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礦山用電泵節(jié)能控制*

鄭龍平，李光耀

(上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究工程中心有限公司，上海200063)

摘要針對(duì)泵站的電耗因素分析，給出電耗計(jì)算關(guān)系式，并通過軟件程序計(jì)算電泵耗電量；加入自動(dòng)化儀表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)，反饋到程序軟件中得出實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果，通過調(diào)速使得電泵耗電量達(dá)到理想節(jié)能值。

關(guān)鍵詞電泵；節(jié)能；耗電量；調(diào)速裝置

0引言

礦山用電泵節(jié)能控制主要是節(jié)省電泵的耗電量，耗電量與水泵的流量、壓力，管網(wǎng)的管道直徑大小、閥門數(shù)量及其布置、電機(jī)的輸入、輸出功率等參數(shù)有關(guān)。因此，礦山用電泵的節(jié)能運(yùn)行，需通過對(duì)供水系統(tǒng)的工藝要求(壓力、流量等)和設(shè)備參數(shù)(泵、電動(dòng)機(jī)、閥門、調(diào)速裝置)的合理匹配與調(diào)節(jié)，使得輸送水系統(tǒng)百米噸水耗電量為最小值，這樣電泵系統(tǒng)整體運(yùn)行效率最高。

1電泵節(jié)能控制耗電量計(jì)算

電泵的噸水電耗表達(dá)式[1]

(1)

式中，W—噸水電耗值(kw.h/m3)；H(Q，t)—泵站提供的總揚(yáng)程(m)；H0(Q，t)—工藝要求泵站的總揚(yáng)程(m)；ηmax(Q，H)—泵站設(shè)備整體運(yùn)行的最大效率(%)，該效率不是所有設(shè)備最高效率的乘積，它是指在對(duì)應(yīng)工況(Q,H)，在所有可能的調(diào)節(jié)手段中能達(dá)到的最高效率。式中第一部分代表泵所能實(shí)現(xiàn)的最小噸水電耗；第二部分代表了當(dāng)前工況下，泵站存在的節(jié)電能力。

△H(Q,t)是泵站浪費(fèi)的寬裕揚(yáng)程

△H(Q,t)=H(Q,t)-H0(Q,t)

(2)

△η(Q,H)是泵站實(shí)際整體運(yùn)行效率η(Q,H)與最大效率ηmax(Q,H)之間的差值，即效率偏差

△η(Q,H)=ηmax(Q,H)-η(Q,H)

(3)

η(Q，H)是流量Q與揚(yáng)程H的函數(shù)，它的表達(dá)式如下

η(Q，H)=ηD(Q，H)×ηS(Q，H)×ηC(Q，H)×

ηT(Q，H)×ηG(Q，H)

(4)

式中，ηD(Q，H)—電機(jī)運(yùn)行效率；ηS(Q，H)—水泵運(yùn)行效率；ηC(Q，H)—傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行效率；ηT(Q，H)—調(diào)速裝置運(yùn)行效率；ηG(Q，H)——管網(wǎng)運(yùn)行效率。

調(diào)速裝置效率計(jì)算：電源輸入調(diào)速裝置視在功率S

(5)

式中，Ur—電源輸入線電壓；Ir—電源輸入線電流。

調(diào)速裝置的輸入功率PT1計(jì)算

(6)

式中,cosφ—供電電源的功率因數(shù)。

調(diào)速裝置輸出功率PT2，在此需將不同頻率負(fù)載下輸入功率與效率曲線導(dǎo)入引用,以便根據(jù)輸入功率和效率計(jì)算出輸出功率PT2

PT2=PT1×ηT

(7)

式中,ηT—此輸入功率對(duì)應(yīng)調(diào)速裝置的效率，也可將調(diào)速設(shè)備上自動(dòng)顯示的電流、電壓進(jìn)行計(jì)算。

(8)

式中，Ur—電源輸入線電壓；Ir—電源輸入線電流；變頻器的輸入電壓是不變的，輸出電壓和輸出頻率，呈正比關(guān)系。

電機(jī)效率計(jì)算：電機(jī)輸入功率PD1等于調(diào)速裝置輸出功率PT2

PT2=PD1

(9)

在此需將不同頻率負(fù)載下輸入功率與效率曲線導(dǎo)入引用,以便根據(jù)輸入功率和效率計(jì)算出輸出功率PD2

PD2=PD1×ηD

(10)

式中，PD1—電機(jī)輸入功率；ηD—此輸入功率對(duì)應(yīng)電機(jī)的效率，電機(jī)效率ηD還可按如下計(jì)算

(11)

式中，∑PD—電機(jī)總損耗。

∑PD=PFe+Pcu1+Pcu2+PFw+PS

(12)

式中，PFe—電機(jī)某工作點(diǎn)鐵耗與電機(jī)額定設(shè)計(jì)值一致；PCu1—電機(jī)某工作點(diǎn)定子銅耗；PCu2—電機(jī)某工作點(diǎn)轉(zhuǎn)子銅耗；PFw—電機(jī)某工作點(diǎn)機(jī)械耗與電機(jī)額定設(shè)計(jì)值一致；Ps—電機(jī)某工作點(diǎn)雜散損耗與電機(jī)額定設(shè)計(jì)值一致。

電機(jī)某工作點(diǎn)定子銅耗 PCu1計(jì)算

PCu1=IC2R1

(13)

式中，R1—定子相電阻。

電機(jī)某工作點(diǎn)轉(zhuǎn)子銅耗PCu2計(jì)算

PCu2=sPem

(14)

式中，s—轉(zhuǎn)差率；Pem—電磁功率。

電磁功率Pem計(jì)算

(15)

式中，PN—電機(jī)額定功率。

轉(zhuǎn)差率s計(jì)算

(16)

式中，n—實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速；nN—同步轉(zhuǎn)速。

當(dāng)設(shè)備中沒有調(diào)速裝置，電機(jī)輸入功率PD1計(jì)算

(17)

式中，cosφ—供電電源的功率因數(shù)；S—電源輸入電機(jī)視在功率。

(18)

式中，Ur—電源輸入線電壓；Ir—電源輸入線電流。

水泵效率ηS計(jì)算

(19)

水泵輸入功率(軸功率)PS1等于電機(jī)輸出功率PD2

PD2=PS1

(20)

水泵的有效功率即輸出功率PS2

PS2=ρgQH×10-3

(21)

式中，ρ—液體密度(kg/m3)；g—重力加速度(kg/s2)；Q—泵的實(shí)際流量(m3/s)；H—水泵的總揚(yáng)程(m)。

(22)

式中，P2、P1—水泵出口、進(jìn)口壓力(pa)；Z2、Z1—水泵出口、進(jìn)口壓力表高度差(m)；V1、V2—水泵進(jìn)口、出口處液體流速(m/s)。

水泵與電機(jī)通常采用聯(lián)軸器傳動(dòng)或同軸直連，本課題傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用聯(lián)軸器連接，聯(lián)軸器傳動(dòng)效率ηC取99.5%，見表1。

表1　聯(lián)軸器傳動(dòng)效率表

管網(wǎng)效率ηG計(jì)算

(23)

式中，H1—調(diào)節(jié)閥引起的揚(yáng)程損失(m)。

(24)

式中，P3—調(diào)節(jié)閥后出口壓力(pa)；Z3—調(diào)節(jié)閥后出口壓力表高度(m)；V3—調(diào)節(jié)閥后處液體流速(m/s)。

若無調(diào)速裝置系統(tǒng)效率ηX

ηX=ηD×ηS×ηC×ηG×100%

(25)

2電泵節(jié)能控制

電泵節(jié)能控制與工藝要求和設(shè)備自身的調(diào)節(jié)能力有關(guān)。

2.1在帶有調(diào)速裝置的泵站系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速(n1/n2=Q1/Q2)或開泵臺(tái)數(shù)，目前調(diào)速方法主要分兩大類：(1)電動(dòng)機(jī)直接調(diào)速的，其主要包含：替換高效電機(jī)、變頻器調(diào)節(jié)頻率、變極電機(jī)調(diào)速、內(nèi)饋串級(jí)調(diào)速、相控調(diào)壓及增減電機(jī)功率，其中變頻調(diào)速運(yùn)用最為廣泛，因其變頻范圍寬。(2)恒速電動(dòng)機(jī)帶傳動(dòng)調(diào)速裝置調(diào)速，其主要包含：液力耦合器調(diào)速，液體粘性調(diào)速離合器調(diào)速，電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速。

2.2在沒有調(diào)速裝置的情況下，由于設(shè)備自身特性同工藝要求不一定匹配，所以泵站輸出的揚(yáng)程也不一定等于工藝要求的揚(yáng)程，這樣將有一部分富裕揚(yáng)程被浪費(fèi)，比如通過開關(guān)泵調(diào)節(jié)供水揚(yáng)程時(shí)，關(guān)一臺(tái)泵揚(yáng)程不夠，而再開一臺(tái)泵揚(yáng)程又寬裕很多，這時(shí)只能采取揚(yáng)程富裕的運(yùn)行方式，再通過閥門調(diào)節(jié)供水揚(yáng)程，電泵節(jié)能工作原理圖如圖1、圖2所示。

圖1　電泵節(jié)能工作原理(有變頻器的情況下)

圖2　電泵節(jié)能工作原理(無調(diào)速裝置的情況下)

3電泵節(jié)能工作特點(diǎn)

設(shè)定流量參數(shù)(起始設(shè)置為額定流量)及輸入工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)，結(jié)合程序計(jì)算軟件，計(jì)算公式來源于式(1)～式(25)，計(jì)算泵站的噸水耗電量，并結(jié)合程序軟件統(tǒng)計(jì)，得出系統(tǒng)耗電量最小值時(shí)的流量。電泵運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過自動(dòng)化儀表(壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、功率表等)將測(cè)試數(shù)據(jù)通過RS485協(xié)議型式傳送到PLC進(jìn)行計(jì)算，泵站系統(tǒng)控制示意圖如圖3所示。

圖3　泵站系統(tǒng)控制示意圖

4電泵節(jié)能原因

從式(1)可知，泵站的節(jié)點(diǎn)能力主要是由于存在富裕揚(yáng)程△H(Q,t)和效率△η(Q,H)偏差所造成，對(duì)于富裕揚(yáng)程我們應(yīng)用調(diào)速技術(shù)取代開關(guān)泵調(diào)節(jié)方式和閥門調(diào)壓方式，以避免富裕揚(yáng)程的產(chǎn)生。但在過程中，如果采用目前常規(guī)的調(diào)節(jié)手段可能會(huì)造成泵站的效率△η(Q,H)偏差增加，使得電耗不減小，從而節(jié)能達(dá)不到理想值，現(xiàn)針對(duì)泵站運(yùn)行狀況分析

泵站系統(tǒng)配泵原則通常都是由工作-備用-檢修，至少3臺(tái)泵，普通泵站基本配套5臺(tái)泵。對(duì)于礦山中多數(shù)一臺(tái)泵運(yùn)行，如本課題試驗(yàn)基地某煤礦有兩口井，一個(gè)揚(yáng)程530m，一個(gè)揚(yáng)程788m，每個(gè)井下配套工作排水電泵5臺(tái)，每天每口井都只有一臺(tái)電泵工作，工作時(shí)間12h左右。

4.1對(duì)于單電泵工作的系統(tǒng)，如果沒有調(diào)速手段，當(dāng)管網(wǎng)用水量變化時(shí)，泵站靠閥門調(diào)節(jié)出水，都將會(huì)有富裕揚(yáng)程的產(chǎn)生，這是由于水泵選型設(shè)計(jì)時(shí)留有一定的裕度，所以水泵在實(shí)際工作時(shí)是在額定點(diǎn)以下工作，從圖4可以看出。

圖4　水泵的Q-H特性曲線

當(dāng)流量Q減小時(shí)，水泵揚(yáng)程H將升高，由此會(huì)產(chǎn)生富裕揚(yáng)程即泵站揚(yáng)程高于工藝要求的揚(yáng)程H0(Q,t)。用調(diào)速方式取代傳統(tǒng)的閥門調(diào)節(jié)，從式(1)可看出，由于單泵運(yùn)行系統(tǒng)中，系統(tǒng)總效率η(Q,H)等于ηmax(Q,H)即△η(Q,H)等于零，同時(shí)增加調(diào)速裝置△H(Q,t)也等于零，所以單泵調(diào)速后節(jié)電部分都為零，故此節(jié)能效果最好。在此單泵系統(tǒng)本身若按額定轉(zhuǎn)速且無富裕揚(yáng)程，則加入調(diào)速裝置會(huì)費(fèi)電，因調(diào)速裝置自身會(huì)使系統(tǒng)整體效率下降。

4.2在多泵并聯(lián)運(yùn)行的電泵系統(tǒng)中，如果泵站供水揚(yáng)程富裕即式(1)中△H(Q,t)不為零，此部分可通過調(diào)速消除，調(diào)速過程中可能導(dǎo)致△η(Q,H)增加，從而使得ηmax(Q,H)也增大，以致可能抵消富裕揚(yáng)程減小帶來的節(jié)電效果。

5結(jié)語

在單泵運(yùn)行系統(tǒng)中，只要有一定的富裕揚(yáng)程，調(diào)速運(yùn)行節(jié)能是肯定的。在多泵并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)中，富裕揚(yáng)程的存在是調(diào)速運(yùn)行可以節(jié)電的一重要因素，無富裕揚(yáng)程，只要△η(Q,H)不為零就行，用最小耗電量為最終目標(biāo)不斷調(diào)節(jié)流量就可以達(dá)到目的。

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占據(jù)一席之地，為我公司國際市場(chǎng)的開發(fā)又添一筆重要業(yè)績(jī)，也進(jìn)一步增強(qiáng)了我公司開發(fā)國際市場(chǎng)的信心。

Energy Saving Control of Mine Electric Pump

ZhengLongpingandLiGuangyao

(Shanghai Engineering Research Center of Motor System Energy Saving Co., Ltd.,Shanghai 200063, China)

AbstractIn this paper, relational expression of calculating power consumption is given out by analyzing its factor of pump station, and power consumption of the electric pump is calculated by using software programs; the real-time operating data is monitored by the added automotive instrument, and then real-time result is obtained by feedback data in program software. An ideal energy saving values of electric pump power consumption are reached by speed adjustment.

Key wordsElectric pump；energy saving；power consumption；speed regulation device

收稿日期：2015-03-11

作者簡(jiǎn)介：鄭龍平男1984年生；畢業(yè)于南昌工程學(xué)院.現(xiàn)從事大中型高壓電機(jī)產(chǎn)品研究工作.

中圖分類號(hào)：TM301.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-7281(2015)03-0012-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.03.04

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃課題項(xiàng)目編號(hào)：2013BAF01B01