水泵變頻調(diào)速技術(shù)研究與應(yīng)用

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 1、前言

大慶石油管理局供水公司每年耗電費用約占供水總成本費的30%左右，而其中輸配水環(huán)節(jié)的電費約占總電費的70%左右，因此，如何調(diào)整好外輸泵的日常運行，使輸配水噸水電耗保持在一個較經(jīng)濟合理的范圍內(nèi)，是節(jié)能工作的重點。我們始終積極探索，認(rèn)真研究，采取有效措施來解決這個問題。 2、問題的提出  　　公司龍虎泡取水廠位于龍虎泡北岸，日取水能力為50萬立方米/日。當(dāng)初設(shè)計時，考慮到中長期規(guī)劃和最不利水量、水位情況，選擇了兩種機組泵型，一種為電機1400KW/10KV，取水泵900HR（H62米，Q6360立方米/小時），另一種為電機900KW/10KW，取水泵700HR（H62米，Q3900立方米/小時）。取水廠的二級泵站——中引水廠的一、二期工程設(shè)計供水量為50萬立方米/日。由于油田限產(chǎn)，外網(wǎng)用水量逐年下降，目前取水廠實際輸水量只有25-30萬立方米/日，泵的總流量Q僅為10400-12500萬立方米/小時，輸水管線水頭損18—20米，而泵的銘牌揚程為62米，若要泵壓降到與管網(wǎng)阻力相當(dāng)，則機泵就會超負(fù)荷運行。因此，取水廠只能靠調(diào)整出口閘門來控制泵壓，使水泵能在高效區(qū)運行。如此運行不僅增大了閘門的水頭損失，浪費了大量電能，而且如果閘門節(jié)流調(diào)整不適當(dāng)，機泵就很容易偏離高效段或超載運行，導(dǎo)致機泵的故障率增高， 縮短了機組的使用壽命，近兩年機泵已經(jīng)累計維修10余次，消耗維修費100余萬元。中引水廠是公司生產(chǎn)大戶，對能否確保油田用水起著舉足輕重的作用，因此，龍虎泡取水廠輸水泵的技術(shù)改造勢在必行。  3、變頻改造方案的初步計算和論證 　　一般情況下，泵都在額定工作條件下，按最佳工作條件設(shè)計操作。如圖1所示為泵的典型的工作曲線，AB是泵的性能曲線，與額定系統(tǒng)壓力曲線OB相匹配，在B點可以得到額定壓力下的額定流量，在該點泵有最高的效率，關(guān)閉閥門可控制流量，當(dāng)流量減小時，泵分別工作在P、Q、R、S點，此時泵需要在很高的壓差下工作，因此泵的的能量輸出比實際系統(tǒng)需要多得多，多余的能量在閥上表現(xiàn)為熱量損耗，并被液體流動時帶走。用泵的輸出能量除以泵的效率，可以求得對泵的總輸入能量。調(diào)節(jié)泵出口閥開度來減小流量，能量損失相當(dāng)大。  　　利用變頻器調(diào)速，可使電動機驅(qū)動泵變速運行，泵的特性曲線與系統(tǒng)在任何流量下的需要相匹配，流量與電機轉(zhuǎn)速成正比，產(chǎn)生的壓差與轉(zhuǎn)速度的平方成正比，如圖2所示，無級變頻調(diào)速后可得到AB—CD無數(shù)條水泵特性曲線，管路特性曲線與ABDC形成的陰影帶任何一個交點，都可作為工況點與外網(wǎng)水量變化相適應(yīng)，在較小的揚程下達(dá)到P、Q、R、S點所對應(yīng)的流量，而且只損失很少的能量，其節(jié)能效果相當(dāng)可觀。   對于同一臺葉片式水泵有如下規(guī)律： 　　　　Q1/Q2=n1/n2 H1/H2=(n1/n2) 2 N1/N2=(n1/n2 ) 3  　　龍虎泡取水廠1#、3#、6#泵均為進(jìn)口大泵，其電機轉(zhuǎn)速分別為748 r/m，745 r/m，750 r/m。  　　如果3#泵調(diào)速到500 r/m，則其流量、揚程及功率參數(shù)如下： 　　　　Q原/Q變=n原/n變 =748/500=1.496  　　　　Q變=4251.3立方米/小時 　　　　H原/H變=(n原/n變) 2=1.496 2 　　　　H變=28.59米 　　　　N原/N變=(n原/n變) 3=1.496 3 　　　　N變=412.2千瓦 　　如果調(diào)速到550r/m，則Q=4663立方米/小時，H=34米，N=547千瓦，調(diào)速后泵參數(shù)基本適合目前工況。當(dāng)然，以上計算是在假定系統(tǒng)的管路特性曲線不變的情況下進(jìn)行的，安裝變頻調(diào)速設(shè)備后，泵出口閥門可以全部打開，系統(tǒng)的管路特性曲線將向外偏移，那么調(diào)速后的泵運行參數(shù)更有可能滿足實際工況的要求，因此，可確定此方案為可取。  4、變頻調(diào)速方案的節(jié)能估算  　　水泵的耗能計算公式為：P=(K×H×Q)/ η K:為裕度系數(shù) η：效率 　　假設(shè)水泵的實際壓力由目前的5.8公斤調(diào)速降至2.5公斤，且流量不變，則P25/P58=25/58＝43％，即功率消耗理論上比原來減少1－43％＝57％。按電費0.41元/度，電機效率為0.95，運行330天/年，則原來年耗電電費為（1400KW×24×330×0.41）/0.95＝478萬元。 　　變頻調(diào)速降至2.5公斤后，年耗電電費為：478×43％＝205.54萬元，年節(jié)省電費為478－205.54＝272.5萬元。初步看來節(jié)能效果相當(dāng)可觀。 5、方案確定  　　考慮到中引一泵的實際條件，經(jīng)過認(rèn)真計算，論證，多方面考察，眾多廠家的比較，我們決定安裝北京利徳華福公司生產(chǎn)的高壓大功率變頻器。該變頻器各項性能指標(biāo)滿足水泵工藝要求，可靠性較高，且改造時間短、見效快。 　　具體方案為關(guān)閉一期和二期之間的聯(lián)絡(luò)閥門，二期管網(wǎng)獨立運行，變頻器采用一帶一方式拖動6＃泵，6＃泵故障時，可投入工頻運行。工頻/變頻的切換通過旁路柜手動切換。而且，工頻和變頻切換有電氣聯(lián)鎖和PLC的邏輯互鎖，能保證機組安全運行。恒壓控制，閉環(huán)運行，二期管網(wǎng)壓力為0.1MPa；采用閥門聯(lián)動自動控制，具有冷卻水流量檢測保護(hù)功能。 6、改造后，6#泵高壓變頻調(diào)速裝置試運行情況  　　2002年1月6日，北京利徳華福技術(shù)人員和取水廠的有關(guān)人員對6#泵的變頻調(diào)速裝置進(jìn)行了試運，試運行情況如下： 為保證試運期間中引水廠的穩(wěn)定運行，我們事先通過調(diào)度通知變電所和中引水廠作好試運行準(zhǔn)備。先停運7#泵，關(guān)閉3#泵和6#泵之間的匯管連通閥門，調(diào)整好3#泵的運行，一期出口閥開度仍保持12%不變。把6#泵的變頻器頻率設(shè)定為37赫茲，開啟6#泵，待運行穩(wěn)定之后，二期出口閥門開到70%，然后觀察頻率分別為35赫茲、33赫茲、30赫茲、28赫茲時水泵裝置的的運行狀態(tài)：   試運之后，我們設(shè)定頻率為30赫茲開環(huán)運行，并安排水廠值班人員單獨作好6#泵運行記錄。通過幾天的運行，變頻器運行穩(wěn)定，功能齊全，操作簡便，完全滿足實際工況要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)想結(jié)果。 7、改造后的節(jié)能檢驗  　　節(jié)能效果最終要用儀表檢驗，最直接可靠的方法是用電度表測量變頻改造前后的能耗加以比較。 　　原來3#、6#泵工頻運行，取2001年8月1日——20日的運行記錄計算： 　　總用電量：1，214，700千瓦時； 　　總供水量：5，887，400立方米； 　　泵站總單耗：0.2064千瓦時/立方米； 　　取2001年7月8日——19日3#、6#泵工頻運行的運行記錄計算： 　　總用電量：667500千瓦時； 　　總供水量：3115200立方米； 　　泵站總單耗：0.2143千瓦時/立方米； 　　32天3#、6#泵工頻運行時泵站總單耗為： 　　（0.2064+0.2143）/2=0.21千瓦時/立方米。 　　現(xiàn)在3#泵工頻運行，6#泵變頻運行（30HZ），匯管閥門關(guān)閉，兩臺泵單獨運行。以2002年1月9日19：00時——14日7：00時的記錄為依據(jù)計算結(jié)果如下； 　　總用電量：154200千瓦時； 　　總供水量：1064700立方米； 　　泵站總單耗：0.14千瓦時/立方米； 　　原6#泵工頻運行時，單耗為0.24千瓦時/立方米；現(xiàn)變頻運行時單耗為0.06千瓦時/立方米。 　　從2002年1月9日19：00時—到14日7：00時為4.5天，則日平均水量為：1064700/4.5=236600立方米。 　　年節(jié)電量：0.07*23.66*365=604萬瓦時，合RMB：268.78萬元。 8、變頻改造后，水廠的工藝改善  　　1）北京利徳華福公司生產(chǎn)的高壓變頻器，內(nèi)置了西門子公司的S7－200系列PLC，在現(xiàn)場實現(xiàn)外部邏輯控制時，非常方便。例如：閥門聯(lián)動功能使值班人員，在啟、停泵時無需再對閥門進(jìn)行任何操作；減少了工作量和誤操作；冷卻水流量保護(hù)功能保證了水泵電機安全穩(wěn)定的運行。  　　2）6＃泵變頻改造后，電機的轉(zhuǎn)速、電流、水泵的出口壓都明顯下降，使電機水泵的運行狀況明顯改善，不僅直接節(jié)約耗電量，而且，由于變頻器的軟啟動功能，減少了對電機和電網(wǎng)的沖擊，延長了設(shè)備的使用壽命，降低了設(shè)備的維修費用。 　　3）變頻器采用壓力閉環(huán)控制，保證管網(wǎng)水壓0.1MPa。由于變頻器的調(diào)速平滑，控制精度高，所以管網(wǎng)壓力波動范圍很小，能充分滿足現(xiàn)場供水工藝要求。 　　4）利徳華福公司生產(chǎn)的高壓變頻器具有完善、靈敏的故障檢測、診斷、報警、跳閘等功能，保證電機水泵始終安全運行。 　　5）上位機的監(jiān)控功能和遠(yuǎn)程撥號監(jiān)控功能為用戶實現(xiàn)集中監(jiān)控創(chuàng)造了必要條件。  9、結(jié)論  　　經(jīng)過實踐的證明，這次龍虎泡取水廠的水泵變頻改造是成功的，取得的經(jīng)濟效益和社會效益是顯而易見的。一是節(jié)約了大量電能，降低了供水成本；二是增大了系統(tǒng)可調(diào)范圍，提高了系統(tǒng)運行的靈活性；三是降低了水泵電機的轉(zhuǎn)速，減少了機泵的啟動沖擊和機械摩擦、震動，延長了機組的使用壽命；四是減小了機泵運行噪音，改善了工作環(huán)境；五是智能化的聯(lián)動功能和完善的故障保護(hù)功能，即提高了工作效率，又增強了系統(tǒng)安全可靠性。  　　所以，高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)是一項利國利民、有廣泛應(yīng)用前景的高新技術(shù)，用于供水行業(yè)的水泵調(diào)速或恒壓供水系統(tǒng)，具有重大的現(xiàn)實意義。這種高壓大功率變頻調(diào)速裝置，必將成為未來供水行業(yè)節(jié)能、改造的首選設(shè)備！