水泵變頻調(diào)速技術(shù)研究與應(yīng)用

【摘要】通過(guò)HARSVERT-A變頻器在大慶龍虎泡取水廠的應(yīng)用，總結(jié)了在水泵節(jié)能改造過(guò)程中應(yīng)用大功率變頻調(diào)速裝置的經(jīng)驗(yàn)和心得。
【Abstract】With introducition of the HARSVERT-A frequency converter and its application in Daqing Longhupao water treatment plant,some experiences and recommendations are presented out.
【關(guān)鍵詞】大功率 高壓變頻器 水泵調(diào)速 節(jié)能
【Keywords】High power HVF Pump timing Energy saving
1.前言
大慶石油管理局供水公司每年耗電費(fèi)用約占供水總成本費(fèi)的30%左右，而其中輸配水環(huán)節(jié)的電費(fèi)約占總電費(fèi)的70%左右，因此，如何調(diào)整好外輸泵的日常運(yùn)行，使輸配水噸水電耗保持在一個(gè)較經(jīng)濟(jì)合理的范圍內(nèi)，是節(jié)能工作的重點(diǎn)。我們始終積極探索，認(rèn)真研究，采取有效措施來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
2.問(wèn)題的提出
公司龍虎泡取水廠位于龍虎泡北岸，取水能力為50萬(wàn)立方米/日。當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到中長(zhǎng)期規(guī)劃和最不利水量、水位情況，選擇了兩種機(jī)組泵型，一種為電機(jī)1400kW/10kV，取水泵900HR（H62米，Q6360立方米/小時(shí)），另一種為電機(jī)900kW/10kV，取水泵700HR（H62米，Q3900立方米/小時(shí)）。取水廠的二級(jí)泵站——中引水廠的一、二期工程設(shè)計(jì)供水量為50萬(wàn)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(shí)際輸水量只有25-30萬(wàn)立方米/日，泵的總流量Q僅為10400-12500萬(wàn)立方米/小時(shí)，輸水管線水頭損18—20米，而泵的銘牌揚(yáng)程為62米，若要泵壓降到與管網(wǎng)阻力相當(dāng)，則機(jī)泵就會(huì)超負(fù)荷運(yùn)行。因此，取水廠只能靠調(diào)整出口閘門來(lái)控制泵壓，使水泵能在高效區(qū)運(yùn)行。如此運(yùn)行不僅增大了閘門的水頭損失，浪費(fèi)了大量電能，而且如果閘門節(jié)流調(diào)整不適當(dāng)，機(jī)泵就很容易偏離高效段或超載運(yùn)行，導(dǎo)致機(jī)泵的故障率增高， 縮短了機(jī)組的使用壽命，近兩年機(jī)泵已經(jīng)累計(jì)維修10余次，消耗維修費(fèi)100余萬(wàn)元。中引水廠是公司生產(chǎn)大戶，對(duì)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(shì)在必行。
3.變頻改造方案的初步計(jì)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(jì)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(diǎn)可以得到額定壓力下的額定流量，在該點(diǎn)泵有最高的效率，關(guān)閉閥門可控制流量，當(dāng)流量減小時(shí)，泵分別工作在P、Q、R、S點(diǎn)，此時(shí)泵需要在很高的壓差下工作，因此泵的能量輸出比實(shí)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(dòng)時(shí)帶走。用泵的輸出能量除以泵的效率，可以求得對(duì)泵的總輸入能量。調(diào)節(jié)泵出口閥開(kāi)度來(lái)減小流量，能量損失相當(dāng)大。


利用變頻器調(diào)速，可使電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵變速運(yùn)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(jī)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(wú)級(jí)變頻調(diào)速后可得到AB—CD無(wú)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(gè)交點(diǎn)，都可作為工況點(diǎn)與外網(wǎng)水量變化相適應(yīng)，在較小的揚(yáng)程下達(dá)到P、Q、R、S點(diǎn)所對(duì)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(duì)于同一臺(tái)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(jī)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(yáng)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(shí)
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(shí)，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(jì)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(kāi)，系統(tǒng)的管路特性曲線將向外偏移，那么調(diào)速后的泵運(yùn)行參數(shù)更有可能滿足實(shí)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(jì)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(shí)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(lái)減少1－43％＝57％。按電費(fèi)0.41元/度，電機(jī)效率為0.95，運(yùn)行330天/年，則原來(lái)年耗電電費(fèi)為（1400kW×24×330×0.41）/0.95＝478萬(wàn)元，
水泵變頻調(diào)后，水泵進(jìn)口壓力降至2.5公斤，年耗電電費(fèi)為：478×43％＝205.54萬(wàn)元，年節(jié)省電費(fèi)為478－205.54＝272.5萬(wàn)元。初步看來(lái)節(jié)能效果相當(dāng)可觀。
5.方案確定
考慮到中引一泵的實(shí)際條件，經(jīng)過(guò)認(rèn)真計(jì)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(xiàng)性能指標(biāo)滿足水泵工藝要求，可靠性較高，且改造時(shí)間短、見(jiàn)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(dú)立運(yùn)行，變頻器采用一帶一方式拖動(dòng)6＃泵，6＃泵故障時(shí)，可投入工頻運(yùn)行。工頻/變頻的切換通過(guò)旁路柜手動(dòng)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(jī)組安全運(yùn)行。恒壓控制，閉環(huán)運(yùn)行，二期管網(wǎng)壓力為0.1MPa；采用閥門聯(lián)動(dòng)自動(dòng)控制，具有冷卻水流量檢測(cè)保護(hù)功能。
6.改造后，6#泵高壓變頻調(diào)速裝置試運(yùn)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(duì)6#泵的變頻調(diào)速裝置進(jìn)行了試運(yùn)，試運(yùn)行情況如下：
試運(yùn)之前，3#、7#泵并聯(lián)運(yùn)行，運(yùn)行參數(shù)如下表：


為保證試運(yùn)期間中引水廠的穩(wěn)定運(yùn)行，我們事先通過(guò)調(diào)度通知變電所和中引水廠作好試運(yùn)行準(zhǔn)備。先停運(yùn)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(yùn)行，一期出口閥開(kāi)度仍保持12%不變。把6#泵的變頻器頻率設(shè)定為37Hz，開(kāi)啟6#泵，待運(yùn)行穩(wěn)定之后，二期出口閥門開(kāi)到70%，然后觀察頻率分別為35 Hz、33 Hz、30 Hz、28 Hz時(shí)水泵裝置的的運(yùn)行狀態(tài)：


試運(yùn)之后，我們?cè)O(shè)定頻率為30Hz開(kāi)環(huán)運(yùn)行，并安排水廠值班人員單獨(dú)作好6#泵運(yùn)行記錄。通過(guò)幾天的運(yùn)行，變頻器運(yùn)行穩(wěn)定，功能齊全，操作簡(jiǎn)便，完全滿足實(shí)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(yàn)
節(jié)能效果最終要用儀表檢驗(yàn)，最直接可靠的方法是用電度表測(cè)量變頻改造前后的能耗加以比較。
原來(lái)3#、6#泵工頻運(yùn)行，取2001年8月1日——20日的運(yùn)行記錄計(jì)算：
總用電量：1，214，700千瓦時(shí)；
總供水量：5，887，400立方米；
泵站總單耗：0.2064千瓦時(shí)/立方米；
取2001年7月8日——19日3#、6#泵工頻運(yùn)行的運(yùn)行記錄計(jì)算：
總用電量：667500千瓦時(shí)；
總供水量：3115200立方米；
泵站總單耗：0.2143千瓦時(shí)/立方米；
32天3#、6#泵工頻運(yùn)行時(shí)泵站總單耗為：
（0.2064+0.2143）/2=0.21千瓦時(shí)/立方米。
現(xiàn)在3#泵工頻運(yùn)行，6#泵變頻運(yùn)行（30Hz），匯管閥門關(guān)閉，兩臺(tái)泵單獨(dú)運(yùn)行。以2002年1月9日19：00時(shí)——14日7：00時(shí)的記錄為依據(jù)計(jì)算結(jié)果如下；
總用電量：154200千瓦時(shí)；
總供水量：1064700立方米；
泵站總單耗：0.14千瓦時(shí)/立方米；
原6#泵工頻運(yùn)行時(shí)，單耗為0.24千瓦時(shí)/立方米；現(xiàn)變頻運(yùn)行時(shí)單耗為0.06千瓦時(shí)/立方米。
從2002年1月9日19：00時(shí)—到14日7：00時(shí)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(wàn)瓦時(shí)，合RMB：268.78萬(wàn)元。
8.變頻改造后，水廠的工藝改善
（1）北京利徳華福電氣技術(shù)有限公司生產(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(chǎng)實(shí)現(xiàn)外部邏輯控制時(shí)，非常方便。例如：閥門聯(lián)動(dòng)功能使值班人員，在啟、停泵時(shí)無(wú)需再對(duì)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(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。
（2）6＃泵變頻改造后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流、水泵的出口壓都明顯下降，使電機(jī)水泵的運(yùn)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(dòng)功能，減少了對(duì)電機(jī)和電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，降低了設(shè)備的維修費(fèi)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(dòng)范圍很小，能充分滿足現(xiàn)場(chǎng)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(cè)、診斷、報(bào)警、跳閘等功能，保證電機(jī)水泵始終安全運(yùn)行。
（5）上位機(jī)的監(jiān)控功能和遠(yuǎn)程撥號(hào)監(jiān)控功能為用戶實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控創(chuàng)造了必要條件。
9.結(jié)論
經(jīng)過(guò)實(shí)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(jì)效益和社會(huì)效益是顯而易見(jiàn)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(yùn)行的靈活性；三是降低了水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，減少了機(jī)泵的啟動(dòng)沖擊和機(jī)械摩擦、震動(dòng)，延長(zhǎng)了機(jī)組的使用壽命；四是減小了機(jī)泵運(yùn)行噪音，改善了工作環(huán)境；五是智能化的聯(lián)動(dòng)功能和完善的故障保護(hù)功能，即提高了工作效率，又增強(qiáng)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(xiàng)利國(guó)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(shí)意義。這種高壓大功率變頻調(diào)速裝置，必將成為未來(lái)供水行業(yè)節(jié)能、改造的首選設(shè)備！