高压水泵机组变频调速的设计应用

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  在工业生产制造领域中,风机、水泵类设备应用广泛,其电能消耗以及阀门、挡板等相关设备的节流损失大概占到生产成本的7%~25%,是一笔不小的生产费用开支。随着经济改革的不断深入,市场竞争的不断加剧;节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一。

  传统风机水泵的风量和水量调节是靠调节风门和阀门开度的大小,这样,不管生产中需要多大的风量水量,风机水泵都要全速运转,而风门、阀门的节流损失也要消耗掉一部分能量,所以传统的调节方式不仅会造成大量的能源浪费和设备损耗,而且设备的控制精度也受到限制。从而导致生产成本增加,设备使用寿命缩短。同时,大功率的风机水泵直接启动也会造成对电网的冲击,危害电网安全。

  要想控制风机水泵的能耗,目前最有效的措施就是采用变频调速的方式。变频调速技术以其卓越的调速性能、显着的节电效果,提高系统的安全可靠性和设备利用率,延长设备使用寿命等优点成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。早期,高压变频器由于技术上的困难,国内生产厂家很少,基本上都是国外的产品,因而价格昂贵。近年来,随着电力电子技术的发展,变频调速技术越来越成熟,国产高压变频器的品牌也越来越多,其价格逐步下降,性价比大幅提高,因此推广变频调速在风机、水泵类设备上的应用,对于节能降耗具有重要意义。

  1 工程概况

  攀枝花青杠坪矿业有限公司是德胜集团下属的子公司,公司成立于2007年12月。2007年6月公司仰天窝铁矿采选工程正式开工,该工程设计生产能力为270万吨原矿采掘,60万吨钒钛铁精粉选矿能力。由于采矿场和选矿厂位于海拔高度1 585m~1 960m的地方,生产用水极度缺乏,为保障生产用水,公司决定为铁矿采选工程配套建设一个独立的供水系统,我院承接了该供水系统的设计任务。

  考虑到外供水工程输水量大、输水管路长及输水扬程高的特点,工艺设计决定采用三级泵站阶梯供水的方式,把从安宁河、青年河里抽上来的水通过输水管道送到选矿厂附近的高位水池,以供生产所需用水。

  三级泵站(安宁河取水泵站、青年河加压泵站、尾矿库加压泵站)中,安宁河取水泵站水泵电机采用680kW/10kV三相异步电动机,而青年河加压泵站和尾矿库加压泵站水泵电机均采用680kW/6kV三相异步电动机。如果水量调节仍然采用传统的阀门调节,就会耗费大量的电能。既不符合国家积极倡导的推广新技术,节能降耗的政策,也不符合企业节约资源,降低成本,提高经济效益的要求。故经过比较分析,决定采用高压变频器控制水泵电机来调节生产用水量。

  2 变频调速的节能原理

  根据流体力学的基本定律可知,泵类设备属平方转矩负载,其转速n与流量Q、压力H以及轴功率P具有如下关系:

  由以上公式可知,如果转速由50Hz降到40Hz,即:n2/n1= 0.8,则:P2/P1= 0.512,可见稍微降低转速就可大幅降低轴功率,取得比较明显的节能效果。

  泵类设备采用变频调速控制转速的实质就是通过改变所输送液体的能量来改变流量。泵类设备的流量—压力关系曲线如下图:

  流量—压力关系曲线图

  如果只是转速变化,而阀门的开度不变,则管阻特性曲线R也就维持不变。假设出口压力为Ha、Hb、Hc时均能满足工艺要求。在额定转速时,流量为Qa,出口压力为Ha,压力特性曲线H与管阻特性曲线R相交于A点,电机工作在A点。

  当需要将流量调节为Qb时:

  1)采用阀门调节流量,管阻发生变化,设流量为Qb,出口压力为Hb,管阻特性曲线变为R’与压力特性曲线H相交于B点,电机工作在B点;2)采用转速调节流量,压力发生变化,设流量为Qc,出口压力为Hc,管阻特性曲线变为R与压力特性曲线H’相交于C点,电机工作在C点。

  流量—压力关系曲线图中是假设Qb=Qc,那么可以看出,转速调节方式与阀门调节方式相比出口压力降低了。由此得知在满足同样流量的情况下图中阴影部分即为调速方式比调阀门方式节省的能量。这就是变频调速的节能原理。

  3 系统设计方案

  根据当地的水文资料,考虑到在雨季的时候高位水池的水量可以通过雨水和山顶的地下水进行一部分补充的因素,设计院与青杠坪矿业有限公司经过工艺上的认真分析讨论,确认了泵站的运行模式为:泵站在旱季时满负荷工作,向高位水池提供100%流量,预计占用年运行时间的67%;泵站在雨季时轻负荷工作,向高位水池提供56%流量,预计占用年运行时间的33%。每个泵站配备2台水泵,平时一用一备。

  根据泵站的这种运行方式,在电气设计上决定采用“一拖二方案”,即一台变频器控制两台水泵电机。正常时变频器控制一台水泵运行,另一台水泵备用。当变频器发生故障时,可以通过工频/变频自动切换功能保证运行水泵能够自动切换到工频电网上,满足现场不停机的要求。当运行水泵发生故障时,可以通过变频器或直接工频启动备用水泵。系统设计方案如下图所示(三个泵站方案是一样的):

  水泵调速系统设计方案图

  图中,DL为进线高压开关柜,K1、K3为两台水泵电机工频开关,K2为变频器电源开关,K4、K5为两台水泵电机变频输出开关。K1~K5采用真空开关,能够满足两台水泵远方调度的需要。K1和K4电气互锁,K3和K5电气互锁,K4和K5电气互锁。

  4 节能计算

  由于三个泵站设备负荷和控制方式是一样的,本节中仅以安宁河取水泵站的节能计算结果为例来说明变频调速的节能效果。

  1)计算条件参数

  电动机效率=98%、变频器效率=96%、水泵额定轴功率=575kW、设曲线特性为H=1.4—0.4Q2、年运行时间为7200小时。水泵的运行模式为:旱季流量100%(500m3),占年运行时间的67%;雨季流量56%(280 m3),占年运行时间的33%。

  2)采用变阀调节控制流量时的用电量

  假设P100为100%水量时的功耗,P56为56%水量时的功耗。

  则P100=575/0.98=587kW,

  P56=575×0.56×(1.4—0.4×0.562)/0.98=419kW

  假设电费以0.6元/kW·h计算,年耗电成本为:

  7200×0.6×(587×0.67+419×0.33)=230(万元)。

  3)采用变频调节控制流量时的用电量

  假设P100为100%水量时的功耗,P56为56%水量时的功耗。

  则P100=575/0.98=587kW,

  P56=575×0.563/0.98/0.96=107kW

  假设电费以0.6元/kW·h计算,年耗电成本为:

  7200×0.6×(587×0.67+107×0.33)=185(万元);

  1年可节省电费为:230—185=45(万元);

  节电率为:45×100%/230=19.56%。

  5 结论

  以上的计算结果仅为理论上的计算结果,在设备实际运行过程当中可能还有很多其它的因素会对节能效果产生影响,但是,用变频器控制风机、泵类设备取得明显的节电效果却是不争的事实。变频调速技术是一种理想的节能降耗方式,在全球能源紧缺的今天,也成为了国家重点推广的一项节能技术。它既提高了设备效率,又满足了生产工艺要求,而且还减少了设备维护、维修费用,降低停产周期。不论是直接的经济效益还是间接的社会效益都十分明显。


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