循環(huán)冷卻水系統的復合節(jié)電方式實踐

李 毅，楊 浪，譚春江，羅 偉

（昆明醋酸纖維有限公司，云南昆明 650224）

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循環(huán)冷卻水系統的復合節(jié)電方式實踐

李 毅，楊 浪，譚春江，羅 偉

（昆明醋酸纖維有限公司，云南昆明 650224）

以并聯水泵供水的循環(huán)冷卻水系統為節(jié)電對象，分步實施了水泵葉輪切削，單臺水泵變頻調速的組合控制方案，優(yōu)化了水泵的工作點，實現了自動調節(jié)的恒壓供水，完全消除了泵后閘閥的節(jié)流損失，總體節(jié)電率達46．8%。

循環(huán)水系統；水泵；節(jié)電

循環(huán)冷卻水系統在流程工廠中廣泛使用，它向需冷卻的工藝設備提供冷卻水源，保證其連續(xù)穩(wěn)定運行。為了循環(huán)和冷卻目的，這樣的系統會使用大量的水泵、風機等耗電設備。

在熱電廠中，風機、水泵占廠用電量的比例較高，約65%［1］，而大多數的風機和水泵還是通過風門或閘閥來調節(jié)流量，屬于耗能方式。這種狀況與技術水平和粗放的工業(yè)設計有關：由于工藝的復雜性，設備和管道系統阻力難以做到精確計算，為保險起見，設計人員就以更大的安全裕量來選擇水泵，而輔以閥門節(jié)流，以控制所需的揚程和流量，這種現象很普遍。這些系統在實際運行時，普遍存在大馬拉小車，機泵效率低，能源浪費大的現象，存在著較大的改進機會和節(jié)電空間。

1 改造前系統工況

本實例是熱電站循環(huán)冷卻水系統，它向汽機凝汽器、冷油器、鍋爐風機的液力耦合器冷油器、風機軸承等提供冷卻用水，見圖1所示。

熱電站循環(huán)水系統的水泵站共有5臺水泵，并聯，通常2用3備，通過調整每臺水泵出口的手動閘閥開度，實現對供水揚程和流量的控制。水泵型號：300S－32，H＝32 m，Q＝790 m3／h；電機型號：Y2－280M－4，90 kW，380 V，167 A，cosφ＝0．87。水泵站的泵機配置和在不同工況下的耗電情況（以電流值計）見表1。

圖1 熱電循環(huán)冷卻水系統示意圖Figure 1 Schematic thermoelectric cooling water system

表1 改造前水泵站的運行情況Table1 Operation before a pumping station renovation

2 問題及節(jié)電分析

現場調查發(fā)現，供水總管壓力保持在約0．14MPa，每臺運行的水泵出口閥門開度大約為30%，循環(huán)水泵出口管壓力表指示在0．36～0．40 MPa。這說明閘閥存在明顯的富裕揚程損失，而此時泵的電機電流已接近額定電流。試圖開大閘閥的開度，但會導致電機過流，好象沒有節(jié)電空間，或者是水泵所匹配的電機功率太小。但事實并非如此，因此，結合水泵性能曲線和管路系統特性曲線作分析如下（見圖2）。

圖2 工作點和節(jié)能分析Figure 2 Operating point and electricity saving analysis

設計時，設計者根據計算確定系統所需的揚程和流量等參數，然后選擇相應規(guī)格的泵，確保工作點處在泵的高效區(qū)，并以此來匹配電機。假如圖中“B”點（揚程Hb和流量Qb）是設計的工作點，Q-H是所選水泵的性能曲線，那么此時ηb應是泵的高效點，Pb應是最經濟的電機配置功率。

但是，泵的實際工作點是由水泵性能曲線QH與管路系統特性曲線（Q-H）需的交點位置來確定的。泵一旦選定，其Q-H，P-H，η-H等性能曲線就確定了，此時的交點只能取決于管路系統阻力的特性曲線（Q-H）需，即兩條線自然相交的“A”點。可以看出，“A”點偏離了設計的“B”工作點，此時對應的泵效率ηa＜ηb，泵軸功率Pa＞Pb。表現為“A”點泵效率降低，電機過流，其對應的揚程Ha和流量Qa也不能滿足設計要求。出現這種情況，通常表明設計者對泵規(guī)格選型偏大或者高估了管道系統阻力，而實際的管道系統特性曲線較為平坦，電機出現過流并非是水泵和電機不匹配。

要達到設計的揚程和流量，傳統設計通常安裝出口閥門來調節(jié)開度，人為改變管路系統特性曲線至（Q-H）需1，它與Q-H曲線交于“B”點，形成新的穩(wěn)定工作點，從而達到設計要求。

但是，由于在系統中增加了閘閥的開度調節(jié)，造成了在閥門上BB’段的揚程損失。這也說明這段揚程對系統來說是多余的，是設計出來的富裕量，這就是閘閥上的節(jié)流損失。要實現水泵系統的節(jié)能首先就需要消除這部分的節(jié)流損失。通過閥門改變管道系統特性曲線總是耗能的，只有從另一方面對水泵的性能曲線進行改變。而水泵的性能曲線是在指定的葉輪直徑和轉數下試驗所得，所以可通過改變水泵葉輪直徑和控制水泵速度來改變泵的性能曲線。葉輪直徑和速度對泵的揚程和流量的影響趨勢見圖3。

圖3 變徑和變速后泵的性能曲線變化Figure 3 Change in the pump performance curves after reducers and variable speed

3 節(jié)電方案和效果

3.1 切削水泵葉輪直徑

由于可供選擇的水泵規(guī)格的有限性，水泵選型未必都能滿足用戶對揚程和流量等的精確要求，所以泵的制造廠家是允許對泵的葉輪在一定范圍內進行切削的。根據水泵的車削定律，對水泵的葉輪直徑D進行改變至D1、D2，將得到一組相似的水泵性能曲線，同樣滿足相似律［2］：

式中：D為葉輪直徑，Q為泵流量；H為泵揚程；P為泵軸功率。

由于變徑是一個不可逆轉的過程，故在切削水泵葉輪時，需要精確計算。首先確定最大容許的切削量，以確保泵的效率不受太大影響，而這個切削量與泵的比轉數ns相關，本案例中：

式中：n為泵的轉速，r／min；Q為流量，m3／s；H為揚程，m；ns為比轉數。查表得到最大車削量應≤11%。［3］

先期委托水泵廠切削加工，以逐步切削的方式，并把直徑減小后的葉輪裝回泵中進行試驗，觀察泵后的閥門能否全打開，電機是否過流。經過多次切削試驗，葉輪直徑從352 mm減小到326 mm，切削比例為7．4%（＜11%），此時閥門能夠全打開，電機電流也低于額定電流。后來公司由機加工車間自主加工車削葉輪，簡單易行，幾乎沒有成本。

葉輪切削前后的泵性能曲線的變化見圖4①由昆明水泵廠提供。。

圖4 葉輪切削前后的泵性能曲線Figure 4 Performance curves of impeller pump before and after cutting

從改造前后的性能曲線比較看，泵的揚程下降6m，所需功率相應降低約14%，實現了部分節(jié)電。

3.2 變頻改造

葉輪的切削量是有限的，且不可逆轉，但工藝設備的開停需要控制相應水泵的開停或閥門的開度，以便調整流量和揚程。同樣，隨著氣溫和冷卻負荷的變化，系統的工作點也會出現變化，也需要做出及時的調整控制。顯然，通過葉輪切削方式無法滿足所有變化，大多數情況下還是需要保留閘閥節(jié)流調節(jié)。變頻調速作為成熟的技術，可實現水泵的大范圍的無級調速，還可以靈活引入反饋信號形成閉環(huán)控制系統，實現恒壓供水的自動調節(jié)。隨著水泵速度的改變，其特性符合下列關系。

可以看出，水泵功率與轉速的立方成正比。水泵可能需要根據工況和天氣等原因在較大范圍內調速，因此，潛在的節(jié)電空間也可能會很大。但變頻器造價高，針對多臺水泵并聯供水系統，本例只對一臺水泵電機實現變頻調速，就完全能夠達到控制和節(jié)能的作用。

在本案例中，安裝1臺90 kVA變頻器對1臺水泵電機進行控制。取供水總管的壓力變送器4 ～20 mA信號送變頻器作為反饋信號，與設定供水壓力信號進行比較。通過設置在變頻器中的PID算法對水泵調速，實現供水總管壓力的閉環(huán)自動調節(jié)。本系統在保證了恒定壓力供水的前提下，實現了降速后的顯著節(jié)電。改造后，變頻泵運行在28 Hz，此時變頻器顯示面板上顯示值僅是額定功率的17%。

3.3 應用效果

通過葉輪切削和增加變頻調速改造后，在大多數的工況下，系統由1臺經過葉輪變徑的工頻泵和1臺調速的變頻泵組合運行，并聯泵的總性能曲線（Q-H）’有較大的變化，見圖5。

圖5 葉輪切削和變速的組合運行工作點分析Figure 5 The operating point analysis of combined impeller speed cutting and reducing

圖5中Qd1＞Qn1，說明經過葉輪切削的泵（運行在工頻下）作為主供水泵，由變頻器控制的水泵作為輔助供水，調整泵速實現供水總管的壓力閉環(huán)自動控制。當系統需要的供水量可由一臺水泵保證供應時，則優(yōu)先單獨使用變頻泵供水。

這個組合運行方案很好地適應了天氣、冷卻水需求等的變化，并消除了人為調整，減輕了勞動強度，提高了控制精度，實現了恒壓供水，徹底消除了閘閥上的節(jié)流損失。系統投入使用多年后，運行穩(wěn)定，節(jié)電效果顯著，見表2。

表2 葉輪切削變頻改造前后的耗電比較Table 2 Compares the power consumption before and after the impeller cutting frequency transformation

另外，在本項目完成之后，我們還以六西格瑪項目形式，遵循“定義—測量—分析—改進—控制”的步驟［4］，通過開展工藝試驗、遵循最佳實踐、優(yōu)化運行參數，最終進一步減少了系統的循環(huán)水量和不必要的揚程，實現了進一步的節(jié)電。

4 結語

1）在供水系統中，當水泵后的閘閥不能全打開時，就有一定的節(jié)電空間。閘閥開度越小，節(jié)電空間越大。

2）葉輪切削和變頻調速的組合改造，結合了兩者的優(yōu)勢，既實現了恒壓供水，系統穩(wěn)定可靠運行，又使得改造成本大大降低，節(jié)電效果顯著，項目的投資回收期小于1年。

［1］王汝武．電廠節(jié)能減排技術［M］．北京：化學工業(yè)出版社，2008：204－205．

［2］劉家春，楊鵬志，劉軍號，等．水泵運行原理與泵站管理［M］．北京：中國水利水電出版社，2009：25．

［3］上海醫(yī)藥設計院．化工工藝設計手冊：上冊［M］．北京：化學工業(yè)出版社，1986：773－775．

［4］馬林，何楨．六西格瑪管理［M］．北京：中國人民大學出版社，2007：103．

The Application of Composite Mode for Saving Electricity with Circulation Water System

LI Yi*，YANG Lang，TAN Chun-jiang，LUO Wei

（Kunming Cellulose Acetate Fiber Co．，Ltd，Kunming 650224）

This paper studied the circulating cooling water system with pumps in parallel for saving electricity，and introduced implementation of combination plan of pump impeller trimming plus a single pump′s VFD．The system has achieved optimization with pump working point and automatic constant control with water supply pressure，completely eliminating pump valve throttling losses and realizing a remarkable power saving as high as 46．8%．

circulating cooling water system；pumps in parallel；electricity saving

TQ083

A

1004-275X（2014）02-0057-04

12．3969／j．issn．1004-275X．2014．02．017

收稿：2014-02-21

李毅（1964-），男，四川遂寧人，電氣工程師，國家注冊安全工程師，從事技術管理、安全管理、節(jié)能降耗和電儀運行和維修管理工作。E-mail：liyial＠163．com