變頻泵在地面煤油加注系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊 寒，吳志堅(jiān)

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京100074）

0 引言

大推力運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)試車是初樣研究階段最復(fù)雜、最關(guān)鍵的大型地面試驗(yàn)，具有技術(shù)跨度大、工藝復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)。煤油加注系統(tǒng)是大推力運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的重要組成部分，其主要功能是按任務(wù)書要求連續(xù)、可靠、準(zhǔn)確地向箭上貯箱加注煤油。煤油加注順序?yàn)橄刃×髁考幼?，之后大流量加注，最后小流量加注并進(jìn)行定量補(bǔ)加。加注過(guò)程需對(duì)流量和補(bǔ)加量進(jìn)行精確控制。煤油加注流量較大，若采用傳統(tǒng)氮?dú)鈹D壓的加注工藝，擠壓壓力升高，所設(shè)計(jì)的煤油貯罐的壁厚增加，造成成本大幅度上升，同時(shí)擠壓工藝很難滿足流量及補(bǔ)加量精確控制的效果，因此不適用于大推力運(yùn)載火箭的加注需求。而采用變頻泵控制流量則具有穩(wěn)定性好，調(diào)節(jié)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，克服了擠壓加注的缺點(diǎn)，因此在靶場(chǎng)和地面試車場(chǎng)將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

1 泵選型分析

泵是利用外部能量輸送流體的流體機(jī)械，有葉片式和容積式2大類。葉片式中離心泵由于其具有安全可靠、流量均勻和易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于石化、電力、城市供水等行業(yè)，也能很好地適應(yīng)煤油加注工藝系統(tǒng)的需求，因此是很好和很現(xiàn)實(shí)的選擇。變頻調(diào)速技術(shù)是一種應(yīng)用前景廣泛的技術(shù)，原理是通過(guò)均勻改變定子供電頻率，平滑改變交流電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，利用交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率成正比的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)的目標(biāo)，使用變頻進(jìn)行流量控制，具有調(diào)速性能好、節(jié)能效果顯著、運(yùn)行安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。變頻泵的選擇依據(jù)實(shí)際工作中最大工況下的流量和揚(yáng)程等參數(shù)確定,加注過(guò)程對(duì)各種流量工況進(jìn)行人工調(diào)節(jié)。泵特性曲線和管道特性曲線都可引起工況點(diǎn)的改變。泵特性方程如下：

另外，管網(wǎng)設(shè)計(jì)是否合理、阻力大小、泵與管網(wǎng)匹配性等也是影響泵的選型依據(jù)。泵選用離心式，該泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、流量穩(wěn)定、性能參數(shù)好及便于維修等優(yōu)點(diǎn),加之煤油粘度小,非常適合離心泵的工況。離心泵工作時(shí)，其所提供的流量和壓頭應(yīng)與管路系統(tǒng)所要求的一致，聯(lián)解上述兩方程即可選型出合適的泵。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選用ISY125－100－250B型號(hào)離心泵，有關(guān)參數(shù)如下：

Q＝104 m3/h H＝75.8 m N＝37 kW

η＝66% Hs＝3.8 m n＝2 950 r/min

2 流量調(diào)節(jié)

流量控制是煤油加注的核心內(nèi)容，對(duì)于煤油加注來(lái)說(shuō)，技術(shù)上可行的流量調(diào)節(jié)方案不止一個(gè)。為了找出最優(yōu)方案，首先必須根據(jù)管道系統(tǒng)的特點(diǎn)，通過(guò)水力模擬，確定出各種可行的流量調(diào)節(jié)方案，然后再對(duì)它們進(jìn)行評(píng)價(jià)比較，確定出最優(yōu)方案。常用的流量控制方法包括節(jié)流控制、旁路調(diào)節(jié)和變頻調(diào)速調(diào)節(jié)等[1]。

2.1 節(jié)流控制

這是一種最常用的離心泵流量控制方法，在加注管路上安裝節(jié)流調(diào)節(jié)閥或限流孔板，通過(guò)改變調(diào)節(jié)閥開度或限流孔板面積從而改變管路中的局部阻力，使管路特性曲線發(fā)生變化。開大閥門或增大限流孔板面積，管路特性曲線變平坦，流量向增大方向變化；關(guān)小調(diào)節(jié)閥時(shí)，管路中局部阻力損失增加，需要泵提供更多能量頭來(lái)克服這個(gè)附加阻力損失，當(dāng)泵在接近允許最小流量范圍運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，效率低下，動(dòng)力端提供相當(dāng)部分能量將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，泵效率急劇下降，而?dǎo)致泵內(nèi)流體溫度升高，葉輪燒壞，系統(tǒng)可靠性降低。同時(shí)若流速過(guò)大,流體處在紊流狀態(tài)，沿程損失猛增,管道壓力增大，管路振動(dòng)加大。

2.2 旁路調(diào)節(jié)

在這種裝置中，煤油出泵后分2路：一路為加注管路；另一路返回煤油貯罐。調(diào)節(jié)閥安裝在旁通路上，在最小流量時(shí)打開調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，泵選型時(shí)應(yīng)把旁路流量附加到操作流量上，使用過(guò)程中可能存在泵出力不夠的情況。另外當(dāng)使用旁路調(diào)節(jié)時(shí)，旁路打開后如果壓力控制不好，高壓煤油可能返回煤油貯罐從而造成超壓引起事故發(fā)生。另外，使用旁路調(diào)節(jié)還存在經(jīng)濟(jì)性差和由于增加一套回路而使工藝系統(tǒng)變得復(fù)雜，可靠性降低的缺點(diǎn)。

2.3 變頻調(diào)速調(diào)節(jié)

交流異步電動(dòng)機(jī)有3種基本調(diào)速方法，即變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速、變頻調(diào)速。變頻調(diào)速是其中一種最理想的調(diào)速方法，由整流器、濾波系統(tǒng)和逆變器3部分組成。工作時(shí)先將三相交流電經(jīng)橋式整流為直流電，脈動(dòng)的直流電壓經(jīng)平滑濾波后在微處理器調(diào)控下，用逆變器將直流電再逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電源，輸出到需要調(diào)速的電動(dòng)機(jī)上。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，通過(guò)變頻器可改變電源輸出頻率從而任意調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速。由于采用恒轉(zhuǎn)矩特性,變頻調(diào)速后的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不變,拖動(dòng)力矩恒定,輸出流量穩(wěn)定，運(yùn)行可靠。異步電機(jī)轉(zhuǎn)速公式如式（ 2）所示[2]。

式中：n為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；f為異步電動(dòng)機(jī)的頻率；s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。

當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，泵的流量、壓頭隨之發(fā)生變化，并引起泵的效率和功率相應(yīng)改變，通過(guò)變頻器的頻率來(lái)控制輸油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到改變泵的輸出流量目的：頻率增加電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，泵輸出流量增加；頻率降低電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，泵輸出流量減少。

圖1 泵的特性曲線Fig.1 Characteristic curves of pump

圖1中，N1為泵的揚(yáng)程－流量特性曲線；C1為管路特性曲線[3]；曲線1為泵在給定轉(zhuǎn)速下滿負(fù)荷,即系統(tǒng)閥門全開時(shí)運(yùn)行時(shí)的揚(yáng)程、流量點(diǎn)和效率點(diǎn)的軌跡；曲線2為部分負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)閥門部分開時(shí)的阻力特性曲線,即泵要克服磨擦,壓力隨流量的平方而變化。泵運(yùn)行工況點(diǎn)是泵的特性曲線與管路阻力曲線的交點(diǎn),當(dāng)用閥門控制時(shí),由于要減少流量,就要關(guān)小閥門,使閥門的摩擦阻力變大,阻力曲線從1移到2,揚(yáng)程則從H1移到H2，流量從Q1減小到Q2,運(yùn)行工況點(diǎn)從C1移到C2。

對(duì)于實(shí)際的分布式變頻泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)管網(wǎng)，當(dāng)管網(wǎng)的管線已確定時(shí),根據(jù)不同加注時(shí)段的流量要求，就可以直接模擬出變頻泵的性能參數(shù)，之后根據(jù)變頻泵不同流量下的工作點(diǎn)，根據(jù)泵的相似定律,便可求出泵對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的特性曲線，同時(shí)畫出管網(wǎng)的阻力特性曲線。

3 變頻調(diào)節(jié)及數(shù)據(jù)采集

由于煤油加注流量覆蓋范圍較寬，為了更好地實(shí)現(xiàn)中低流量的加注要求，泵后設(shè)置閥門來(lái)調(diào)節(jié)管道阻力，調(diào)試過(guò)程中使用其進(jìn)行流量調(diào)試。實(shí)際加注過(guò)程中，將該閥門開度控制在某一位置，對(duì)變頻器的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。變頻器為ABB公司的ACS510型,根據(jù)加注口令，通過(guò)變頻器內(nèi)置PID自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出頻率，利用PLC200程序進(jìn)行信號(hào)處理與邏輯控制。ACS510型為泵和風(fēng)機(jī)類專用變頻器，可以實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制、循環(huán)軟啟動(dòng)、電機(jī)自動(dòng)輪換、頻率補(bǔ)償及電機(jī)互鎖等諸多功能[3]。該變頻器還具有以下特點(diǎn)：1）高可靠性，返修率僅為0.5%；2）多功能，如內(nèi)置PID調(diào)節(jié)功能、可編程PLC功能，可方便地用于煤油加注的精確控制；3）較高的電網(wǎng)電壓適應(yīng)范圍，可在較大的電壓范圍內(nèi)使用，從而減少了由于環(huán)境電壓不穩(wěn)而對(duì)變頻器造成的不利影響。

流量采集使用羅斯蒙特8800DF040擴(kuò)展型數(shù)字式渦街流量計(jì)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便。輸出為脈沖頻率，其頻率與被測(cè)量流體的實(shí)際體積流量成正比，它不受流體組分、密度、壓力及溫度的影響；量程比寬，可達(dá)10:1，甚至更高；壓損小 (約為孔板流量計(jì)1/4～1/2)，無(wú)可動(dòng)部件，可靠性高；精確度較高，可適用液體、氣體和蒸汽。羅斯蒙特8800DF040擴(kuò)展型數(shù)字式渦街流量計(jì)能充分滿足加注過(guò)程的具體要求，準(zhǔn)確、客觀、實(shí)時(shí)地反映總體提出的各項(xiàng)流量技術(shù)指標(biāo)[4]。

煤油加注過(guò)程主要分幾個(gè)階段：小流量加注、大流量加注、小流量加注及定量補(bǔ)加。小流量和大流量加注頻率分別為15 Hz和35 Hz。試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行全程數(shù)據(jù)采集，流量測(cè)定時(shí)使用2臺(tái)互為備份的流量計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 某次試驗(yàn)煤油加注流量數(shù)據(jù)Fig.2 Kerosene filling flow data in one test

由圖2可見(jiàn)，開始加注階段，流量波動(dòng)較大，此時(shí)管道特性與泵輸出特性不匹配；調(diào)節(jié)泵出口為某一固定開度，變頻器頻率設(shè)置在15 Hz，流量數(shù)據(jù)開始保持穩(wěn)定在450 L/min，流量數(shù)據(jù)整個(gè)大流量加注過(guò)程流量曲線平緩，流量參數(shù)穩(wěn)定。小流量加注特別是補(bǔ)加時(shí)，可以獲得穩(wěn)定的補(bǔ)加流量。整個(gè)加注過(guò)程無(wú)明顯壓力峰，流量計(jì)前、后壓力等參數(shù)保持穩(wěn)定，說(shuō)明煤油在輸送過(guò)程管道狀態(tài)良好，無(wú)氣蝕。所獲得的加注流量值基本滿足使用需求，2臺(tái)流量計(jì)讀數(shù)差別很小，數(shù)據(jù)高度吻合，標(biāo)準(zhǔn)偏差σ=0.015 L/s，相對(duì)誤差≤0.2%。這說(shuō)明流量數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確、真實(shí)、可靠，試驗(yàn)驗(yàn)證方案正確，加注過(guò)程平穩(wěn)。

4 結(jié)語(yǔ)

使用變頻泵進(jìn)行加注是最有發(fā)展前途的流量控制手段，但在火箭推進(jìn)劑加注系統(tǒng)中應(yīng)用較少。采用變頻調(diào)速泵進(jìn)行煤油加注，能滿足大推力運(yùn)載火箭加注系統(tǒng)加注流量跨度大，控制精度高，大小流量間切換靈活的具體要求，是確保煤油加注系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)期運(yùn)行的有效途徑。實(shí)踐證明采用變頻泵進(jìn)行加注,不僅能對(duì)加注流量進(jìn)行精確調(diào)節(jié),而且對(duì)于提高整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，減輕操作人員的誤操作，提高系統(tǒng)的可靠性均具有顯著的效果。煤油加注系統(tǒng)使用變頻泵加注方式已成功完成數(shù)次動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)，各次試驗(yàn)加注狀態(tài)良好，滿足總體提出的各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)要求。

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