循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的復(fù)合節(jié)電方式實(shí)踐

李 毅，楊 浪，譚春江，羅 偉

（昆明醋酸纖維有限公司，云南昆明 650224）

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循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的復(fù)合節(jié)電方式實(shí)踐

李 毅，楊 浪，譚春江，羅 偉

（昆明醋酸纖維有限公司，云南昆明 650224）

以并聯(lián)水泵供水的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為節(jié)電對象，分步實(shí)施了水泵葉輪切削，單臺水泵變頻調(diào)速的組合控制方案，優(yōu)化了水泵的工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)的恒壓供水，完全消除了泵后閘閥的節(jié)流損失，總體節(jié)電率達(dá)46．8%。

循環(huán)水系統(tǒng)；水泵；節(jié)電

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在流程工廠中廣泛使用，它向需冷卻的工藝設(shè)備提供冷卻水源，保證其連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。為了循環(huán)和冷卻目的，這樣的系統(tǒng)會使用大量的水泵、風(fēng)機(jī)等耗電設(shè)備。

在熱電廠中，風(fēng)機(jī)、水泵占廠用電量的比例較高，約65%［1］，而大多數(shù)的風(fēng)機(jī)和水泵還是通過風(fēng)門或閘閥來調(diào)節(jié)流量，屬于耗能方式。這種狀況與技術(shù)水平和粗放的工業(yè)設(shè)計(jì)有關(guān)：由于工藝的復(fù)雜性，設(shè)備和管道系統(tǒng)阻力難以做到精確計(jì)算，為保險(xiǎn)起見，設(shè)計(jì)人員就以更大的安全裕量來選擇水泵，而輔以閥門節(jié)流，以控制所需的揚(yáng)程和流量，這種現(xiàn)象很普遍。這些系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，普遍存在大馬拉小車，機(jī)泵效率低，能源浪費(fèi)大的現(xiàn)象，存在著較大的改進(jìn)機(jī)會和節(jié)電空間。

1 改造前系統(tǒng)工況

本實(shí)例是熱電站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，它向汽機(jī)凝汽器、冷油器、鍋爐風(fēng)機(jī)的液力耦合器冷油器、風(fēng)機(jī)軸承等提供冷卻用水，見圖1所示。

熱電站循環(huán)水系統(tǒng)的水泵站共有5臺水泵，并聯(lián)，通常2用3備，通過調(diào)整每臺水泵出口的手動(dòng)閘閥開度，實(shí)現(xiàn)對供水揚(yáng)程和流量的控制。水泵型號：300S－32，H＝32 m，Q＝790 m3／h；電機(jī)型號：Y2－280M－4，90 kW，380 V，167 A，cosφ＝0．87。水泵站的泵機(jī)配置和在不同工況下的耗電情況（以電流值計(jì)）見表1。

圖1 熱電循環(huán)冷卻水系統(tǒng)示意圖Figure 1 Schematic thermoelectric cooling water system

表1 改造前水泵站的運(yùn)行情況Table1 Operation before a pumping station renovation

2 問題及節(jié)電分析

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，供水總管壓力保持在約0．14MPa，每臺運(yùn)行的水泵出口閥門開度大約為30%，循環(huán)水泵出口管壓力表指示在0．36～0．40 MPa。這說明閘閥存在明顯的富裕揚(yáng)程損失，而此時(shí)泵的電機(jī)電流已接近額定電流。試圖開大閘閥的開度，但會導(dǎo)致電機(jī)過流，好象沒有節(jié)電空間，或者是水泵所匹配的電機(jī)功率太小。但事實(shí)并非如此，因此，結(jié)合水泵性能曲線和管路系統(tǒng)特性曲線作分析如下（見圖2）。

圖2 工作點(diǎn)和節(jié)能分析Figure 2 Operating point and electricity saving analysis

設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者根據(jù)計(jì)算確定系統(tǒng)所需的揚(yáng)程和流量等參數(shù)，然后選擇相應(yīng)規(guī)格的泵，確保工作點(diǎn)處在泵的高效區(qū)，并以此來匹配電機(jī)。假如圖中“B”點(diǎn)（揚(yáng)程Hb和流量Qb）是設(shè)計(jì)的工作點(diǎn)，Q-H是所選水泵的性能曲線，那么此時(shí)ηb應(yīng)是泵的高效點(diǎn)，Pb應(yīng)是最經(jīng)濟(jì)的電機(jī)配置功率。

但是，泵的實(shí)際工作點(diǎn)是由水泵性能曲線QH與管路系統(tǒng)特性曲線（Q-H）需的交點(diǎn)位置來確定的。泵一旦選定，其Q-H，P-H，η-H等性能曲線就確定了，此時(shí)的交點(diǎn)只能取決于管路系統(tǒng)阻力的特性曲線（Q-H）需，即兩條線自然相交的“A”點(diǎn)?？梢钥闯?，“A”點(diǎn)偏離了設(shè)計(jì)的“B”工作點(diǎn)，此時(shí)對應(yīng)的泵效率ηa＜ηb，泵軸功率Pa＞Pb。表現(xiàn)為“A”點(diǎn)泵效率降低，電機(jī)過流，其對應(yīng)的揚(yáng)程Ha和流量Qa也不能滿足設(shè)計(jì)要求。出現(xiàn)這種情況，通常表明設(shè)計(jì)者對泵規(guī)格選型偏大或者高估了管道系統(tǒng)阻力，而實(shí)際的管道系統(tǒng)特性曲線較為平坦，電機(jī)出現(xiàn)過流并非是水泵和電機(jī)不匹配。

要達(dá)到設(shè)計(jì)的揚(yáng)程和流量，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)通常安裝出口閥門來調(diào)節(jié)開度，人為改變管路系統(tǒng)特性曲線至（Q-H）需1，它與Q-H曲線交于“B”點(diǎn)，形成新的穩(wěn)定工作點(diǎn)，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

但是，由于在系統(tǒng)中增加了閘閥的開度調(diào)節(jié)，造成了在閥門上BB’段的揚(yáng)程損失。這也說明這段揚(yáng)程對系統(tǒng)來說是多余的，是設(shè)計(jì)出來的富裕量，這就是閘閥上的節(jié)流損失。要實(shí)現(xiàn)水泵系統(tǒng)的節(jié)能首先就需要消除這部分的節(jié)流損失。通過閥門改變管道系統(tǒng)特性曲線總是耗能的，只有從另一方面對水泵的性能曲線進(jìn)行改變。而水泵的性能曲線是在指定的葉輪直徑和轉(zhuǎn)數(shù)下試驗(yàn)所得，所以可通過改變水泵葉輪直徑和控制水泵速度來改變泵的性能曲線。葉輪直徑和速度對泵的揚(yáng)程和流量的影響趨勢見圖3。

圖3 變徑和變速后泵的性能曲線變化Figure 3 Change in the pump performance curves after reducers and variable speed

3 節(jié)電方案和效果

3.1 切削水泵葉輪直徑

由于可供選擇的水泵規(guī)格的有限性，水泵選型未必都能滿足用戶對揚(yáng)程和流量等的精確要求，所以泵的制造廠家是允許對泵的葉輪在一定范圍內(nèi)進(jìn)行切削的。根據(jù)水泵的車削定律，對水泵的葉輪直徑D進(jìn)行改變至D1、D2，將得到一組相似的水泵性能曲線，同樣滿足相似律［2］：

式中：D為葉輪直徑，Q為泵流量；H為泵揚(yáng)程；P為泵軸功率。

由于變徑是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的過程，故在切削水泵葉輪時(shí)，需要精確計(jì)算。首先確定最大容許的切削量，以確保泵的效率不受太大影響，而這個(gè)切削量與泵的比轉(zhuǎn)數(shù)ns相關(guān)，本案例中：

式中：n為泵的轉(zhuǎn)速，r／min；Q為流量，m3／s；H為揚(yáng)程，m；ns為比轉(zhuǎn)數(shù)。查表得到最大車削量應(yīng)≤11%。［3］

先期委托水泵廠切削加工，以逐步切削的方式，并把直徑減小后的葉輪裝回泵中進(jìn)行試驗(yàn)，觀察泵后的閥門能否全打開，電機(jī)是否過流。經(jīng)過多次切削試驗(yàn)，葉輪直徑從352 mm減小到326 mm，切削比例為7．4%（＜11%），此時(shí)閥門能夠全打開，電機(jī)電流也低于額定電流。后來公司由機(jī)加工車間自主加工車削葉輪，簡單易行，幾乎沒有成本。

葉輪切削前后的泵性能曲線的變化見圖4①由昆明水泵廠提供。。

圖4 葉輪切削前后的泵性能曲線Figure 4 Performance curves of impeller pump before and after cutting

從改造前后的性能曲線比較看，泵的揚(yáng)程下降6m，所需功率相應(yīng)降低約14%，實(shí)現(xiàn)了部分節(jié)電。

3.2 變頻改造

葉輪的切削量是有限的，且不可逆轉(zhuǎn)，但工藝設(shè)備的開停需要控制相應(yīng)水泵的開?；蜷y門的開度，以便調(diào)整流量和揚(yáng)程。同樣，隨著氣溫和冷卻負(fù)荷的變化，系統(tǒng)的工作點(diǎn)也會出現(xiàn)變化，也需要做出及時(shí)的調(diào)整控制。顯然，通過葉輪切削方式無法滿足所有變化，大多數(shù)情況下還是需要保留閘閥節(jié)流調(diào)節(jié)。變頻調(diào)速作為成熟的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)水泵的大范圍的無級調(diào)速，還可以靈活引入反饋信號形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水的自動(dòng)調(diào)節(jié)。隨著水泵速度的改變，其特性符合下列關(guān)系。

可以看出，水泵功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。水泵可能需要根據(jù)工況和天氣等原因在較大范圍內(nèi)調(diào)速，因此，潛在的節(jié)電空間也可能會很大。但變頻器造價(jià)高，針對多臺水泵并聯(lián)供水系統(tǒng)，本例只對一臺水泵電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，就完全能夠達(dá)到控制和節(jié)能的作用。

在本案例中，安裝1臺90 kVA變頻器對1臺水泵電機(jī)進(jìn)行控制。取供水總管的壓力變送器4 ～20 mA信號送變頻器作為反饋信號，與設(shè)定供水壓力信號進(jìn)行比較。通過設(shè)置在變頻器中的PID算法對水泵調(diào)速，實(shí)現(xiàn)供水總管壓力的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)在保證了恒定壓力供水的前提下，實(shí)現(xiàn)了降速后的顯著節(jié)電。改造后，變頻泵運(yùn)行在28 Hz，此時(shí)變頻器顯示面板上顯示值僅是額定功率的17%。

3.3 應(yīng)用效果

通過葉輪切削和增加變頻調(diào)速改造后，在大多數(shù)的工況下，系統(tǒng)由1臺經(jīng)過葉輪變徑的工頻泵和1臺調(diào)速的變頻泵組合運(yùn)行，并聯(lián)泵的總性能曲線（Q-H）’有較大的變化，見圖5。

圖5 葉輪切削和變速的組合運(yùn)行工作點(diǎn)分析Figure 5 The operating point analysis of combined impeller speed cutting and reducing

圖5中Qd1＞Qn1，說明經(jīng)過葉輪切削的泵（運(yùn)行在工頻下）作為主供水泵，由變頻器控制的水泵作為輔助供水，調(diào)整泵速實(shí)現(xiàn)供水總管的壓力閉環(huán)自動(dòng)控制。當(dāng)系統(tǒng)需要的供水量可由一臺水泵保證供應(yīng)時(shí)，則優(yōu)先單獨(dú)使用變頻泵供水。

這個(gè)組合運(yùn)行方案很好地適應(yīng)了天氣、冷卻水需求等的變化，并消除了人為調(diào)整，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了控制精度，實(shí)現(xiàn)了恒壓供水，徹底消除了閘閥上的節(jié)流損失。系統(tǒng)投入使用多年后，運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)電效果顯著，見表2。

表2 葉輪切削變頻改造前后的耗電比較Table 2 Compares the power consumption before and after the impeller cutting frequency transformation

另外，在本項(xiàng)目完成之后，我們還以六西格瑪項(xiàng)目形式，遵循“定義—測量—分析—改進(jìn)—控制”的步驟［4］，通過開展工藝試驗(yàn)、遵循最佳實(shí)踐、優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，最終進(jìn)一步減少了系統(tǒng)的循環(huán)水量和不必要的揚(yáng)程，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的節(jié)電。

4 結(jié)語

1）在供水系統(tǒng)中，當(dāng)水泵后的閘閥不能全打開時(shí)，就有一定的節(jié)電空間。閘閥開度越小，節(jié)電空間越大。

2）葉輪切削和變頻調(diào)速的組合改造，結(jié)合了兩者的優(yōu)勢，既實(shí)現(xiàn)了恒壓供水，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，又使得改造成本大大降低，節(jié)電效果顯著，項(xiàng)目的投資回收期小于1年。

［1］王汝武．電廠節(jié)能減排技術(shù)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：204－205．

［2］劉家春，楊鵬志，劉軍號，等．水泵運(yùn)行原理與泵站管理［M］．北京：中國水利水電出版社，2009：25．

［3］上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院．化工工藝設(shè)計(jì)手冊：上冊［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1986：773－775．

［4］馬林，何楨．六西格瑪管理［M］．北京：中國人民大學(xué)出版社，2007：103．

The Application of Composite Mode for Saving Electricity with Circulation Water System

LI Yi*，YANG Lang，TAN Chun-jiang，LUO Wei

（Kunming Cellulose Acetate Fiber Co．，Ltd，Kunming 650224）

This paper studied the circulating cooling water system with pumps in parallel for saving electricity，and introduced implementation of combination plan of pump impeller trimming plus a single pump′s VFD．The system has achieved optimization with pump working point and automatic constant control with water supply pressure，completely eliminating pump valve throttling losses and realizing a remarkable power saving as high as 46．8%．

circulating cooling water system；pumps in parallel；electricity saving

TQ083

A

1004-275X（2014）02-0057-04

12．3969／j．issn．1004-275X．2014．02．017

收稿：2014-02-21

李毅（1964-），男，四川遂寧人，電氣工程師，國家注冊安全工程師，從事技術(shù)管理、安全管理、節(jié)能降耗和電儀運(yùn)行和維修管理工作。E-mail：liyial＠163．com