變頻調速高壓柱塞泵沖洗系統的設計

周作志

摘要：本文利用了系統分析方法，針對變頻調速高壓柱塞泵沖洗系統建立了專業的計算模型，指出了高壓泵、變頻電機以及變頻器的選型問題，明確了高壓泵柱塞泵壓力與流量、變頻電機轉速以及變頻器頻率等之間的關系，為此后變頻調速高壓柱塞泵沖洗系統的設計與選型工作提供了更多的借鑒依據。

關鍵詞：變頻調速；高壓柱塞泵；沖洗系統；設計

剛性泥渣沖洗與柔性泥渣沖洗為電廠蒸汽發生器管板水力沖洗技術的組成類別，當沖洗系統使用普通電機時，為了滿足實際的工作情況，應采用兩種方法，一是配備兩臺不同功率的高壓泵系統，為兩種工作模式提供流量與壓力；二是選擇較大功率的高壓泵系統，并調節出口回流閥，確保回流部分高壓水，達到既定的壓力與流量。使用第一種方法會增大投資費用，第二種方法則會重新使大部分高壓水經過回流閥流到水箱，不但會造成嚴重的浪費，還會加重回流閥的磨損。而采用變頻電機調速高壓泵沖洗系統則可以杜絕上述問題，不但可以滿足多種運行模式，且還可以在實現自動控制的基礎上節約能源。

1 柱塞泵的工作原理及特點

柱塞泵又被稱為往復泵，通過柱塞的往復運動，系統可以靜壓模式將機械能直接傳遞至液體，減小了泵體內的水力損失。此系統具備較高的注水壓力與泵效，在當前生產中得到了廣泛應用。但需要注意的是，在一定的往復次數與轉速條件下，柱塞泵的流量不會根據壓力的改變而發生變化，但注水系統實際注入量會根據不同因素發生改變，從而導致泵內的流量高于實際注水量，以致管網壓力過高。從而極易引起下列問題，一是導致爆管事故問題，不利于系統的安全穩定運行；二是管網壓力較高導致水泵作出更多的無用功，降低了泵效；三是泵流量高于實際用水量，此時應將更多的節流調控措施用于注水管網，提高管網的實際運行效率。

其中QH為柱塞泵特性曲線，隨著壓力的改變其流量不會發生改變，另一條為主水管的特性曲線，代表了注水量與壓力之間的變化關系。圖中所示，系統工作點為B點，一定轉速下，柱塞泵流量將保持在Q點不變，此時柱塞泵會出現多余流量，管網壓力隨之增高，管網運行安全度較低。為了避免供需矛盾，以往需要在泵出口處設置回流管線，但這樣會導致部分水的無效循環，且無效循環水量越大，水泵會做更多的無用功。為了提升水泵的工作效率，應確保供需平衡，采取有效措施調整水泵的運行情況，減少系統回流量，確保水泵在高效率模式下運行。除此之外，為了增強變頻調速技術的節能效果，不能僅采用泵出口打回流的方法解決供需問題，應根據水泵的實際運行情況增加沖洗系統，調整水泵的工作流量。

2 高壓柱塞泵沖洗系統理論計算模型

高壓柱塞泵、變頻器、變頻電機、溢流調節閥、PLC控制器、噴咀以及連接管道均屬于高頻調速高壓柱塞泵沖洗系統的重要組成部分。

工作模式下，在控制臺觸摸面板上輸入工作壓力值，延時關閉現場的電磁閥，并利用PLC控制器調節變頻器，調節泵出口流量。除此之外，在設計沖洗系統時應做好各部件的選型工作，并根據內在關系設定具體的高壓泵壓力、流量、高壓泵減速比、變頻器頻率以及噴咀出口面積等。

首先，應做好流量的測量工作，在沖洗系統中，流量與壓力需要測量得知。但測量流量較為困難，管路中需要較長的安裝位置，且系統振動會影響具體的測量結果。因此應利用變頻器的頻率換算測量流量，簡化沖洗系統，為了確保測量的準確性，應引入校正系數，減小誤差。其次應根據系統的流量要求計算變頻器的調頻范圍，并確定最終的型號。最后應確定變頻器的精確度，當調頻精度為0.5級時，每調頻一次，其流量每分鐘將會增加1.12L，一般沖洗系統變頻器的精度應控制在0.5級。

3 高壓柱塞泵、變頻電機與變頻器功率匹配

變頻電機功率通過P=MΩ計算，其中M為電磁轉矩，Ω為角速度。變頻電機在功率較小時，其轉矩恒定，隨著角速度的增加，電機運行功率也會不斷變大，變頻電機在功率較大時，轉矩也保持恒定狀態，且隨著角速度增加，電磁轉矩逐漸減小。在選擇變頻電機類型時，應確保其自身功率稍大于高壓柱塞泵的功率。

當流量為每分鐘140L，壓力為20MPa時，高壓泵功率計算為50.33kW；當流量為每分鐘80L，壓力為35MPa時，高壓泵功率也為50.33kW。且計算當流量為每分鐘140L時，電機轉速為1884r/min；當流量為每分鐘80L時，電機轉速為1077r/min。根據計算結果，應選擇功率為75kW的變頻電機。雖然高壓泵功率應稍微低于變頻電機功率，但并非越低越好，根據電機的運行特性，當電機負載較小時，其效率較低，當電機處于過載模式時又會燒壞電機。因此應選擇電機負載率為電機功率的075至0.92倍，越靠近電機功率的運行曲線，其效率越高。為了更為接近變頻電機的功率曲線，應適當將變頻電機的工作壓力調整至24MPa。同時，計算變頻器的容量，且變頻器功率與變頻電機功率相同或稍大一個等級，但變頻器額定電流應符合要求，應等于或大于變頻電機的額定電流。

4 結語

設計變頻調速高壓泵柱塞沖洗系統時需要結合電氣、機械以及控制等多方面的專業知識，以往設計與選型過程中只注重專業分開，以致系統設計流程比較復雜，各部件之間并不匹配。而變頻調速高壓柱塞泵沖洗系統計算模型中可以由量化角度完成設計選型，真正實現節能高效。

參考文獻：

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