淺談電解鋁循環(huán)水泵節(jié)電技術(shù)改造

摘 要：隨著社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的深入，節(jié)電觀念深入人心。本文從電解鋁廠循環(huán)水泵實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)冷循環(huán)卻水水泵自動(dòng)控制節(jié)電技術(shù)進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：電解鋁;循環(huán)水泵電機(jī);節(jié)電

0 引言

我國(guó)政府在“十一五”規(guī)劃綱要中提出的“單位GDP能耗降低20%”的節(jié)能目標(biāo)。現(xiàn)階段隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域中開(kāi)展節(jié)能減排已經(jīng)逐漸成為常態(tài)，對(duì)于石化工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、冶金工業(yè)等領(lǐng)域，提出更為詳細(xì)、嚴(yán)格的節(jié)能減排任務(wù)，為進(jìn)一步降低用電成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效，變頻節(jié)能技術(shù)得到了快速推廣，電動(dòng)機(jī)耗電量占全國(guó)總消費(fèi)電能的60-70%，因此抓好電動(dòng)機(jī)節(jié)能刻不容緩。

1 變頻技術(shù)的發(fā)展及節(jié)能原理

在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中，風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備應(yīng)用范圍廣泛;其電能消耗和諸如閥門、擋板相關(guān)設(shè)備的節(jié)流損失以及維護(hù)、維修費(fèi)用占到生產(chǎn)成本的7%-25%，是一筆不小的生產(chǎn)費(fèi)用開(kāi)支。八十年代末，變頻調(diào)速技術(shù)引入我國(guó)并得到推廣。現(xiàn)已在電力、冶金、石油、化工、造紙、食品、紡織等多種行業(yè)的電機(jī)傳動(dòng)設(shè)備中得到實(shí)際應(yīng)用。目前，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向。卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果，改善現(xiàn)有設(shè)備的運(yùn)行工況，提高系統(tǒng)的安全可靠性和設(shè)備利用率，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命等優(yōu)點(diǎn)隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大而得到充分的體現(xiàn)。

根據(jù)生產(chǎn)需要對(duì)爐膛壓力、風(fēng)速、風(fēng)量、溫度等指標(biāo)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)以適應(yīng)工藝要求和運(yùn)行工況，最常用的控制手段則是調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開(kāi)度的大小來(lái)調(diào)整受控對(duì)象。這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風(fēng)機(jī)都要全速運(yùn)轉(zhuǎn)，而運(yùn)行工況的變化則使得能量以風(fēng)門、擋板的節(jié)流損失消耗掉了。近年來(lái)，出于節(jié)能的迫切需要和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的要求，加之采用變頻調(diào)速器（簡(jiǎn)稱變頻器）易操作、免維護(hù)、控制精度高，并可以實(shí)現(xiàn)高功能化等特點(diǎn);因而采用變頻器驅(qū)動(dòng)的方案開(kāi)始逐步取代風(fēng)門、擋板、閥門的控制方案。變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)）;通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)腘1變到N2時(shí)，其電機(jī)軸功率（P）的變化關(guān)系如下：P2/P1=（N2/N1）3，由此可見(jiàn)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速可得到立方級(jí)的節(jié)能效果。

2 電解鋁廠水泵運(yùn)行現(xiàn)狀

①一廠動(dòng)力車間循環(huán)冷卻水泵目前開(kāi)二臺(tái)備用二臺(tái)，并聯(lián)裝機(jī)，所配電機(jī)功率37kW兩臺(tái)30kW兩臺(tái)，四極電機(jī)，轉(zhuǎn)速1470r/min;②一廠空壓站循環(huán)冷卻水泵目前開(kāi)二臺(tái)備用二臺(tái)，并聯(lián)裝機(jī)，所配電機(jī)功率30kW，四級(jí)電機(jī)，轉(zhuǎn)速1470r/min;③二廠動(dòng)力車間循環(huán)冷卻水泵目前開(kāi)二臺(tái)備用一臺(tái)，并聯(lián)裝機(jī)，所配電機(jī)功率37kW，四級(jí)電機(jī)，轉(zhuǎn)速1480r/min;④二廠空壓站循環(huán)冷卻水泵目前開(kāi)兩臺(tái)備一臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行，所配電機(jī)功率30kW，四級(jí)電機(jī)，轉(zhuǎn)速1470r/min;⑤空壓站冷卻塔循環(huán)冷卻水泵目前開(kāi)一臺(tái)備用二臺(tái)，并聯(lián)裝機(jī)，所配電機(jī)功率18.5kW，四級(jí)電機(jī)，轉(zhuǎn)速1470r/min。

3 水泵全自動(dòng)控制改造

節(jié)能改造技術(shù)及實(shí)施方案：

根據(jù)目前循環(huán)水泵運(yùn)行情況及工藝要求，先采集循環(huán)水泵的原始參數(shù)與數(shù)據(jù)，根據(jù)原始參數(shù)和采集數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)定制控制系統(tǒng)。為保證電解系列直流系統(tǒng)的平穩(wěn)可靠供電，動(dòng)力車間冷卻循環(huán)泵必須兩臺(tái)泵并列運(yùn)行，一旦單臺(tái)泵發(fā)生故障，另一臺(tái)泵仍能滿足運(yùn)行需求，不會(huì)因付水循環(huán)泵故障停機(jī)造成電解系列全系列停電。

基于動(dòng)力車間付水冷卻循環(huán)泵的特殊運(yùn)行要求，在開(kāi)發(fā)PLC控制程序時(shí)，我們將付水循環(huán)水泵的運(yùn)行狀態(tài)均引入PLC內(nèi)，由PLC程序根據(jù)水泵運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)設(shè)定變頻器頻率，一旦發(fā)生任意一臺(tái)泵故障停機(jī)，另一臺(tái)泵變頻器設(shè)定頻率自動(dòng)提高，并對(duì)最高設(shè)定頻率加以限制，以適應(yīng)電解系列生產(chǎn)的需求。

為便于非故障情況下循環(huán)水泵的檢修和保養(yǎng)，同時(shí)增設(shè)循環(huán)水泵檢修程序。在切換至檢修狀態(tài)下，先啟動(dòng)第三臺(tái)循環(huán)泵，待第三臺(tái)泵啟動(dòng)運(yùn)行正常后，人為切除待維護(hù)保養(yǎng)的循環(huán)泵，原并列運(yùn)行的循環(huán)泵在人為切除后，另一臺(tái)泵變頻器頻率不再自動(dòng)抬升，維持原設(shè)定頻率運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)循環(huán)泵的無(wú)憂倒切。

改造后循環(huán)系統(tǒng)閥門不需要調(diào)整，閥門開(kāi)度保持在一個(gè)最大的位置上，通過(guò)采用智能動(dòng)態(tài)算法，調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行頻率（電機(jī)轉(zhuǎn)速）來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整出口流量，通過(guò)基于對(duì)需求變換的預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)更高效的節(jié)能，從而減少了電機(jī)工頻啟動(dòng)造成的沖擊，降低對(duì)水泵及電機(jī)的磨損，進(jìn)一步優(yōu)化了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)具有良好的過(guò)載能力以及過(guò)流保護(hù)措施，保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 改造后的節(jié)能效果分析

4.1 動(dòng)力車間循環(huán)冷卻水泵改造后的節(jié)能分析

一、二分廠動(dòng)力車間循環(huán)冷卻水泵各開(kāi)兩臺(tái)，總額定功率為148kW，水泵工頻實(shí)際運(yùn)行總電流約為272A，工頻實(shí)際運(yùn)行功率：P1=U×I×1.732×COSφ/1000=380×272×1.732×0.75/1000≈134kW，根據(jù)改造水泵總流量不變?cè)瓌t，Q2（改造后實(shí)際所需流量）=Q1（改造前實(shí)際所需總流量），改造前、后水泵額定流量Q，由功率與流量（轉(zhuǎn)速）的三次方成正比可知變頻調(diào)速后水泵運(yùn)行功率：P變頻=總功率×（Q2/Q）3/變頻效率=148×0.663/0.94≈45kW，即每月可節(jié)約用電=（134-45）*24*30.5=6.5萬(wàn)kWh。

4.2 空壓站循環(huán)冷卻水泵改造后的節(jié)能分析

4.2.1 一分廠空壓站循環(huán)冷卻水泵節(jié)能分析

改造前一廠空壓站循環(huán)冷卻水泵目前開(kāi)一臺(tái)備用三臺(tái)，總功率為30kW，水泵工頻運(yùn)行實(shí)測(cè)總電流約為58A，工頻運(yùn)行功率：P1=U×I×1.732×COSφ/1000=380×58×1.732×0.75/1000≈29kW，循環(huán)水泵改造后，一廠空壓站由原來(lái)的開(kāi)一備三改為開(kāi)二備二方式運(yùn)行，即電機(jī)總功率為60kW，變頻運(yùn)行預(yù)計(jì)功率：根據(jù)改造水泵總流量不變?cè)瓌t，即改造后流量Q2（改造后實(shí)際所需流量）=Q1（改造前實(shí)際所需總流量），即改造后流量Q2=Q額定*33/50=Q額定*0.66，由功率與流量的三次方成正比可知變頻調(diào)速后水泵運(yùn)行功率：P變頻=總功率X（Q2/Q）3/變頻效率=60×0.663/0.94≈19kW，即一分廠空壓站改造后每月可節(jié)約用電=（29-19）*24*30.5=7320kWh。

4.2.2 二分廠空壓站循環(huán)冷卻水泵節(jié)能分析

改造后二分廠空壓站循環(huán)冷卻水泵由目前的2臺(tái)運(yùn)行改為三臺(tái)全部運(yùn)行，冷卻塔水泵由目前的一臺(tái)改為2臺(tái)運(yùn)行。總功率為78.5kW，水泵工頻運(yùn)行實(shí)測(cè)總電流約為150A，工頻運(yùn)行功率：P1=U×I×1.732×COSφ/1000=380×150×1.732×0.75/1000≈74kW，同樣根據(jù)上述方法測(cè)算，改造水泵運(yùn)行功率=127*0.663/0.94=38.8kW，每月可節(jié)約用電=（74-38.8）*24*30.5=25766.4kWh。

4.2.3 綜合分析

一、二分廠動(dòng)力副水泵房水泵、空壓站循環(huán)水泵及二分廠空壓站冷卻塔水泵改造后，全年可節(jié)約成本1177036.8*0.41/1.17=41.25萬(wàn)元。

5 改造的優(yōu)點(diǎn)

①實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，避免啟動(dòng)電流對(duì)供電線路的沖擊，提高了供電系統(tǒng)的可靠性;②降低了水泵的平均轉(zhuǎn)速，降低了電機(jī)水泵的磨損，延長(zhǎng)了水泵和閥門的使用壽命，減少維護(hù)費(fèi)用;③實(shí)現(xiàn)了水泵自動(dòng)切換，即使變頻調(diào)速裝置出現(xiàn)故障，可自動(dòng)切換到原狀態(tài)下運(yùn)行，保證了設(shè)備運(yùn)行的連續(xù)穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

目前水泵變頻調(diào)速控制模式已投運(yùn)272天，運(yùn)行平穩(wěn)，滿足系統(tǒng)生產(chǎn)工況要求，耗電量明顯下降，節(jié)電效果顯著，達(dá)到了循環(huán)水系統(tǒng)水泵節(jié)能改造的預(yù)期目標(biāo)。

作者簡(jiǎn)介：

胡小林（1984- ），男，漢族，湖北廣水人，本科學(xué)歷，畢業(yè)于湖北工業(yè)大學(xué)，機(jī)電工程師，研究方向：鋁冶煉工藝技術(shù)及鋁合金生產(chǎn)加工。