變頻調(diào)速技術(shù)在電爐沖渣水泵系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

莊少華

（云銅股份西南銅業(yè)分公司熔煉分廠，云南 昆明 650000）

云南銅業(yè)股份有限公司西南銅業(yè)分公司熔煉分廠電爐沖渣水系統(tǒng)承擔(dān)電爐爐后放渣沖水及其循環(huán)利用，隨著電爐生產(chǎn)組織、工藝調(diào)整，冷熱水泵機(jī)組控制要求越來越高，當(dāng)電爐沖渣系統(tǒng)水泵需要改變供水流量時(shí)，采用人工調(diào)節(jié)沖渣節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn),實(shí)際生產(chǎn)中流量近20%被浪費(fèi)掉。采用變頻調(diào)速控制，對(duì)節(jié)約能源，提高效益具有重要意義。

1 電爐沖渣水系統(tǒng)工藝流程

熔煉分廠電爐沖渣水系統(tǒng)包括以下主要設(shè)備：冷水泵機(jī)組2臺(tái)，熱水泵機(jī)組2臺(tái)，冷卻塔風(fēng)機(jī)2臺(tái)，電動(dòng)閥門，液位計(jì)、溫度計(jì)、管道及附件，根據(jù)生產(chǎn)組織、工藝要求，組成電爐沖渣水管網(wǎng)圖（見圖1），實(shí)現(xiàn)供水循環(huán)利用。

圖1 電爐沖渣水系統(tǒng)管網(wǎng)圖

2 變頻調(diào)速節(jié)能原理

變頻器調(diào)速的原理是通過整流橋?qū)⒐ゎl交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?再由逆變橋變換為頻率可調(diào)的交流，作為交流三相異步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，使電動(dòng)機(jī)獲得無級(jí)調(diào)速所需的電壓、電流和頻率。水泵供水系統(tǒng)具有管網(wǎng)特性曲線，即通過管網(wǎng)的流量與所消耗的能量之間的關(guān)系曲線，同時(shí)表明水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差，液體在管道中流動(dòng)的阻力。

圖2 閥門調(diào)節(jié)功能

圖2為水泵用閥門控制時(shí)，當(dāng)流量要求從Q1減小到Q2,必須關(guān)小閥門。這時(shí)閥門的摩擦阻力變大,管路曲線從R移到R′，揚(yáng)程則從Ha上升到Hb,運(yùn)行工況點(diǎn)從a點(diǎn)移到b點(diǎn)。

圖3 變速調(diào)節(jié)功耗

圖3為調(diào)速控制時(shí)，當(dāng)流量要求從Q1減小到Q2,由于阻力曲線R不變，泵的特性取決于轉(zhuǎn)速。如果把速度從n降到n′，性能曲線由(Q-H)變?yōu)?Q-H)′，運(yùn)行工況點(diǎn)則從a點(diǎn)移到c點(diǎn)，揚(yáng)程從Ha下降到Hc。根據(jù)離心泵的特性曲線公式：N=RQH/102η，式中N為水泵使用工況軸功率（kW）;Q為使用工況點(diǎn)的流量（m3/s）;H使用工況點(diǎn)的揚(yáng)程（m）;R為輸出介質(zhì)單位體積重量（kg/m3）;η為使用工況點(diǎn)的泵效率（%）。可求出運(yùn)行在b點(diǎn)泵的軸功率和c點(diǎn)泵的軸功率分別為：

Nb=RQ2Hb/102η

Nc=RQ2Hc/102η

兩者之差為：ΔN=Nc-Nb=RQ2(Hc-Hb)/102η

閥門控制流量時(shí)，有ΔN功率被損耗浪費(fèi)掉了，且隨著閥門不斷關(guān)小，這個(gè)損耗還要增加。而用轉(zhuǎn)速控制時(shí)，由于流量Q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比，揚(yáng)程H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比，即功率與轉(zhuǎn)速n成3次方的關(guān)系下降。如果不是用關(guān)小閥門的方法，而是把電機(jī)轉(zhuǎn)速降下來，那么在轉(zhuǎn)運(yùn)同樣流量的情況下，原來消耗在閥門的功率就可以全避免，取得良好的節(jié)能效果。

3 沖渣水系統(tǒng)存在的問題

3.1 熱水泵與冷水泵機(jī)組供水流量不匹配

冷熱水泵機(jī)組受管道、揚(yáng)程等影響，通過實(shí)際檢測(cè)，存在供水流量、電動(dòng)機(jī)不匹配情況（見表1、表2）。

表1 冷熱水泵供水流量不匹配

表2 冷熱水泵電動(dòng)機(jī)參數(shù)

3.2 沖渣水流量調(diào)節(jié)困難

冷熱水泵采用軟啟動(dòng)器控制方式，該控制不具體調(diào)節(jié)功能，設(shè)備處于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)需要改變供水流量時(shí)，采用調(diào)節(jié)沖渣節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)，沖渣水流量控制效果差。

4 技術(shù)改造方案

4.1 冷熱水泵匹配性對(duì)策

在不改變水泵基礎(chǔ)的前提下，選擇與冷水泵供水相匹配設(shè)備，克服熱水泵機(jī)組因揚(yáng)程不足帶來的問題，重新對(duì)水泵、電動(dòng)機(jī)進(jìn)行選型（見表4、表5）。

表4 水泵技術(shù)參數(shù)

表5 電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

4.2 水泵變頻調(diào)節(jié)改造

根據(jù)生產(chǎn)工藝及設(shè)備控制需求，冷熱水泵機(jī)組各增加變頻調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水泵流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)沖渣水循環(huán)運(yùn)行。

4.3 流量、液位裝置

沖渣水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)功能，分別在冷熱水池安裝流量、液位裝置，滿足生產(chǎn)過程中流量參與水泵流量調(diào)節(jié)功能，實(shí)現(xiàn)水流量匹配，避免生產(chǎn)水滿出，影響處理成本。

5 沖渣水系統(tǒng)技術(shù)改造

5.1 熱水泵機(jī)組設(shè)備配置、安裝

通過對(duì)熱水泵機(jī)組設(shè)備升級(jí)來改善冷熱水泵供水不匹配問題，水泵及電動(dòng)機(jī)在不改變基座安裝條件下，順利完成水泵及電動(dòng)機(jī)安裝、調(diào)校工作。

5.2 冷熱水泵變頻改造

在保留原軟啟動(dòng)器控制柜的基礎(chǔ)上，新增變頻控制柜，變頻與軟啟動(dòng)器控制進(jìn)行聯(lián)鎖，以變頻控制方式為主，軟啟動(dòng)器作為備用，滿足電爐沖渣水泵控制要求，設(shè)計(jì)如下控制方式邏輯圖（見圖4）：

圖4 變頻、軟啟動(dòng)邏輯圖

通過變頻調(diào)速控制水泵流量，分別在冷熱水池安裝流量裝置，參與水泵變頻控制，實(shí)現(xiàn)變頻自動(dòng)調(diào)節(jié)。水泵流量調(diào)節(jié)是通過變頻調(diào)速來實(shí)現(xiàn)，有兩種方式：現(xiàn)場(chǎng)電位器調(diào)節(jié);冷熱水池流量裝置來自動(dòng)調(diào)節(jié)，自動(dòng)調(diào)節(jié)是通過流量變送器測(cè)量，將4—20mA信號(hào)來控制變頻器的運(yùn)行頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行頻率要求。

5.3 冷熱水泵機(jī)組測(cè)試、運(yùn)行

系統(tǒng)供水流量正常，水泵機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)數(shù)據(jù)正常，時(shí)域波形與頻域波形見圖4與圖5所示，自由端振動(dòng)速度有效值為1.13mm/s，振動(dòng)加速度有效值為6.05m/s2，完全在控制范圍以內(nèi)，能夠滿足設(shè)備的安全運(yùn)行。根據(jù)生產(chǎn)所需流量，對(duì)水泵進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)調(diào)節(jié)，均達(dá)到調(diào)節(jié)控制的要求。

圖5 電動(dòng)機(jī)振動(dòng)時(shí)域與頻域圖（速度）

圖6 電機(jī)自由端徑向振動(dòng)時(shí)域與頻域圖（加速度）

6 節(jié)能效果

實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速后，對(duì)電機(jī)和電網(wǎng)的沖擊大幅度下降。變頻器能快速檢測(cè)和保護(hù)，電動(dòng)機(jī)的保護(hù)更完善了，提高電機(jī)安全可靠運(yùn)行。通過實(shí)際測(cè)量統(tǒng)計(jì)，變頻器節(jié)能率達(dá)20%，每臺(tái)水泵節(jié)省年節(jié)能560640KW，年創(chuàng)造效益達(dá)25萬余元。

7 總結(jié)

變頻調(diào)速技術(shù)具有較好的調(diào)速性能、節(jié)能效果顯著、設(shè)備運(yùn)行安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，是水泵節(jié)能高效運(yùn)行的先進(jìn)、可靠技術(shù)。在電爐沖渣水系統(tǒng)應(yīng)用后效果較好，在保證供水質(zhì)量的條件下，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。提升企業(yè)自動(dòng)化水平、降本增效具有重大的實(shí)踐意義