变化频繁的除鳞需求，蓄势器补充尖峰水量，可选用较小流量的高压水除鳞泵，节约设备初投资。

此项目，不采用蓄势器的配置相较于采用了蓄势器的配置，设备总的初投资会增加~12%。

2）节约电能。

在配置了蓄势器的方案中，除鳞泵是2运1备，在没有配置蓄势器的方案中，除鳞泵是3运1备，运行时耗电量增了~50%。

3）系统压力更稳定。

蓄势器在高压管路系统中能有效起到防护水击的作用。

水锤是影响高压水除鳞系统安全运行的主要因素。在除鳞系统中安装蓄势器能够减小水锤的影响。随着蓄势器体积的增加对水锤的防护效果也越好。

系统不配置蓄势器的优点：

1）系统更简单。

系统不设置蓄势器，同时也取消了高压空压机及相应的高压阀组及管路，系统更简洁。

2）定时检验

高压蓄势器属于压力容器，蓄势器及蓄势器上配套的安全阀等设备，需要根据规定定时检验，以保证运行的安全。

综和以上因素，更推荐配置蓄势器的方案。

3.3.3 变频泵节能研究

1）变频泵节能原理

离心泵可通过变频调速来降低输出功率。考虑到水泵和电动机的效率，避免因转速过低导致的效率过低，同时需考虑电动机温升与散热，离心泵通常电机转速在额定转速的70%以上进行调速。

采用变频调速方法，水泵的主要参数和轴功率变化如下表：

表3 水泵的主要参数和轴功率变化表

2）方案一中的节能成效

在方案一中，可在换辊和不需要停泵的维护时，将泵的频率由50HZ降到35HZ，以达到节能降耗的目的。 

具体节能计算如下：

参考国内项目，按大约40分钟/天的换辊道的时间，1500分/月的故障时间来计算，以上时段将电动机频率降到35Hz，功率将降低至34.3%，按方案一的配置，每年可节电的时间为（年工作时间按7200h）：

(40/60)*300+(1500/60)*12=500h

每年节电：

5200kW*500h*65.7%=1708200kW.h

与不设变频泵相比，节能：

1708200/(5200*7200)=4.56%

即，每年可节约电耗4.56%。

3.4 方案四：更优的节能方案

配置足够容积的蓄势器，可实现在除鳞运行的每一个周期当中降低泵的转速，以达到更优的节能成效。

具体说明如下：

3.4.1 除鳞水量分析

1）以下图的轧制时序周期为例：

轧制周期为270s。

图1 高压水除鳞轧制时序图

2）除鳞耗水量分析

表4 一个轧制周期270s内的水量分析表

3）除鳞重叠耗水量分析

表5 除鳞重叠耗水量分析表

4. 除鳞泵高低速运行时间

表6 除鳞泵运行时间表

根据轧线高压水除鳞工艺，除精轧FSB除鳞点外，其余轧线除鳞的时间短 、间隔长短不一，较为零散，为了降低能耗，延长泵的低速运行时间，将零散的除鳞采用蓄势器供水。从系统运平稳、节能上考虑，蓄势器越大越好，但投资加大，因此合理选择蓄势器的大小十分重要。

为了有效节能，尽量延长除鳞泵的低速运行时间，在一个轧制周期内，除鳞泵较合理的低速运行时间为77.6s，除鳞的最大耗水量在HSB和FSB重叠是耗水量最大，为了防止蓄势器压力下降过快，此时采用除鳞泵和蓄势器同时供水，确保系统运行平稳。较合理运行方式是，炉后除鳞HSB喷射阀组开启前，除鳞泵升速到50Hz运行，除鳞泵供水，结合蓄势器补充尖峰水量，供精轧及HSB、RM01、RM03、RM05、RM07除鳞，FSB除鳞完毕后，除鳞泵继续高速运行12s，为蓄势器补满水，之后便将频率降低至35Hz，当RM11的喷射阀组开启式时，利用蓄势器向除鳞点供水。直到下一次HSB喷射阀组开启前，再将除鳞泵升速到50Hz运行，进入到下一个运行周期。

3.4.2 蓄势器配置

1）蓄势器补水量计算

从轧制时序图和除鳞泵变频运行图上分析，蓄势器的供水有E1/11除鳞31.07s，FSB+HSB二点重叠运行12.22s，FSB+E1/1二点重叠运行10.34s，FSB+E1/3二点重叠运行10.74s，FSB+E1/5二点重叠运行11.82s，FSB+E1/7二点重叠运行14.33s，其余运行点的流量小于泵的流量，蓄势器不需要供水。

从而可分析计算出蓄势器的机动容积为2466L。

2）蓄势器容积计算

设定系统的最高压力为23.5MPa，蓄势器的压力波动为8%,即最低压力为21.62MPa，根据气体绝热方程定律： P*V=K常数，蓄势器的机动容积 2680L，正常蓄势器的补水能力为计算值的90%，蓄势器的容积2978L，蓄势器容积较大，需要2个水罐，每个水罐的最小储水量（即安全液位）为3000L，则蓄势器的总容积为478560L，约为48m³。

由此可得到蓄势器的配置形式：共计需要6台8m³蓄势器，其中，2台气水罐，4台气罐。

3.4.3 设置高压蓄势器的必要性

1）节约设备初投资

设置在高压泵出口端的高压蓄势器能够补系统高压水需求的充尖峰水量。当水泵供水量大于需用水量时，多余的水就进入蓄势器中贮存起来；当水泵供水量小于需用水量时，不足部分就由蓄势器放出补充。这样，系统便可以选用较小流量的高压水除鳞泵或减少高压泵数量，节约设备初投资。

对于此高压水除鳞系统，不采用蓄势器的配置相较于采用了蓄势器的配置，设备总的初投资会增加~12%。

2）节约电能

由于配置了高压蓄势器来补充尖锋水量，此系统配置了3台（2运1备）离心式高压水除鳞泵，单台Q=240 m³/h， P=24MPa；若不采用高压蓄势器，则需要4台（3运1备）同样规格的高压水除鳞泵才能满足供水需求，系统运行时耗电量将增加50%。

3）稳定系统压力

除此之外，设置在高压水端的蓄势器还能平衡高压管路系统压力，对其起到安全保护的作用。

水锤是影响高压水除鳞系统安全运行的主要因素。利用高压蓄势器中空气的高压缩膨胀性能，能够大大减小水锤水高压管路系统的影响。随着蓄势器体积的增加对水锤的防护效果也越好。

3.4.4 节能计算

根据系统现在运行状况，泵的升速时间为8S，降速时间12S，设电机在升降速的电流变化值为直线，则相当于50%时间10S在高速运行，50%时间10S在低速运行。

非正常工作节能时间

参考国内项目，按大约40分钟/天的换辊道的时间，1500分/月的故障时间来计算，以上时段将电动机频率降到35Hz，功率将降低至34.3%，按方案一的配置，每年可节电的时间为（年工作时间按7200h）：

(40/60)*300+(1500/60)*12=500h

正常工作节能时间：

变频改造后，在270S的轧制周期内，泵高速运行为182.4S，变频节能运行时间87.6S，节能运行时间为32.4%，1年正常工作时间为7200小时，减去非正常工作时间500h，则1年的节能时间为：

（7200-500）* 32.4%=2171h

总的节能时间为：

2171h+500h=27671h

每年节电：

5200kW*2671h*65.7%=9125204kW.h

与不设变频泵相比，节能：

9466844/(5200*7200)=24.4%

即，每年可节约电耗24.4%。

3.4.5 设备配置

采用离心式高压水除鳞泵＋蓄能器系统。泵站内设3台离心式高压水除鳞泵，单台Q=240 m³/h， P=23.5MPa，3台变频，2运1备；6台8m³蓄势器，2台气水罐，4台气罐；2台高压空压机，单台Q=3m³/min,P=28MPa，2台自清洗过滤器，单台Q=1000 m³/h，网孔尺寸：0.1mm，1运1备；除鳞喷射阀6台及其他配套设施。

3.4.6高压水除鳞泵站站房大小

由于增加的蓄势器，需要更大的位置来布置新的高压水除鳞站房，站房的大小为40m×10m×8m（长×宽×高）。

3.4.7推荐方案与更优节能方案的比较

推荐方案与更优节能方案的差别如下：

1）推荐方案站房占地更小。

推荐方案的站房大小为30m×10m×8m（长×宽×高）。

更优节能方案的站房的大小为40m×10m×8m（长×宽×高）。

推荐方案的站房大小占地较小，符合实际规划。

2）推荐方案初投资更低。

更优节能方案较推荐方案，增加了4台8m³的高压蓄势器以及配套的高、低压阀组和管路，高压空压机的流量也有所提高，初投资增加。

相较于推荐方案，更优节能方案的设备初投资将增加~12%。

3）更优节能方案节能效果更好。

推荐方案节能主要利用变频泵在换辊和维护的非正常工作时间将除鳞泵电动机频率降到35Hz，功率将降低至34.3%，从而达到节能的目的，每年可节约电耗约4.56%。

更优节能方案中，除了非正常工作时间的变频除鳞泵的电耗节约之外，在正常工作时间，每个除鳞轧制周期内都能将除鳞泵电机降速一次，变频节能运行时间大大增加，每年可节约电耗约24.4%。

更优节能方案可比推荐方案每年可多节约19.84%的电耗。

4 除鳞泵站配置方案比较

四种方案概述见下表：

表7 四种高压水除鳞泵站方案比较

参考文献

[1] 张凤军, 张国忠. 轧钢生产高压水除鳞系统的设计[J]. 机械, 2006, 33(9):41-43.

[2] 李克明, 史晓丽. 宽厚板高压水除鳞技术研究与应用[J]. 冶金动力, 2014, 000(011):65-67,71.

[3] 游飞, 张新铭, 王济平. 高压水除鳞系统蓄势器参数对水锤的影响[J]. 水资源与水工程学报, 2013(05):160-163.

[4] 罗晴, 习磊朋, 孟胜利,等. 高压水除鳞系统中蓄势器对水击防护的特性分析[J]. 水资源与水工程学报, 2011, 22(002):58-61