尾礦輸送系統串級泵調速方法探討

摘要：選礦廠尾礦泵站渣漿泵的組合方式一般是2臺串聯為一組，傳統的控制方法是每組泵的二級泵配備變頻調速裝置。隨著技術更新和控制理念的轉變，逐漸衍生出很多其他不同的控制方法。文章對尾礦泵采用“末級調速”、“一拖一”調速、“一拖二”調速在實際工程中的應用進行了比較和理論分析。

關鍵詞：尾礦輸送系統；串級泵調速方法；“末級調速”；“一拖一”調速；“一拖二”調速 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD926 文章編號：1009-2374（2015）31-0153-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.079

尾礦輸送目前為選礦流程中的一個重要環節，隨著原礦處理規模的增大，尾礦輸送能力亦隨之增加。尾礦泵采用變頻調速傳動方式，節能的效果亦越來越顯著。針對尾礦泵采用“末級調速”、“一拖一”調速、“一拖二”調速對生產運行、備品備件、電氣節能的影響，我們從理論到實踐進行了認真的探索與研究。

1 變頻器節能原理

根據流體力學原理，水泵（或風機）類設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q、壓力（揚程）H以及軸功率P具有如下關系。

P=H×Q，Q1/Q2=n1/n2，H1/H2=（n1/n2）2，P1/P2=（n1/n2）3

式中：

Q1、H1、P1——水泵在n1轉速時的水量、水壓、功率

Q2、H2、P2——水泵在n2轉速時相似工況條件下的水量、水壓、功率

可以看出，流量Q與轉速n的一次方成正比，壓力H與轉速n的平方成正比，功率P與轉速n的立方成正比，如果水泵的效率一定，當要求調節流量下降時，轉速n可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。而當采用變頻調速時，可以按需要升降電機轉速，改變水量的性能曲線，使水泵的額定參數滿足工藝要求。

2 變頻調速方法的技術、經濟比較分析

某工程尾礦輸送系統工藝概況簡述：

尾礦產量計215.3萬噸/年。全年作業時間按7920小時計算，設計最大小時尾礦輸送能力為326.2噸。泵站內設計6臺200ZJ-II-A73渣漿泵，Q=640m3/h、H=93m、配套電機功率N=400kW。渣漿泵的組合方式為：2臺串聯為一組，共分為3組（1組工作、2組備用）。每組泵配備變頻調速裝置，根據礦漿池液位自動調速。兩條總出漿管路上配備有濃度計、流量計。

2.1 “末級調速”

傳統的串聯泵調速方式是前級泵工頻運行，后級泵調速運行（“末級調速”），運行工況穩定。但由于葉輪磨損與轉速的立方成正比，功率分配與轉速的平方成正比，因此，在低揚程或低流量階段，后級泵低頻運行，前級泵工頻運行，存在前級泵葉輪磨損過快、兩級泵功率嚴重不平衡等問題。針對前述某工程尾礦輸送系統，末級調速需要3套400kW高壓變頻器，變頻器室占地面積較小，直接投資較少，電氣節能效果較好，生產備件更換頻繁。

2.2 “一拖一”調速

“一拖一”調速理論上可以實現兩臺泵分別調節，使其工作在不同的轉速上，但由于葉輪是易損件，約20～40天就需要更換葉輪，實際工作中的最佳工作點很難找到。兩級泵協調控制非常困難，不僅需要頻繁調節，并且很難調節到最佳工作點。如果調節不好的話，很容易造成后級泵過載，直接導致電機和變頻器的過載，嚴重時會燒毀電機線圈和變頻器。并且“一拖一”方式中后級泵調節不好的話還會給管路造成威脅，嚴重時會出現“爆管”事故。對于葉輪磨損程度的檢測在實際運行中是無法實現的，所以采用“一拖一”方式也不能夠根據葉輪磨損情況調節轉速，并且葉輪磨損情況是隨時變化的，無規律可循。比如，兩級泵同速運行一段時間后，發現后級泵電流減小，前級泵電流增大，說明后級泵葉輪磨損較大。此時為了平衡兩級泵的葉輪磨損，就必須提高前級泵的轉速，降低后級泵的轉速，以保證液位恒定。這樣前后兩級泵電流差距進一步加大，直至前級泵達工頻運轉，最后變成純粹的后級泵調速，使兩級泵分別調速失去意義，白白浪費投資。若相反調節，提高后級泵轉速，降低前級泵的轉速，則后級泵葉輪磨損更加嚴重，增大了機組葉輪的更換頻率，降低了勞動生產率。

“一拖一”設計方案理論上是可行的，但“一拖一”調速需要6套400kW高壓變頻器，變頻器室占地面積增大接近一倍；直接投資最大，電氣節能效果好，但難于實現自動協調控制，生產備件更換頻繁。

2.3 “一拖二”調速

“一拖二”調速控制簡單，易于實現自動控制。“一拖二”技術方案相當于調節一臺泵，可以方便地實現備用泵與工作泵的無沖擊切換；可以方便地實現泵葉輪磨損的間接檢測與計劃檢修。以下是“一拖二”調速設計方案說明：

每組串聯泵，設一個變頻機組（含整流變壓器、出線柜、功率單元、控制單元）、一臺電源柜、一個機旁操作箱。三組泵設一套PLC控制系統、一臺上位機。各變頻機組控制單元與PLC控制系統通過以太網通訊連接。尾礦泵即可以通過上位機操作畫面進行集中操作，也可以通過機旁操作箱，進行機旁單機組操作。機旁操作指令優先。

正常運程序：根據礦漿池液位信號，自動調節尾礦泵轉速。液位高于設定值，自動提高泵轉速；液位低于設定值，自動降低泵轉速。通過液位閉環調節，實現礦漿池液面保持恒定不變。

切換程序：根據兩臺泵各自運行工況的監測信號，可以實現備用泵與工作泵的有準備、無沖擊切換。當工作機組接近（90%～95%可設置）工頻運轉時，若礦漿池液面還在上升，報警（90%可設置）→檢查備用機組及相關管路、閥門，發出準備就緒指令，通知操作人員→操作人員確定后，啟動備用機組（95%可設置）→停工作機組→檢修原工作機組或更換葉輪；當其中一臺泵電流接近（90%～95%可設置）滿負荷時，報警（90%可設置）→檢查備用機組及相關管路、閥門，發出準備就緒指令，通知操作人員→操作人員確定后，啟動備用機組（95%可設置）→停工作機組→修原工作機組或更換葉輪。

歷史記錄程序：工作機組前、后級泵電機電流、功率等主要數據的歷史曲線；液位歷史曲線；工作間記錄；切換時間記錄；故障記錄；葉輪更換時間記錄等。操作畫面、監視畫面、報警畫面、歷史記錄畫面按需求編制。

“一拖二”調速需要3套800kW高壓變頻器，與“末級調速”技術方案比較，設備投資偏高，電氣節能效果好；與“一拖一”技術方案比較，直接投資小，電氣節能效果相近，調速控制簡單，更易于實現自動控制。生產備件更換具有同步性，有利于提高勞動生產率。

3 結語

實踐證明采用“一拖二”調速方法，兩臺泵同速運行，工況穩定，兩臺泵葉輪磨損基本一樣，葉輪壽命周期最長，有利于生產檢修維護，提高生產作業率。自動控制方法簡單、可靠，易于掌握。電氣節能效果好，生產維護成本較低。目前，“一拖二”調速方法在各個選礦廠尾礦輸送系統中均有了廣泛的應用。

參考文獻

[1] 張燕賓.變頻器應用教程[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2] 《鋼鐵企業電力設計手冊》編委會.鋼鐵企業電力設計手冊[M].北京：冶金工業出版社，1996.

作者簡介：侯衛鋼，男，鞍鋼集團礦業設計研究院工程師，研究方向：電氣自動化。

（責任編輯：蔣建華）endprint