智能流程泵節能裝置在重催裝置中的應用

摘要：在工礦企業中大量地使用著風機、水泵、壓縮機等,這些機械一般都以交流電動機驅動為主,實際應用證明, 智能流程泵節能裝置的使用可取得意想不到的效果,特別是企業正在降低生產成本、提高經濟效益的今天。本文介紹了智能流程泵節能裝置在重催裝置油泵控制中的應用及其節能效果。　

一、概述
　　
在工礦企業中大量地使用著風機、水泵、攪拌機、壓縮機等,這些機械一般都以交流電動機驅動。其中大部分電動機均不是工作在額定功率,而經常只有額定功率的50%～70%,甚至更低一些（20%～70%）。但電動機大部分處在恒速運行狀態,并以檔板、閥門或放空回流的辦法進行流量或壓力的調節,從而白白損失大量的電能,功率越大的風機、水泵,損失的電能越多。
　　
對于水泵和風機,表達其特性的參數有:流量（風量）Q,揚程（風壓）H,功率P等。當轉速從n1變為n2時,Q,H,P大致變化關系為:
　　
Q2=Q1（n2 / n1）
H2=H1（n2 / n1）2
P2=P1（n2 / n1）3
　　
即:流量與轉速成正比,揚程與轉速的平方成正比,軸功率與轉速的立方成正比。
　　
如水泵的流量或風機的風量等調節,只需調節電機的轉速就可以實現,而同時將大大降低電機的消耗功率,節約了電能。
　　
根據電工學的基本原理,電動機的轉速n由以下公式表示:

　
式中:n——-電動機的轉速
　　f1——-供電電源頻率
　　S——-轉差率
　　P——-電動機的極對數
　　
因此要改變電動機的轉速,只要改變供電電源的頻率或者改變電動機的極對數或者轉差率就可以改變電動機的轉速。

二、智能流程泵節能裝置功能介紹

1．概述
1．1系統簡介

系統組成部分及流程：現場數據采集=》A/D轉換=》工控機數據處理=》通訊模塊遠程傳輸=》功率裝置控制=》泵馬達變速運行。

1.2 采集部分

采集部分是信號點的關鍵，在模擬量采集模塊前端安裝雙輸出通道安全隔離柵，將流量、閥門開度信號從原DCS系統中安全采取，通過模擬量采集模塊將轉換后的數據送人工控機進行運算處理。

1．2 運算處理部分

運算處理部分主要由研華公司的高性能工控機運算處理，它提供高速的處理性能及可靠開放性網絡通信能力，從而能滿足工礦閉環控制系統的實時性和遠程控制能力。處理部分采用模糊的PID閉環運算，采用數學函數公式進行復雜的邏輯運算，根據轉速與壓力、流量間的函數關系，準確、實時的響應系統的需求流量，節能效果更加明顯，穩定性更強。

1．3 輸出部分

將工控機運算處理后的泵馬達運轉頻率數據，通過遠程通信RS-485網絡，送入配電室。再通過通訊隔離模塊將信號隔離后送入主控單元，實時根據需要的流量動態相應

1．4節能控制方式

原DCS系統中，流量需要變化時，原DCS系統自動或手動對自動閥門進行跟隨變化，由此將閥門開度信號做為節能控制中的參考值，在節能控制中新加入了泵轉速變量。在滿足管壓及揚程的條件后，使閥門開度按照一定比例比原來加大，再將原閥門開度信號做為流量控制的參考值，得知管道流量由流量傳感器測定管道流量，轉換成標準的電流信號，主控單元中用于控制泵轉速，改變泵的流量，從而改管道流量。LBP系列高性能智能節能裝置吸收了目前數字控制領域以及電力電子領域內最先進技術，并采用了旁路單元內置的單元結構，節能裝置故障時隨時切換到原系統運行，使裝置運行可靠性大幅度提高。此外，裝置的許多新功能為應用提供了更多解決方案，例如：裝置整體尺寸與原系統的配電尺寸相同、采用長壽命電力電容、中文WINDOWS操作界面、工業標準通訊功能和遠程控功能、電網自動重合后繼續運行、維護方便等等。

1．5電氣結構

系統由控制回路和頻率調節裝置組成，根據不同的場合需要，可配備輸入開關。系統還具有靈活的測量控制組態方式，因而簡化了測量控制線路的結構。

2． 功能特點

2．1主要特點

2．1．1運行回路

如主控單元在運行過程中發生報警，系統將自動旁路該單元，進入原系統運行，系統得以不間斷運行；另外也可根據需要人工切換到備用回路運行。單元旁路后，系統自動記錄報警原因，對應故障報警解決方案幫助菜單，根據記錄相應查找故障點，排除故障。

裝置以在下列故障情況可實現單元自動旁路：

輸出短路
單元過電壓
單元過電流
單元溫度過高
單元程序流程錯誤
單元電源故障

2．1．2 故障主控單元可在線更換————高可靠性

LBP系列高性能智能裝置采用了主備電路，允許在運行過程中在線更換故障單元；操作人員在主控狀態的提示下，通過獨特的機械旁路機構旁路故障單元后，系統繼續運行，可以在線對裝置進行維修，主控單元自動旁路和在線更換單元功能使裝置可靠性大幅度提高。

2．1．3 采用高性能長壽命電容，電容壽命可達10年，高性價比

LBP1000系列高性能智能裝置采用高性能長壽命電容，電容壽命可達10年，高性價比，普通電容一般使用壽命為5年，電力電容在變頻裝置中為重要器件，更換電容的成本和工程費用也相當高，采用高性能長壽命電容不僅提高了系統可靠性和效率，而且經濟性也最優。

2．1．4專用散熱器

針對于運行穩定性要求很高的特殊場合，我們大片的高傳導效率散熱片進行散熱，失散熱效果大大條，大大提高散熱效率，降低IGBT器體的溫升、提高裝置過載能力、減少器件損壞、提高裝置可靠性。

2．1．5 采集、通訊信號斷線檢測功能

LBP系列高性能智能裝置能具有在線檢測斷線功能，當檢測到采集信號、通訊信號斷線后自動報警，自動切換到固定頻率運行，保證系統安全穩定運行。

2．1．6 完善的保護限制措施

單元本身具有如下保護：
輸出短路保護
輸入電壓缺相保護
輸出過流保護
輸入、輸出過壓保護
單元溫度過高保護
保護限制功能：
電動機保護，包括過載、缺相、溫升等
主控單元保護。包括過載、再生能量、風機等
主控所提供的保護功能向用戶開放，保護參數可在線設置

2．1．7對輸入電壓波動適應能力強

輸入電源允許波動范圍為±15%額定電壓

當變頻器輸入電壓在±15%范圍內時，電動機可連續正常工作在額定負荷（不需改動任何接線和設置），變頻器輸出電壓基本保持不變，電動機電流不會增加。

在電壓波動工程中，變頻器和電動機均不需要進行額外散熱。

由于控制單元裝置采用UPS供電，因此控制電源的波動對裝置主控部分沒有影響。

2．1．8強過載能力

標準配置下，LBP1000系列高性能智能裝置均具有1.8倍額定1分鐘的過載能力，而且在1.5倍額定電流情況下,也不會立即保護,只有當輸出電流超過2.0倍時,才立即保護,因此在偶爾過載情況下,變頻裝置不會保護誤動作.

根據特殊情況需要,可提供高至2倍額定過載能力的產品.

2.1.9通風設計

系統為強制風冷結構,驅動柜頂裝配兩臺風機集中通風,單元無散熱風機.

集中通風結構避免了過多單元風機運轉,具有線路簡單、可靠性高、噪音小及節能的特點。

2．1．10 IGBT最新電力電子器件

單元中采用IGBT，是最合適的逆變電力電子器件：

電壓驅動，驅動功率小、驅動線路簡單可靠
開關帶度高，開關損耗小，有利于降低諧波
IGBT線路技術成熟
采用最新TRENCH和SPT工藝IGBT，其導通壓降低、開關損耗更小
采取措施降低IGBT過電壓和過電流，提高可靠性

2．1．11中文WINDOWS操作界面

系統配備真彩色顯示屏，應用程序基于WINDOWS XP，既保證足夠的安全可靠性，又具有友好、完善的操作界面。

在顯示屏上，用戶可根據中文顯示界面，設置和更改參數設置，另外還具有以下增強功能：

查看事件記錄
查看歷史負荷數據和節能分析
查看實時負荷曲線
故障定位、檢查指導

系統還安裝了若干操作按鈕和顯示表計，即使不使用上位機，仍可完成基本的運行、停止、升速和降速操作，表計顯示了電壓、電流、功率和頻率值。

2．1．12對電機無特殊要求

LBP系列高性能智能裝置可廣泛用于各種電動機，包括：

鼠籠式異步電動機
轉子繞線式異步電動機
同步電動機

輸出電壓具有很低的諧波含量，因此不會增加額外損耗，對于風機泵類電動機不需要另外考慮電動機的散熱1.5HZ軟起動，不需降壓起動設備，消除了因全壓起動造成的電動機鼠籠斷條和定子繞組開焊等故障，對電網沖擊也減小/對各種電機均具有良好的起動性能

2．2控制方式

2．2．1 IPC/601H高性能工控機

LBP系列高性能智能裝置的主控部分采用IPC/601H高性能工控機，2.4G HZ高性能處理器。80G硬盤、512M 內存，大大提高運算速度。主控部分的主要任務有：

管理、監控
輸入單元數據采集和主控數據處理
實現各種控制方式
實現主控部分的保護限制功能判斷處理
數字量和模擬量I/0
與外部通訊

2．2．2數字量和模擬量I/0接口

數字量和模擬量接口的標準配置如下：

16路A/D采集模塊，電氣隔離，抗干擾設計，可用于4-20MA、0-5V、0-10V
4路模擬量輸出，各咱均電氣隔離，4-20MA或0-5V可選擇的輸出方式.可編程對應于功率、頻率、電壓、電流等電量
數字量I0可擴充至32路DI、32路DO。
可根據需要擴充輸入輸出接口配置

2．2．3工業標準通訊功能

系統提供兩種通訊功能：

標準的RS485或RS232可選擇的通訊接口，電氣隔離，直接由主控制處理器控制，具有功能全面、控制實時的特點由工控機處理器擴展的通訊接口，根據現場需要，可以是以太網適配器、RS485或RS232等。具有組網方便、適應性強的特點

通過通訊，用戶可控制主控單元裝置的運行、獲行運行和操作數據、改變參數設置。不同的接口具有不同的權限，通過由主控處理器連接的通訊接口可獲得完整的操作控制權限，而擴展的通訊接口可獲得部分控制權限以及進行數據傳輸。

2．2．4 遠程控制、監控

L BP系列高性能智能裝置提供遠程監控，采用原系統的控制方法：

2．3輸出特性

降低輸出電壓諧波具有如下功效：

明顯減小電動機損耗、降低溫升、提高效率
降低電動機脈動電流和脈動轉矩、電動機振動小
對電機絕緣有利，電動機使用壽命提高

2．3．1輸出電流波形

由于輸出電壓諧波含量低、載波頻率高，因此輸出電流也具有良好的正弦波形

2．3．2長線路輸出連接電動機

由于輸出線路分布電容的存在，普通電壓源型變頻器輸出dv/dt高，不能傳輸長線路，否則容易引起電壓振蕩和保護誤動作，LBP系列高性能智能裝置輸出端加裝交流電抗器（200米以上），因此輸出可傳輸長線路。

2．3．3轉矩階躍響應速度快

此裝置是電壓型控制，可以在各種負荷下高功率因數運行，從而可以提高功率因數，減少損耗，顯著優點是輸出轉矩響應速度快，可實現矢量控制。

2．4數據記錄和參數設置功能

2．4．1智能控制裝置運行參數在線整定

LBP系列高性能智能裝置提供的大部分參數可在線整定，例如報警值、保護值、升降速速度。這些參數大致可分為電動機參數和變頻器參數，在很大程度上，系統的運行特性取決于參數設置情況。

參數的設置由兩種途徑：

通過專用的顯示器，此方法操作復雜、不直觀。
通過上位機通訊方式，是最快捷的方式，最直觀的方式，并且有在線的參數設置幫助

2．4．2電量數據在線監測

系統在上位機上提供如下數據處理功能：

輸出電壓和電流、輸入電壓和電流、輸出功率和功率因素、輸入功率和功率因數的顯示

輸出功率的實時曲線

出負荷的歷史數據曲線，有功電度表功能

2．4．3故障自動定位

在保護和故障情況下，系提供故障診斷和自動定位功能，如果由于單元內部保護引起切換，系統將指出是哪個單元因為何種原因引起切換

3. 結構介紹

從結構上看，LBP1000系列高性能智能裝置分主控單元（包括逆變單元部分和主控部分）和切換回路，兩者為整體裝配，由于現場的控制室和動力室分開，此裝置的主控部分、顯示屏安裝在控制室內，主控單元放在動力室內。

3．1裝置安裝方式

驅動裝置外形尺寸緊湊，方便安裝，柜體開門以及單元插拔不碰及兩旁柜體；所有安裝、連接均在柜體前部完成。

4.主要技術指標

三、智能流程泵節能裝置的應用

智能流程泵節能裝置是一種高效節能調速裝置,特別是它可以根據設定信號調節電動機轉速,實現生產自動控制,節電效果顯著,可有力地促進企業節能工作的開展,因而在電機供電控制中得到廣泛應用。下面以我廠催化裝置中的頂循環油泵為例簡單說明控制調速策略。
　　
1、控制流程簡介
　　
頂循環油泵采用一開一備的配置方式,共有P2204A/B兩臺泵（132kw）。在正常情況下,一臺運行另一臺備用,主、備泵的切換通過人工方式手動實現。在供電控制方式上,P2204A實行常規電氣控制,主電源直接供給電動機,P2204B實行智能流程泵節能裝置控制,主電源經過智能流程泵節能裝置后送給電機。系統調節參數為中間產品罐液位,測量位號為LT11205,PID調節回路調節閥LV11205。用一入二出安全隔離柵把信號一分為二，一路送入原回路，一路接入智能流程泵節能裝置，用控制電機轉速和調節閥開度使液位穩定在給定值上。　　

2.　控制方案的實施
　　
該流量在DCS中的控制原理如圖一所示。

3.　節電效果
　　
智能流程泵節能裝置投用后,控制回路的穩定性和可靠性比調節閥有明顯提高,控制偏差大大減小,被控參數波動幅值較小。電機保持中速運行狀態。在電機啟動、控制過程中實行延時斜升、斜降,并且有輸出短路、欠壓、過流、過載過熱等報警跳閘及在線故障診斷功能,保證其運行安全可靠,降低故障率,減少了設備損耗,尤其顯著的是節能效果相當明顯。在正常工況下,投用前后的電氣參數如下:
　　
電機功率132kw，據了解此泵一直未用到最大流量，運行時間24小時/天，一年運行360天，經實際檢測其節電率36%以上。年節電量（按36％）計算如下：

W原用電 =24×360×（380×156×1.732）×0.85 =754272（Kw.h）

W現用電 =24×360×（350×116×1.732）×0.96 =580608（Kw.h）

W節電＝754272－580608＝173664（Kw.h）

從以上可以看出,使用該裝置后功率節省173664kw.h, ,若按電價0.55元/kwh計算,每年節約電費97251元。不到一年可收回投資。該裝置的使用取得了非常明顯的節電效果。
　　
四、結束語
　　
實際應用證明智能流程泵節能裝置的使用取得意想不到的效果,特別是企業正在為降低生產成本提高經濟效益而大量采用新技術的今天 ,將會有更加廣闊的應用前景。該裝置投入運行已近一年未出現質量問題。