水泵變頻調速技術研究與應用

大慶石油管理局供水公司生產協調部 　杜安 劉睿誠
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，而其中輸配水環節的電費約占總電費的70%左右，因此，如何調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濟合理的范圍內，是節能工作的重點。我們始終積極探索，認真研究，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。當初設計時，考慮到中長期規劃和最不利水量、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、二期工程設計供水量為50萬立方米/日。由于油田限產，外網用水量逐年下降，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阻力相當，則機泵就會超負荷運行。因此，取水廠只能靠調整出口閘門來控制泵壓，使水泵能在高效區運行。如此運行不僅增大了閘門的水頭損失，浪費了大量電能，而且如果閘門節流調整不適當，機泵就很容易偏離高效段或超載運行，導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，關閉閥門可控制流量，當流量減小時，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需要多得多，多余的能量在閥上表現為熱量損耗，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。調節泵出口閥開度來減小流量，能量損失相當大。


　　利用變頻器調速，可使電動機驅動泵變速運行，泵的特性曲線與系統在任何流量下的需要相匹配，流量與電機轉速成正比，產生的壓差與轉速度的平方成正比，如圖2所示，無級變頻調速后可得到AB—CD無數條水泵特性曲線，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水量變化相適應，在較小的揚程下達到P、Q、R、S點所對應的流量，而且只損失很少的能量，其節能效果相當可觀。
　　對于同一臺葉片式水泵有如下規律：
　　　　Q1/Q2=n1/n2 H1/H2=(n1/n2) 2 N1/N2=(n1/n2 ) 3
　　龍虎泡取水廠1#、3#、6#泵均為進口大泵，其電機轉速分別為748 r/m，745 r/m，750 r/m。
　　如果3#泵調速到500 r/m，則其流量、揚程及功率參數如下：
　　　　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
　　如果調速到550r/m，則Q=4663立方米/小時，H=34米，N=547千瓦，調速后泵參數基本適合目前工況。當然，以上計算是在假定系統的管路特性曲線不變的情況下進行的，安裝變頻調速設備后，泵出口閥門可以全部打開，系統的管路特性曲線將向外偏移，那么調速后的泵運行參數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、變頻調速方案的節能估算
　　水泵的耗能計算公式為：P=(K×H×Q)/ η K:為裕度系數 η：效率
　　假設水泵的實際壓力由目前的5.8公斤調速降至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。
　　變頻調速降至2.5公斤后，年耗電電費為：478×43％＝205.54萬元，年節省電費為478－205.54＝272.5萬元。初步看來節能效果相當可觀。
5、方案確定
　　考慮到中引一泵的實際條件，經過認真計算，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的高壓大功率變頻器。該變頻器各項性能指標滿足水泵工藝要求，可靠性較高，且改造時間短、見效快。
　　具體方案為關閉一期和二期之間的聯絡閥門，二期管網獨立運行，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鎖和PLC的邏輯互鎖，能保證機組安全運行。恒壓控制，閉環運行，二期管網壓力為0.1MPa；采用閥門聯動自動控制，具有冷卻水流量檢測保護功能。
6、改造后，6#泵高壓變頻調速裝置試運行情況
　　2002年1月6日，北京利徳華福技術人員和取水廠的有關人員對6#泵的變頻調速裝置進行了試運，試運行情況如下：
　　　　　　　　　　　　

　　試運之后，我們設定頻率為30赫茲開環運行，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，變頻器運行穩定，功能齊全，操作簡便，完全滿足實際工況要求，達到了預期的設想結果。
7、改造后的節能檢驗
　　節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。
　　現在3#泵工頻運行，6#泵變頻運行（30HZ），匯管閥門關閉，兩臺泵單獨運行。以2002年1月9日19：00時——14日7：00時的記錄為依據計算結果如下；
　　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的高壓變頻器，內置了西門子公司的S7－200系列PLC，在現場實現外部邏輯控制時，非常方便。例如：閥門聯動功能使值班人員，在啟、停泵時無需再對閥門進行任何操作；減少了工作量和誤操作；冷卻水流量保護功能保證了水泵電機安全穩定的運行。
　　2）6＃泵變頻改造后，電機的轉速、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的沖擊，延長了設備的使用壽命，降低了設備的維修費用。
　　3）變頻器采用壓力閉環控制，保證管網水壓0.1MPa。由于變頻器的調速平滑，控制精度高，所以管網壓力波動范圍很小，能充分滿足現場供水工藝要求。
　　4）利徳華福公司生產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）上位機的監控功能和遠程撥號監控功能為用戶實現集中監控創造了必要條件。
9、結論
　　經過實踐的證明，這次龍虎泡取水廠的水泵變頻改造是成功的，取得的經濟效益和社會效益是顯而易見的。一是節約了大量電能，降低了供水成本；二是增大了系統可調范圍，提高了系統運行的靈活性；三是降低了水泵電機的轉速，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，改善了工作環境；五是智能化的聯動功能和完善的故障保護功能，即提高了工作效率，又增強了系統安全可靠性。
　　所以，高壓大功率變頻調速技術是一項利國利民、有廣泛應用前景的高新技術，用于供水行業的水泵調速或恒壓供水系統，具有重大的現實意義。這種高壓大功率變頻調速裝置，必將成為未來供水行業節能、改造的首選設備！