鋼廠輸水系統中水泵取水流量在線監測系統的設計與實現

王 森

（寶鋼工程技術集團有限公司， 上海 寶山 201900）

隨著我國工業技術水平的發展，鋼鐵企業在生產過程中對水泵的使用逐漸增多，水泵對于煉鋼設備具有重要的作用，且依據不同工況的需求對水泵的工作狀態也有不同的要求。在高爐、轉爐等設備的冷卻中，對水泵的需求越來越大。由于鋼廠體量較大，相應地對能源的需求較大[1]，而水泵是造成電能消耗的重要設備。在鋼廠應用的水泵中，現大多依據最大的需求量對其進行匹配設計，通過閥門或者擋板的形式進行流量調節，這在實際應用中常會造成一定的浪費，多數工況下水泵流量達不到最大流量需求[2]，而是采用改變水泵管網阻力的形式來調節流量，這也造成了一定能量的損失。針對該問題，對水泵的取水流量進行在線監測系統的設計，通過壓力變送器采集水泵的取水流量信息[3]，通過取水流量數據進行水泵性能的評價，以減小水泵的能耗，并依據工作狀態的需求進行實時的流量調節，從而有效減少水泵的能量損失，提高對水泵的控制能力[4]，達到節能減排的目標。

1 水泵輸水系統超聲波流量計的使用

超聲波流量計是非接觸式的儀表，采用這種方式對水泵的取水流量進行測量，不需要對水泵的管道進行改制及測量零件的安裝[5]，不會改變取水系統中的流動狀態，對原有的水泵運行狀態沒有影響。

超聲波流量計的測量原理如圖1 所示，在使用過程中，傳感器的探頭采用晶片形式，探頭發出一定的超聲波信息，介于球形波與平面波之間[6]，超聲波在水介質中的傳播會攜帶流速信息，通過接收的超聲波信號即可對流體的流速進行計算，從而可知水泵的取水流量。在鋼廠企業的應用中，水介質比較清潔[7]，采用時差法進行流量的測定。

圖1 超聲波流量計的測量示意圖

在進行測量的過程中，水泵抽取水的速度為v，水泵直徑為D，超聲波流量計兩個晶片之間的安裝角度，即聲道角為θ，兩點之間的距離為L，進行超聲波發射時兩點之間逆水流傳輸的時間為t1，順水流傳輸的時間為t2，則對于水泵的取水流量可以表示為[8]：

采用單聲道的超聲波流量計進行水泵流量的測量，由于水泵輸水系統的管徑較大，采用貼片式的超聲波流量計可以方便地進行安裝。將流量計的換能器安裝在水平管道或者垂直管道的中間位置處[9]，以避免水質流動過程中的振動對系統測量造成的影響，保證測量數據的準確性。對于測量的水泵流量信息則傳輸至可編程控制器的輸出端口進行數據的調取，進而在在線監測系統中使用。

2 水泵取水流量在線監測系統的設計

2.1 水泵在線監測系統的主要功能

根據超聲波流量計對水泵的取水流量檢測所采集的數據，可以有效地對水泵的運轉狀態進行監視，并可依據不同的工況對水泵的狀態進行調整，通過數據的長期積累，可結合采集的數據進行設備故障的判定[10]，從而對設備及時進行維護，避免出現水泵運轉停機的狀態，影響鋼廠的生產運行。水泵取水流量在線監測系統的主要功能劃分如下頁圖2 所示，通過對取水流量的監測，對水泵的運行狀態進行評估[11]，依據工況的需求對水泵的運行進行調整，并進行一定的決策分析，使得水泵的運行效率有所提高，能量的消耗減小。

圖2 水泵在線監測系統的功能關系圖

對水泵的取水流量進行在線監測，使系統與現場控制的數據進行對接，采用增強型的生產管理數據存儲及顯示功能，構建組態分析曲線、數據診斷及故障報警的監測系統。在系統長期的運行過程中，對數據進行長期的存儲及處理，可實現對水泵設備運轉狀態的跟蹤，并依據系統的診斷分析，對系統的故障進行報警及診斷。在線監測系統的主要功能包括：

1）故障預警。依據水泵的運行狀態設定相應的流量變動范圍，當水泵的流量值發生異常時，系統進行相應的故障信息提示，并將報警記錄保存，可實現對報警記錄的查詢及調閱。

2）數據庫管理。通過系統的后臺生成相應的數據庫報表[12]，供現場人員進行系統的檢修及運行維護查閱。

3）組態曲線。依據水泵的運行狀態，生成動態的流量變化展示，在進行監測的過程中，可方便對水泵的流量進行比對，從而確定水泵的運行狀態，系統的顯示界面如圖3 所示（其中深色曲線為水泵運行的實際曲線流量曲線，其余兩條曲線為水泵運行的流量變化范圍曲線）。

圖3 水泵流量的比對曲線

4）故障管理。發生故障時，能對水泵的故障信息進行記錄，并進行故障分析，為后續的故障提供相應的解決辦法。

2.2 水泵流量在線監測系統的構建

通過超聲波傳感器進行水泵取水流量的數據采集，并通過通信模塊進行數據的傳輸，在存儲模塊中進行數據的存儲，通過專用的數據協議及分散控制系統可實現對數據的高速處理，并設置不同的采集頻率，從而實現系統數據計算的高效處理。建立水泵取水流量在線監測系統，通過分散控制系統對不同水泵的取水流量進行監測，可實現自動計算測量，通過系統的性能評價模型可實現對水泵運行性能的評價及水泵狀態的控制。

水泵取水流量在線監測系統的流程圖如圖4 所示，對水泵的流量信息進行采集，可實現對設備性能的分析；建立相應的數據庫，對系統的數據進行存儲、查詢及顯示，歷史數據可進行查詢，且通過顯示界面進行顯示，同時可進行相應的性能曲線的繪制，打印存儲所需的報表。

圖4 在線監測系統的流程圖

依據系統的取水流量監測數據對水泵的性能進行評價，實現對水泵故障的分析及預警。依據鋼廠使用的水泵系統維護經驗，給水泵常出現的故障主要有漏水、聯軸器損壞、軸承損壞等，這些故障可通過水泵的出力而被直接反映。此外，通過水泵的取水流量監測，以及水泵設備的故障預警及數據顯示，可以提高水泵的維護效率，提高鋼廠生產效率，保證設備的穩定運行。

3 結論

1）采用超聲波流量計進行水泵取水流量的測量，并通過取水流量的數據，建立在線監測系統，通過監測系統對采集到的水泵流量數據進行處理及存儲。

2）通過采集的水泵取水流量數據進行水泵性能的評價，并依據所需工況的不同，實現對水泵取水流量的實時調節，從而減小水泵的能量消耗。

3）依據系統的歷史數據，可以對水泵的工作狀態及故障進行預警，從而減少水泵維護的工作量，提高鋼廠水泵的穩定性。