提升泵的变频调速改造

提升泵的变频调速改造 王瑞 娟 太原经济技术开发 总公 司山西太原 0 3 0 0 3 2 摘要 通过介绍森兰变频器在污水回用工艺中的应用 简述 了变频调速的基本 原理和供水系统流量的调节方法 分析了水泵变频节能的效果 总结了在水泵变频 改造 时确 定改造方案的经验 关键词 变频调速 供水系 统 离心水泵 节能 改造 王瑞娟 1 9 6 8 一 女 工程师 1 9 9 0年毕业于太原工业大学电机系 电气自动化专业 现在太原经济技术开发总公司工作 7 4 l 石 油 和 化 工 设 置 200 08 交流变频调速是 交流电动机 调速的重要措 施之一 采用变频 器 进 行 无 级 调 速 已广 泛 应 用 于 通 用机械 印染 纺织 造纸 轧钢 化工等行业 不仅满足 了对工艺 的 自动调控 而且起 到了显 著的 节能效果 由于水泵 风机类 负 载 其耗 电量 约 占全国工业 用电 的 6 0 以上 所以风机水泵成为变 频节能的主要 应用领域 对现有 风机 水泵进行变频调速改造 已 成为许多企业 节能降耗 降低生 产成本 的首选措施之一 1 问题的提出 在污水 回用工艺 中 进厂污 水需被提升至高差在 5 6 m的生 物接触 氧化池 中进行 生化处 理 因此在工艺流程中设置了提升泵 完成对 污水 的提升 工艺流程是 按污水处理能力为 l O 0 0 m 3 h 来设计 的 但 回用水 的生产不同于一般 的污水处理 前者是为用户提供 生产用水 追求的是经济效益 而 后者则是达标排放 实现 的是社 维普资讯 会效益 所 以回用水 的生产量必 须根 据 用 量 进 行 适 时 的调 整 以 节能降耗 降低生产成本 实现有 效利润 另外 提升泵等设备的选 型依据 的是设备的理论工作状态 而泵 的实 际运行特性必须结合管 阻特性 工艺中提升泵型号为 3 5 0 S 一 2 6 A 9 0 其扬程为 2 3 i n 流量为 1 0 0 0 m 3 选型比较保守 在实际操 作时即不利于工艺调控 亦造成 大量能源 的浪费 为解决这一问 题 经市场调查 综合变频器的价 格 性能 可靠性 容量 可操作 性及注意事项 进行 了节能预测 决定对提升泵进行变频调速改造 当平滑改变异 步电动机 的供 电频率 f 时 可改变电动机转子的 转速 n 而水泵 的相似原理如下所 示 Q 2 Q 1 n 2 n 1 H 2 H1 n 2 n 1 2 P 2 P l n 2 n 1 其 中 Q一水泵 的流量 H一水泵的扬程 P一 水泵的轴功率 n 一水泵 的转速 由此可知 基 于对转速 的控 制 可方便地对泵的流量 扬程及 轴功率进行调节 从 而有效地节 约电能 2 变频调速的工作原理 3 供水系统的调节方法 交流异步电动机的转子转速 n 可以由下式表示 n 6 0 f 1 一 s p 一一 I 其中 f 一定子供电电源的频 室 P 一 电动机的极对数 s 一异步电动机的转差率 供水 系统 的特性必须综合其 扬程特性和管阻特性来确定最佳 工作点 众所周知 扬程特性是以 管路 中的阀 门开度不 变为前 提 讨论在某一转速下扬程与流量 的 关系 其特性曲线 H f Q 如图 I 所示 用户用水流量越大 管路中的 磨擦损失也越大 供水系统的扬程 将越小 水泵的转速下降 扬程特 性将下降 其供水能力也下降 而管阻特性则是 以水泵 的转 速不变 为前提 讨论 阀门在某一 开度下 的扬程与流量 的关系 其 特性曲线 H f Q 如图2所示 管 阻特性 曲线 的近似表达式 为 H H A K n Q 一一 一 3 其中 H一水泵的扬程 HA一水泵 的空载扬程 Q一额定流量 Kn一管阻系数 其大小与管 路结构及 阀门开度等有关 供水系统要保证 向用户供水 必 须保证具备不 低于空载扬程的 实际扬程 否则 将不足以克服 管 路 的管阻 当阀门关小时 管阻系 数将增大 管阻也增大 在相同的 扬程下 流量将减小 综上所述 流量 既和转速有 关 也和阀门的开度有关 要使供 水 系统能稳定运行 保证供水平 f 2 0 0 8 0 8 I石油和化工设置I 7 5 维普资讯 一 一 囊 改值 系统工作在 N点 或 C点 由此 供水系统流 量的调节有阀 门控制 法和转速控制法 阀门控制法是 在保 证转速不 变的前提下 通过调节 阀门开度 来调节流量 其实质是水泵本身 的供水能力不变 只是 通过改变 水路 中的管阻大小来 强行 改变 流量 以适应用户对流量的需求 这时 管阻特性将 随阀门开度的 改变而改变 但扬程特性则不变 如图3所示 曲线 是额定转速下 的扬程特性 曲线 是阀门全开 时的管阻特性 N为工作点 假设 用水流量由 Q N减少为 Q B 当通过 关小阀门来 实现 时 管阻特性将 改为曲线 而扬程特性则仍为 曲线 故供水系统 的工作点移 至B点 这时 流量减小为 Q B 扬 程上升为 H B 所以阀门控制时 供 水 系统 的工作点是在额定转速 的 扬程特性 曲线 上移动 其供水 功率 P B与面积 O E B F成正比 转速控制法则是 在保持阀门 开度不变 通 常为最大开度 时 通过改变水泵 的转速来调节流量 76 I 石 油 和 化 工 设 置 20o8 o8 其实质是通过改变水泵的供水能 力来适应对流量的需求 当水泵 的转 速改变 时 扬程特性将随之 改变 而管阻特性不变 仍假设流 量由 Q N减小为 QB 当转速降低 时 扬程特性下降为曲线 管阻 特性则仍为曲线 工作点移至 C 点 这时 流量减小为 QB 扬程 减小为 HC 所 以转速控制时 供 水系统 的工作点是在最大开度的 管阻特性 曲线 上移动 其供 水 功率 P C与面积 O E C H成正比 从对上述两种 流量调节 方法 的分析中可以看出 在所需流量小 于额定流量的情况下 转速控 制 时扬程将 减小 而 阀门控 制时扬 程将增大 所以 转速控制方式所 需的供水功率 比阀门控制方式 小 得多 两者之差A P便是转速控制 方式节约的供水 功率 它与面积 H C B F 图中阴影部分 成正比 这 就是变频调速所体现的节能效果 4 提升泵变频调速的实现 恒 压供水 时 由于管道 内水 压 P的变化反映了供水能力和用 水需求 的平衡 所 以压力就成为 控制流量大小 的参变量 其实现 只需在水泵 出口设一个压力控制 值 便可方便地实现恒压供水 这 一 方式多用于密闭管 网系统 而 污水 回用工艺的管 网则是一个 敞 开式的管网系统 污水位差近 6 米 另外 流量是根据用户的需求在 某一时期为一个恒定值 这就使 管 网压力不确定 采用对管网压 力 的测控来 实现对 流量 的调控 其实现难度较 大 而污水 回用工 艺 中提升泵的出水 口设 有压力表 和流量表 要求流量需在 5 0 0 1 0 0 0 m 3 h内可调 并保证在某一流量 维普资讯 下恒流运行 同时保证在任一恒 流运行时满足最低扬 程 根据工 艺调控要求 在对提升泵变频 调 速改造时 以恒压供 水理论为依 据 结合设备 管网现状 采用了 变频变压 变流量 的供水方式 变压供水控制原理和恒压供水 相 同 不同的是压力的设置 变压供 水使水泵的扬 程不确 定 而是沿 管阻特性曲线移动 参见图 3 当 流量由Q N Q B时 自动将转速调 至 n 工况点在 C点 变压供水理 论上避 免了流量减小 时扬程 的浪 费 只是将保证水泵 的出 口压力 恒定变成保证供水系统控制点 的 压力恒定 要确保工艺运行 控制 点 的压力必须使水泵满足管 网最 不利点压力所需的扬程 但 由于 管 网最 不 利 点 往 往 距 泵 较 远 远 传信号不方便 计算确定控制点 太复杂 针对离心水泵具有 流量 大时扬程小 流量小时扬程大 的 特性 将对控制 点的压力测控直 接转 为对 水泵 出 口流 量 的测 控 由 P L C上位机按工艺参数确定流 量 经 P I D运算控制变频器 对 提升泵进行调速 变频器选用森 兰 S B 6 1 G 9 0 经反复调试 确定水 泵在额定转速下运转 流量为最 大 阀门开度调至 4 5 时可满足 管网最不利点 即变流变压供水 方 式 下 的 压力 控 制 点 所 需 的扬 程 在 P L C上位机 中设定供水系 统的运行参数 阀门最大开度为 4 5 运行频率保证在 4 5 6 0 H z 最低不得小于 3 0 Hz 供水系统框 图如 图 4所示 目标信号 xT由上位机给定 流量变送器 Q P反馈回来的信号 X F 接至P L C上位机 该信号是一个反 映实 际用水量 的信号 二者总处 于相 比较 的状态 通过上位机 的 P I D调节 使 X F无限接近 X T 当 用水流量减小 Q G Q U时一 X F T X T X F f n Q G 一 QG Q U 供水能力与用水流 量达到平衡 反之 当用水量增加 Q G Q U时一 x F 一 X T x F T f T n T Q G T Q G Q U 达 到新的平衡 5 变频改造后的运行效果 提 升泵 变频 调速改造经过运 行测试 不仅补救 了设备选型的 失误 而且工艺调控方便 减少 了工作量和误操作 充分满足了 工艺要求 另外 电机的转速 电 流 水 泵 的 出 口压 力 都 明显 下 降 使 电机水 泵的运行状况明显 改善 大大地 节约了 电能 同时 由于变频器的软起 动功能 减少 了对 电机和 电网的冲击 延长了 设