關于高壓變頻器在介質泵中的應用研究

韓燕清

（陽泉煤業（集團）有限責任公司一礦選煤廠， 山西 陽泉 045000）

引言

介質泵是選煤廠中重要的機械裝備，是電能消耗的關鍵設備[1-2]。與普通水泵相比較，介質泵需要輸送的液體比較特殊。在選煤廠中介質泵需要輸送的是包含有大量礦粉的懸浮液，會對泵體內部零部件造成嚴重磨損，且泵的轉速越高磨損越嚴重[3-6]。如果將高壓變頻調速技術應用到介質泵中可實現泵轉速的有效控制，不但能延長機電系統的使用壽命，同時還能節省大量的電能消耗，降低選煤廠日常運行成本。

1 選煤廠現場介質泵系統參數及存在的問題

1.1 選煤廠現場介質泵系統參數

選煤廠于2015年正式建成投產，設計的生產能力為400萬t/a。介質泵是整個選煤生產工藝的重要機械裝備，選煤廠內部總共設計安裝了2臺介質泵。如圖1所示為介質系統工藝流程示意圖。

介質泵系統涉及到的相關技術參數如下：

1）電機參數。選用的電機型號為YKK500-10，該型號電機的額定轉速為600 r/min，額定的電壓、電流、功率分別為6 kV、60 A和500 kW，額定工作頻率為50 Hz。

2）介質泵參數。選用的介質泵型號為300ZJI-A100，總共有2臺介質泵，介質泵的楊程為55 m，額定的流量為1 500 m3/h。

3）工作介質。介質泵需要運送的懸浮液主要為水和煤礦，同時包含有少量的其他雜質。

圖1 介質系統工藝流程示意圖

1.2 介質泵系統運行時存在的問題

1）旋流器入料壓力的調節方法主要是對分流以及進口閘門進行調節，這種調節方法在實踐應用中，無法將介質泵調整到最佳運行狀態，介質泵經常在非工作區或臨界狀態進行工作，對介質泵的性能造成了嚴重損害。由于無法對旋流器入料壓力進行有效調節，使得介質泵長時間處于高負荷運行狀態。泵在啟動過程中會對供電系統造成嚴重沖擊，且在運行時會出現嚴重的振動現象，介質泵在停機過程中也會出現顯著的“水錘”作用。

2）由于介質泵需要輸送的懸浮液濃度和介質比重高、楊程也很大，其工作環境比較惡劣，使得機電設備長時間處于高負荷運行狀態，電能消耗大，溫度升高明顯。惡劣的使用環境使介質泵內部管道及相關系統出現了嚴重磨損，經常需要對其進行停機維修。嚴重制約了選煤生產效率，不利于選煤廠的發展。

2 高壓變頻系統基本控制與邏輯方案

2.1 高壓變頻型號的選擇

根據介質泵系統相關技術參數，選用與之匹配的高壓變頻器，實現介質泵轉速的連續調整。本研究中選用6SR3502-6FD41-5BFO型號的高壓變頻器，該型號變頻器的額定輸入電壓值為6 kV，容量大小為1 350 kVA，功率因素為0.95，輸出電壓、電流和頻率分別為 0～6 kV、140 A、0～50 Hz，正常工作情況下，該型號高壓變頻器的工作效率可以達到96%以上[4-5]。

2.2 基本控制與邏輯方案

對上述選煤廠介質泵系統中存在的問題，設計研究了一套高壓變頻調速系統。工作人員可以通過操作系統對介質泵速度進行控制，也可實現系統的自動調節。控制系統具有良好的人機交互界面，方便工作人員觀察調速系統和介質泵系統的工作狀態。高壓變頻器通過高速光纖網絡與主控制室內的控制系統進行連接，系統可以輸出控制信號對高壓變頻器進行控制，其中輸出的控制信號為4～20 mA的電流信號，不同電流值對應不同的頻率或介質泵轉速。

如圖2所示為選煤廠介質泵系統變頻調速基本原理示意圖。結合選煤廠介質泵系統的特征，選擇旋流器入料壓力作為控制信號，通過傳感器可以實時檢測入料壓力值，將檢測信號進行轉換后輸入到控制系統中。系統對輸入的實際入料壓力值進行分析處理，判斷其是否滿足實際工況條件。如果系統判斷實際壓力值低于工況所需，控制系統輸出指令增加介質泵的轉速，以提升入料壓力。相反的，如果入料壓力與工況所需相比較高，控制系統則輸出指令降低介質泵的轉速。通過這樣不斷的對泵轉速進行調節，能夠始終將泵的轉速維持在最佳工作狀態。

圖2 選煤廠介質泵系統變頻調速基本原理示意圖

3 高壓變頻器在介質泵中的應用效果評價

3.1 減小電能消耗

基于供電和流體相關理論知識，可以計算得到泵的工作狀態對電能消耗的影響。電機和介質泵在工作時存在下述的幾種關系：泵的轉速與電機頻率間存在正比例關系；泵流量與其轉速的立方又存在正比例關系；電機的實際功率與泵流量存在正比例關系。基于上述的關系可以推導得到電機實際功率與其工作頻率的立方存在正比例關系。技術改造前電機始終處于50 Hz的工作狀態，而使用高壓變頻器后，其平均工作頻率約為45 Hz，則可以計算得到節電率為27%。電機的額定功率為500 kW，如果電機每天運行14 h，每年正常運行300 d，那么每年可以節約的電能約為567 000 kWh。工業用電按平均0.7元/kWh進行計算，則每年可以節約電費567000×0.7=396 900 元[6]。

3.2 節約介質泵系統配件

通過使用高壓變頻器，使得介質泵管道及其他相關零部件的磨損得到有效緩解。以過流件為例，使用高壓變頻器前，更換周期為1次/a，而技術改造后更換頻率為1.5 a更換1次。過流件的價格按照10萬元/件進行計算，則平均每年可以節省3.33萬元。

3.3 提高生產效率

通過高壓變頻器的使用，能確保旋流器入料壓力保持在穩定狀態，提升了精煤回收率，據統計精煤回收率提升了至少2%，可為企業創造更多的經濟效益。