抑能節(jié)電裝置在水泵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

瞿淑琴 程 虎

(中國(guó)石油蘭州石化分公司動(dòng)力廠，蘭州 730060)

水泵是石油化工企業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的動(dòng)設(shè)備[1]，也是消耗電能主要負(fù)載的一部分，在電能消耗中占有一定額度的生產(chǎn)費(fèi)用開(kāi)支。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和經(jīng)濟(jì)改革的不斷深入，節(jié)能、減排、降耗已成為降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段之一。筆者介紹了水泵控制的運(yùn)行現(xiàn)狀，給出了節(jié)電裝置配置方案，并分析了其節(jié)電效果。

1 水泵控制運(yùn)行現(xiàn)狀①

企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，水泵的控制以電氣元件直接控制為主，運(yùn)行狀態(tài)為工頻狀態(tài)。水泵運(yùn)行時(shí)工作點(diǎn)的參數(shù)由水泵特性曲線(xiàn)和管路特性曲線(xiàn)共同決定。工況調(diào)節(jié)是用一定的方法改變水泵特性曲線(xiàn)或管路特性曲線(xiàn)，用以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)流量變化的要求。改變管路特性曲線(xiàn)最常用的方法是改變管路中的閥門(mén)開(kāi)度，從而改變管路阻力特性，使管路特性曲線(xiàn)變陡或變緩，以達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。

在水泵特性曲線(xiàn)上，對(duì)應(yīng)任意流量點(diǎn)都可以找到一組與其相對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程、功率和效率值，通常把這一組相對(duì)應(yīng)的參數(shù)稱(chēng)為工況，其對(duì)應(yīng)最高效率點(diǎn)的一組工況稱(chēng)為最佳工況[2]。在生產(chǎn)實(shí)踐中，水泵的運(yùn)行工況點(diǎn)是由管路特性曲線(xiàn)和水泵特性曲線(xiàn)確定的(圖1)。在選擇和使用泵時(shí)，要使水泵在高效區(qū)運(yùn)行，以保證其運(yùn)轉(zhuǎn)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

圖1 管路特性曲線(xiàn)與水泵特性曲線(xiàn)

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中往往采用改變水泵出口閥門(mén)開(kāi)度的方法控制給水流量，即節(jié)流調(diào)節(jié)，也就是在水泵特性曲線(xiàn)不變的情況下，改變管路特性曲線(xiàn)，產(chǎn)生水泵新的工況點(diǎn)。水泵各參數(shù)的變化如圖2所示。其中曲線(xiàn)Ⅲ為離心泵出口調(diào)節(jié)閥開(kāi)度最大時(shí)的管道特性曲線(xiàn)，此時(shí)離心泵的工作點(diǎn)為B，流量為qvB；將閥門(mén)關(guān)小，管路阻力增加，管道特性曲線(xiàn)變?yōu)榍€(xiàn)I，此時(shí)離心泵的工作點(diǎn)變?yōu)锳，流量為qvA。從圖2可以看出：采用節(jié)流調(diào)節(jié)離心泵流量時(shí)，有一部分揚(yáng)程消耗在閥門(mén)節(jié)流時(shí)產(chǎn)生的附加阻力損失上，因此水泵A點(diǎn)的工作效率要低于B點(diǎn)的。

圖2 水泵各參數(shù)的變化

水泵負(fù)載運(yùn)行過(guò)程中存在較大的電能損耗，主要表現(xiàn)在：現(xiàn)場(chǎng)流量由閥門(mén)控制，在閥門(mén)和擋板上功率消耗非常大；負(fù)荷管路較長(zhǎng)，管路損耗大；負(fù)荷端功率因數(shù)低，熱阻損耗大，支路中cosΦ<0.75(Φ為功率因數(shù))；水泵啟停過(guò)程的瞬變電壓、浪涌電流超標(biāo)。因此水泵負(fù)載在實(shí)際應(yīng)用中存在較大的節(jié)能空間。

2 節(jié)電裝置配置方案

以某污水處理廠的3臺(tái)水泵作為節(jié)電裝置應(yīng)用試點(diǎn)，選擇3#水泵安裝在EP-01- 45kW Effect Power抑能-水泵節(jié)電器上，7#水泵和9#水泵安裝在EP-01-132kW Effect Power抑能-水泵節(jié)電器上，且都采用三相四線(xiàn)的串聯(lián)接線(xiàn)方式。

抑能-水泵節(jié)電器采用優(yōu)化空間矢量PWA控制，對(duì)工頻電源進(jìn)行逆變后，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)并進(jìn)行調(diào)速，以最適宜的轉(zhuǎn)速為流體提供動(dòng)力，滿(mǎn)足負(fù)載對(duì)流體的需求，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。同時(shí)抑能-水泵節(jié)電器采用PID閉環(huán)控制[3](圖3)，當(dāng)受控客體受到干擾影響時(shí)，其實(shí)現(xiàn)狀態(tài)與期望狀態(tài)出現(xiàn)偏差，控制主體將根據(jù)這種偏差發(fā)出新的指令以糾正偏差，抵消干擾作用。該節(jié)能配置方案通過(guò)采集管道中的流量或壓力參數(shù)，送入水泵節(jié)電器的DSP進(jìn)行分析處理，再根據(jù)設(shè)置好的程序進(jìn)行PID控制，提高了流量或壓力精度。

圖3 抑能-水泵節(jié)電器閉環(huán)控制原理

3 數(shù)據(jù)采集與效果分析

根據(jù)節(jié)電裝置的運(yùn)行情況和原理，采用美國(guó)福祿克43B多功能表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過(guò)對(duì)比節(jié)電設(shè)備投入前后的參數(shù)差，從而計(jì)算平均節(jié)電率。為保證數(shù)據(jù)采集的可對(duì)比性，測(cè)試前后需在同一負(fù)荷下進(jìn)行，且多功能表要固定在同一測(cè)試位置。節(jié)電率的計(jì)算式為：

數(shù)據(jù)測(cè)試點(diǎn)為某污水處理廠的3#、7#、9#水泵，分別測(cè)試節(jié)電器投入前后的電流和功率參數(shù)。節(jié)電狀態(tài)下和不節(jié)電狀態(tài)下的參數(shù)分別測(cè)試3組，每組兩天，每天早、中、晚測(cè)試3次。表1為其中一組的測(cè)試數(shù)據(jù)和節(jié)電率。從表1可以看出，整體系統(tǒng)節(jié)電效果可達(dá)20%以上。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)及節(jié)電率對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況和測(cè)試數(shù)據(jù)，在同等工況條件下，按照每年運(yùn)行6 000小時(shí)、電費(fèi)0.69元/(kW·h)計(jì)算，未加入節(jié)電器時(shí)電費(fèi)為(16.6+97.5+103)× 6000×0.69=898794元，加入節(jié)電器時(shí)電費(fèi)為(12.2+73.1+77.5)×6000×0.69=673992元，共節(jié)約電費(fèi)224 802元，為節(jié)電器投運(yùn)之前的25.01%。同時(shí)加裝節(jié)電裝置后，節(jié)電裝置輸出電壓穩(wěn)定，功率因數(shù)提高，運(yùn)行電流大幅度下降，有效提高了整體用電系統(tǒng)的使用效率，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，系統(tǒng)運(yùn)行安全性能提高。

[1] 侯振宇，屈世棟.循環(huán)水泵振動(dòng)原因分析及解決措施[J].化工機(jī)械，2010,37(5):666～667.

[2] 李寧，劉啟新.電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[3] 劉竹溪，劉景植.水泵及水泵站[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.