CN101063208A - 不锈钢带材酸洗连续退火生产线液压站的节能方法 - Google Patents

Abstract

一种不锈钢带材酸洗连续退火生产线液压站的节能方法，其基本组成及节能原理是：液压站由主工作泵单元I、辅助工作泵单元II，液压蓄能站单元V，压力检测单元IV和电控单元VI构成，通过对系统的优化组合可最大限度减少液压站的主工作泵I的装机容量，以及最大限度缩短辅助工作泵II的工作时间，从而降低系统空载损耗达到节能目的，其综合节能效果可达50％以上。

Description

不锈钢带材酸洗连续退火生产线液压站的节能方法

技术领域

本发明涉及一种适合于不锈钢板(卷、带)材酸洗生产线液压站的节能方法技术领域。

背景技术

在一些重工业行业装备的液压设备，日益面临着向大型化、复杂化方向发展，很多液压站所带负载多达几十件，甚至几百件，而为适应复杂多变的生产需求，液压系统对外做功情况也变得复杂多变。对于这样的液压系统我们既要求工作稳定可靠，又要求尽量节能。

而现行的液压节能技术在处理这样的问题面前显得过于粗糙，能源有效利用率依然很低。譬如：近年来不锈钢行业在我国广泛兴起，但因其特定生产工艺因数，造成现有液压节能技术在不锈钢酸洗线中的一些液压系统的能量实际利用率仅3～20％。

传统液压节能技术一直局限于液压元件或液压回路的研究上，而驱动电机及其控制系统的能耗往往被忽视。事实上，在一些生产线中的液压站工作泵---电机及其控制系统所消耗的能量约站总能耗的80～90％，在现行节能技术：由三相异步电机、变量柱塞泵及其控制系统所组成的节能泵站中，在系统流量需求为零的情况下，驱动电机---泵组成的系统空载能耗仍高达电机额定功率的25～40％，平均空载能耗约为驱动电机额定功率的35％。因此，在满足系统流量和压力需求情况下，每降低一单位配套电机的装机容量，可节能降耗约0.35单位。

本节能技术的原理就是最大限度地降低液压站的空载能耗。不锈钢酸洗生产线生产节奏较慢，其机组最高运行速度常在200m/min以下，液压站有效工作时间仅占其总运行时间3～30％，因此系统实际空载能耗比重大。这正是节能技术需要进行创新的着眼点。

本文涉及“酸洗线”是指大型不锈钢带材酸洗连续退火生产线的简称，按功能区分有热酸线和冷酸线。热酸线一般由工艺准备段(引带机组段)、头部段(含成套焊机)、退火炉段、抛丸机、酸洗工艺段和出口段等基本部分组成；冷酸线一般由头部段(含成套焊机)、退火炉段、酸洗工艺段和出口段等基本组成部分；另外，有些冷酸线在酸洗工艺段和出口段之间还串有在线平整机。

目前国内现行装备大型酸洗线液压设备特征是系统一般设有入口、出口液压站，有些机组还增设独立的焊机液压站和准备段液压站。液压执行元件集中分布于引带段、头部段、成套焊机、酸洗工艺段、在线平整机和出口段；3、液压站工作泵一般由2～5台组成，其单泵额定流量常选用150～200L/min，工作泵形式一般选用变量柱塞工作泵；系统工作压力一般为120～160kg/cm²。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种不锈钢带材酸洗连续退火生产线液压站的节能方法，通过本技术设计出的液压站主具有主工作泵装机容量基本最小以及辅助工作泵工作时间基本最短，从而达到充分节能的目的。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种不锈钢带材酸洗连续退火生产线液压装置的节能方法，其特征在于：(1)、在酸洗连退生产线中仅设入口及出口液压站；(2)、将液压系统中执行元件数目在45件以下的焊机液压系统或准备段引带机组的小型液压系统合并到头部入口液压站，而在线平整机辅助液压系统则合并到尾部出口液压站；(3)、液压站中的工作泵被划分为主泵和辅泵单元工作：其中主泵为常运行，而辅泵为采用由泵站压力检测单元检测的信号通过电控单元控制其启动或停止，其启动压力设定为80～100kg/cm²，停止运行方式有两种可选：A、受控于系统压力检测单元检测的压力信号，压力发讯点设定范围为比正常最大工作压力低0～5kg/cm²，B、受控于电控单元中的延时继电器信号，延时时间设定为1～5分钟；(4)、在液压站或主供油管道上装配大容量的液压蓄能站，液压蓄能站的装机容量的选用根据下表及公式(1)来确定

式(1)中，ξ为蓄能器容量匹配计算系数，ξ＝0.75～1.5。

(5)、所述的工作泵采用主泵单元I和辅泵单元II，其中辅泵单元II启动加载延时时间设定为4～6秒。

(6)、所述的泵站其主泵单元选用变量柱塞泵，数量可选1～2台；若选用单泵时，流量范围为180～200L/MIN，若选用双泵时，(每台泵)流量范围可选为100～200L/MIN。

(7)、所述的辅泵单元选用变量泵或定量泵，数量可选1～2台，其额定工作流量范围可选180～200L/MIN。

(8)、所述的泵站中主泵和辅泵其驱动电机的功率按照公式： $P=\frac{p\×q}{600}\×k\left(\mathrm{KW}\right)$ 确定，P为需配备的电机功率，p和q分别为所配备工作泵最大正常工作压力和额定工作流量，k为匹配系数，k取1.05～1.5。匹配系数k优选取值1.05～1.25。

所述的液压系统的工作压力选用120～160kg/cm²，推荐使用130～140kg/cm²。

所述的液压系统对于130～140kg/cm²液压系统，液压蓄能器充氮压力选用70～100kg/cm²，优先选用70～80kg/cm²为最佳方案。

(9)、所述的液压系统对所有液压回路是否满足最低压力80kg/cm²的要求进行校核，如果不满足，则对其改进，改进的方法是在需要稳压支线油路的地方并联一套液压蓄能器组件(其连接方法祥图2或图3所示)。蓄能器的用法有A、B两种方案，方案A是在支线回路压力管线上J1处串联一件单向阀，在油缸需要稳压一侧J2处并联一套带安全阀的蓄能器组件，方案B是在油缸需要稳压一侧J处并联一套带安全阀的蓄能器组件，液控单向阀由顺序阀来控制，顺序阀的设定压力为30～50kg/cm²，带安全阀的稳压回路中，安全阀的设定压力为系统最大正常工作压力基础上再上调10kg/cm²，蓄能器的充氮气体压力设定为70～90kg/cm²。

与现有技术相比，本发明优点在于：本方法结合不锈钢酸洗生产线的实际生产工艺特征，通过对液压工作泵、液压蓄能器、泵站压力检测元件、泵站工作制度及液压回路等液压系统元器件进行系列优化组合，得到的液压系统最佳节能运行模式，该技术是一种对液压元器件的集成创新性成果。在该成果中，具体给出了它们之间的详细关系及最佳的组合方式，特别地，本方法给出了(主、辅)工作泵和液压蓄能器的最低装机容量数据和计算方法。通过本技术设计出的液压站具有主工作泵装机容量基本最小以及辅助工作泵工作时间基本最短的特征，从而达到充分节能的目的，而方法简单易行且容易实施改造。

附图说明

图1为本发明液压站的结构模块图；

图2为液压回路改造的示意图；

图3为液压回路改造的示意图；

图4为液压站管路合并示意图；

具体实施方式

以下结合附图实施例对发明作进一步详细描述。

本新型液压站的基本组成部分。如图1所示，该节能液压站由主工作泵单元I，辅助工作泵单元II，系统压力检测单元IV，液压蓄能站单元V和系统电控单元VI等基本单元组成；另外可根据实际情况选配在机备用泵单元III以及循环过滤单元。

其中主工作泵单元I、辅助工作泵单元II、备用泵单元III并联后输出管路接控制阀台，压力检测单元IV的检测点接在输出压力管线上，  输出控制信号去直接或间接控制辅助工作泵单元II，在输出压力管线上还接有储能用的大容量液压蓄能站，及其配套的系统电控单元VI，另外在油箱上一般设置循环冷却过滤单元；这些特征共同组成本发明的液压站。

明确节能设计对象。如果是针对现存已有设备进行节能改造，则应在尊重系统各液压控制回路原设计的基础上，对液压站及相关设施，包括电机一工作泵，油箱、蓄能器等附属设施进行改造；如果是为新装备设计，则在已经完成设计各液压执行元件及各控制回路的基础上，可开始下文的节能设计工作：

合并不必要的小型液压站。将液压执行元件数量在45件以下的工艺准备段和成套焊机等液压系统一同合并到头部液压站，在线平整机辅助液压系统合并到出口液压站，这样可省去一部分不必要的装机容量(合并原理祥见图4)。该图为带有m个阀台的小型液压站合并到带有n个阀台的主液压站的示意图，图中虚线所示L1和L2为合并后需增加的管线，其中L1为压力管线，L2为回由管线，；在原小型液压站回油管线T3线路上增设一盲板法兰将原回油管路堵死。经过上述改动后，原小型液压站的工作泵和油箱可以原位保留封存不用(如果是为设计新线，该小型液压站的动力和油箱部分可直接省去)。

泵站工作制度的选用。本新型节能技术的一个显著特征是泵站工作制度的变化：液压站工作泵主要由主工作泵单元I和辅助工作泵单元II组成。主工作泵采用常运行方式；而辅助工作泵则置于受控启动状态，其启、停受控于压力检测单元IV检测到的系统压力信号，仅当系统在特定大流量需求下才参与工作，其运行时间短，节能效果明显。除主、辅工作泵单元外，系统还可设置在机备用泵单元III，但不是必需设备，可根据实际需求选用；而现行技术是将液压站工作泵化分为运行工作泵和备用泵，备用泵常处于自然停机状态。

主工作泵最低额定工作流量的确定。根据国内所应用的各类不锈钢酸洗生产线，经科学计算，其入口液压站主工作泵所必须配备的最低装机额定总流量为180L/min，出口液压站主工作泵所必须配备的最低装机额定总流量为150L/min，再辅助一定容量的蓄能器可满足生产实际需求。而目前国内酸洗生产线，其入口液压站工作泵总装额定流量为600～1000L/min，配套原动机多由3～5台55KW电机组成，出口液压站工作泵总装额定工作流量为400～800L/min。

主、辅工作泵工作形式的选用。为充分节能，主辅工作泵的选配可结合表一进行。主工作泵单元I选用变量泵，优先选用变量柱塞泵，数量可选1～2台；辅助工作泵单元II可选用变量泵，也可以选用定量泵，数量1～2台，建议优先考虑变量柱塞泵。一般地，主工作泵和辅助工作泵选用相同规格型号便于备件管理，降低维护成本；原则上辅助工作泵流量选择不小于主工作泵额定流量，以达到尽量节约电机空载能耗。

主工作泵单元I流量的确定。为方便节能改造设计及实施，液压站主工作泵额定容量的选择给出两种节能改造方案表一。

表一

方案	主工作泵	主泵流量范围	设计策略	备注
					A	单泵制	180～200L/min	上策	适用于各线，节能效果最好
B	双泵制	100～200L/min	中策	适用于各线，主泵便于选型
					备注：A中，如果应用于酸洗线出口泵站，主泵流量范围可选用150～200L/MIN

单泵制，指主工作泵选用一台，每台泵合适的额定工作流量范围为150～200L/min；

双泵制，指主工作泵选用2台，每台泵合适的额定工作流量范围为100～200L/min。

辅助工作泵数量和流量的确定。辅助工作泵II数量宜选用1～2台，单泵额定流量选用180～200L/min，工作泵形式不限，建议优先选用变量柱塞泵，以达到充分节能目的。

在机备用工作泵的选用。备用工作泵单元III在本技术方案中不是必要设备，但可根据实际情况选用1台，选型和主工作泵相同，其启、停选用人工模式：仅当主工作泵出现故障时或有特殊情况下的需求才由人工启动。

驱动电机功率的确定。与工作泵配套的驱动电机功率按照公式： $P=\frac{p\×q}{600}\×k\left(\mathrm{KW}\right)$ 确定，P为需配备的电机功率，p和q分别为所配备工作泵最大正常工作压力和额定工作流量，参数P的单位选用kg/cm²，参数q的单位选用L/min，计算出的匹配电机功率单位为KW；k为匹配系数，k取1.05～1.50较合理，优先取值1.05～1.25，其节能效果将更好。

液压蓄能站装机容量的选用。本新型节能技术的另外一个显著特征是：在液压站或主供油压力管道上并联大容量的液压蓄能站(蓄能站的装机容量约为传统设计的1～5倍或更大)，以满足系统高峰流量需求；蓄能站的装机容量计算由所选主工作泵总流量和机组特征设备内容确定。

经研究不锈钢酸洗线生产操作工艺及设备特征，发现主要影响液压执行元件流量需求的液压设备集中在以下几方面，液压蓄能站的装机容量可根据公式(1)计算，见表2。

表2

上式中，ξ＝0.75～1.5，为蓄能站装机容量合适的取值范围系数，0.75是最低的装机容量需求匹配系数，低于该值，则液压系统不能可靠工作，1.5为最高的蓄能站装机容量匹配系数，高于该值为不必要的富裕部分，增加设备成本，无实际意义；Q表示所选工作泵额定流量之和。

液压系统关键压力参数的确定。系统工作压力宜选用120～160kg/cm²，常用130～140kg/cm²；根据计算，系统最低工作压力在80kg/cm²以上可满足绝大部分液压回路的需求，在该压力下不能满足的液压回路则需对其进行改良设计。蓄能站充氮压力的确定：为使蓄能站获得高效利用，选择合适的蓄能站充氮压力是必要的，一般地，对于130～140kg/cm²液压系统，液压蓄能器充氮压力选用70～100kg/cm²可获得较高的体积排放比，蓄能站利用效率高，故优先选用70～80kg/cm²为最佳方案；系统低压报警压力设定为70～75kg/cm²。

泵站工作制度的选用。有了上述主工作泵单元I和液压蓄能站单元V相关参数设计后，还必须在辅助工作泵单元II的合理配合下才能达到工作既可靠又高效节能的目的。因此对工作泵控制程序的改进使之符合：

工作泵启动可选用手动/自动和远程/就地模式；

主工作泵单元I采用常运行方式；辅助工作泵单元II采用间隙工作方式，其启停受控于系统压力信号。

当检测单元IV检测到统压力小于等设定压力时，电控单元VI控制辅助工作泵自动启动，延时4～6秒后自动加载，运行1～5分钟后自动停泵，或者当检测单元IV检测到统压力达到或略低于工作常压0～5kg/cm²时，电控单元VI控制辅助工作泵单元II停止运行；建议优先选用85～90kg/cm²设定压力控制辅助工作泵II的启动条件，以获取蓄能器的高效率利用。

系统压力采集单元IV可以是压力开关PS01和PS02，也可以是压力线性传感器PT。

校核液压回路。校核系统所有液压回路是否满足最低压力80kg/cm²的要求，如果不满足，则对其改进。校核方法一般是先检查开卷机或卷取机旋转油缸的液压回路、步进梁液压回路或者其它对系统压力有特殊要求的液压回路，如果这些回路都满足了，则其它回路都能满足。改进的方法是在该支线回路上串联一套稳压蓄能器组件(祥见图2或图3)。如图所示，在需要稳压支线油路的地方并联一件液压蓄能器，蓄能器的用法有A、B两种方案。方案A是在支线回路压力管线上J1处串联一件单向阀，在油缸需要稳压一侧，如图中的J2处并联一套带安全阀的蓄能器组件；方案B是在油缸需要稳压一侧如图中的J处并联一套带安全阀的蓄能器组件，图中的液控单向阀由顺序阀来控制，顺序阀的设定压力为30～50kg/cm²。带安全阀的稳压回路中，安全阀的设定压力为系统最大正常工作压力基础上再上调10kg/cm²，蓄能器的充氮气体压力为70～90kg/cm²。

校核油箱容积和工作液位。维持系统正常工作所要求的油箱容积应在2000L以上。由于液压站配备了较大容量的蓄能站(器)，油箱正常工作液位在工作泵运转和停止时有较大变化，其油箱油液体积的变化量最大约为±0.5V_蓄L，注意液位开关设定值应符合油箱动态液位和正常补油的需要。

技术标准化。根据实际情况，制订相应生产线的《液压系统操作维修指南》说明书内容，以便于正常维护和使用，整理资料并存档保留。

效果检查

某公司引进法国DMS不锈钢冷酸生产线，该生产线基本组成部分：引带卷取装置、双头开卷机、成套米巴焊机、入口活套、连续退火炉、酸洗工艺段、出口活套、在线平整机、出口卷取机等成套设备组成；与之配套的液压站有入口液压站、在线平整机高压液压站和出口液压站。机组最大生产速度80m/min，平均生产周期约40分钟/卷。

入口液压系统包含的机械设备：引带卷取装置、双头开卷机、成套焊机、入口活套和退火炉段等有关液压设备；入口液压站由4台变量柱塞泵组成，与其配套电机额定功率为55KW，其中3台常用，1台备用，单泵额定流量为198L/min；系统设定正常工作压力为14MPa；液压蓄能站装机容量为4×50L；该液压系统所带负载为：油缸49件，油马达30件；该液压站实际平均功耗为57.5KWH/小时，根据计算其能量有效利用率不足5％。

根据本文提供的方法，入口液压站主工作泵最低额定流量可选配180L/min，与之配套电机额定功率选可用45KW，考虑实际情况是针对已有生产线设备的改造，应尽量降低一次性投入成本，决定选用原工作泵1^#作为主工作泵，原2^#工作泵为辅助工作泵，并由压力开关PS01和PS02及系统工作程序来控制辅助工作泵的启动和停止，经此改动后2^#工作泵实际工作时间不足原工作时间的2％；原3^#、4^#工作泵分别作为主工作泵或辅助工作的备用泵，仅当1^#主工泵或2^#辅助工作泵出现故障时才投入运行。根据本文提供的设计方法，液压蓄能站合适装机容量为：300～600L，优先选取500L，由10件50L的液压蓄能器组成，保留原4件再新增6件满足实际需求，蓄能站充氮压力设定为75kg/cm²。经过上述改造后的液压站运行稳定可靠，主工作实际平均能耗约20.2KWh/小时，平均节能约37.3KWh/小时，改进后的能耗仅为原能耗的35.2％。

Claims (9)

1.一种不锈钢带材酸洗连续退火生产线液压站的节能方法，其特征在于：在酸洗连退生产线中仅设入口及出口液压站；将液压系统中执行元件数目在45件以下的焊机液压系统和准备段引带机组的小型液压系统合并到头部入口液压站，在线平整机辅助液压系统合并到尾部出口液压站；液压站中的泵站采用主泵和辅泵工作制，其中主泵为常运行，辅泵为采用系统压力检测单元检测的信号通过电控单元控制其启动或停止，其启动压力设定为80～100kg/cm²，停止运行方式有两种可选：A、受控于系统压力检测单检测的压力信号，压力设定范围为比最大正常工作压力低0～5kg/cm²，B、受控于电控单元中的延时继电器信号，延时时间设定为1～5分钟；在液压站或主供油管道上并联大容量的液压蓄能站，液压蓄能站的装机容量的选用根据下表及公式(1)来确定

式(1)中，ξ为蓄能站装机容量匹配计算系数，ξ＝0.75～1.5。

2.根据权利要求1所述的节能方法，其特征在于所述的辅泵II在启动后延时加载时间设定为4～6秒，而自动停机延时时间设定为1～5分钟或根据压力检测信号来控制；

3.根据权利要求1或2所述的节能方法，其特征在于所述的泵站其主泵单元选用变量柱塞泵，数量为1～2台，当采用单泵时，主泵额定工作流量可选范围为180～200L/MIN，当采用双泵时，每台主泵额定工作流量可选范围为100～200L/MIN。

4.根据权利要求1或2所述的节能方法，其特征在于所述的泵站其辅泵单元选用变量柱塞泵，数量为1～2台，采用单泵制时，额定工作流量范围为150～200L/MIN；采用双泵制时，其单泵额定工作流量范围为100～200L/MIN。

5.根据权利要求1或2所述的节能方法，其特征在于所述的泵站中主泵和辅泵其驱动电机的功率按照公式： $P=\frac{p\×q}{600}\×k\left(\mathrm{KW}\right)$ 确定，P为需配备的电机功率，p和q分别为所配备工作泵最大正常工作压力和额定工作流量，k为匹配系数，k取1.05～1.5。

6.根据权利要求5所述的节能方法，其特征在于所述的匹配系数k取最优值1.05～1.25。

7.根据权利要求1或2所述的节能方法，其特征在于所述的液压系统对于130～140kg/cm²液压系统，液压蓄能器充氮压力选用70～100kg/cm²，系统低压报警压力设定为70～75kg/cm²。

8.根据权利要求7所述的节能方法，其特征在于所述的液压蓄能器充氮压力优先选用70～80kg/cm²。

9.根据权利要求1或2所述的节能方法，其特征在于所述的液压系统对所有液压回路是否满足最低压力80kg/cm²的要求进行校核，如果不满足，则对其改进，改进的方法是在需要稳压支线油路的地方并联一套液压蓄能器组件，蓄能器组件的用法有A、B两种方案，方案A是在支线回路压力管线上J1处串联一件单向阀，在油缸需要稳压一侧管线J2处并联一套带安全阀的蓄能器组件，方案B是在油缸需要稳压一侧J处并联一套带安全阀的蓄能器组件，液控单向阀由顺序阀来控制，顺序阀的设定压力为30～50kg/cm²，带安全阀的稳压回路中，安全阀的设定压力为系统最大正常工作压力基础上再上调10kg/cm²，蓄能器的充氮气体压力设定为70～90kg/cm²。

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