關(guān)于高壓變頻器在介質(zhì)泵中的應(yīng)用研究

韓燕清

（陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司一礦選煤廠， 山西 陽泉 045000）

引言

介質(zhì)泵是選煤廠中重要的機(jī)械裝備，是電能消耗的關(guān)鍵設(shè)備[1-2]。與普通水泵相比較，介質(zhì)泵需要輸送的液體比較特殊。在選煤廠中介質(zhì)泵需要輸送的是包含有大量礦粉的懸浮液，會(huì)對(duì)泵體內(nèi)部零部件造成嚴(yán)重磨損，且泵的轉(zhuǎn)速越高磨損越嚴(yán)重[3-6]。如果將高壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到介質(zhì)泵中可實(shí)現(xiàn)泵轉(zhuǎn)速的有效控制，不但能延長(zhǎng)機(jī)電系統(tǒng)的使用壽命，同時(shí)還能節(jié)省大量的電能消耗，降低選煤廠日常運(yùn)行成本。

1 選煤廠現(xiàn)場(chǎng)介質(zhì)泵系統(tǒng)參數(shù)及存在的問題

1.1 選煤廠現(xiàn)場(chǎng)介質(zhì)泵系統(tǒng)參數(shù)

選煤廠于2015年正式建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)的生產(chǎn)能力為400萬t/a。介質(zhì)泵是整個(gè)選煤生產(chǎn)工藝的重要機(jī)械裝備，選煤廠內(nèi)部總共設(shè)計(jì)安裝了2臺(tái)介質(zhì)泵。如圖1所示為介質(zhì)系統(tǒng)工藝流程示意圖。

介質(zhì)泵系統(tǒng)涉及到的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：

1）電機(jī)參數(shù)。選用的電機(jī)型號(hào)為YKK500-10，該型號(hào)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)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(zhì)泵參數(shù)。選用的介質(zhì)泵型號(hào)為300ZJI-A100，總共有2臺(tái)介質(zhì)泵，介質(zhì)泵的楊程為55 m，額定的流量為1 500 m3/h。

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

圖1 介質(zhì)系統(tǒng)工藝流程示意圖

1.2 介質(zhì)泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)存在的問題

1）旋流器入料壓力的調(diào)節(jié)方法主要是對(duì)分流以及進(jìn)口閘門進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方法在實(shí)踐應(yīng)用中，無法將介質(zhì)泵調(diào)整到最佳運(yùn)行狀態(tài)，介質(zhì)泵經(jīng)常在非工作區(qū)或臨界狀態(tài)進(jìn)行工作，對(duì)介質(zhì)泵的性能造成了嚴(yán)重?fù)p害。由于無法對(duì)旋流器入料壓力進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，使得介質(zhì)泵長(zhǎng)時(shí)間處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。泵在啟動(dòng)過程中會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)造成嚴(yán)重沖擊，且在運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的振動(dòng)現(xiàn)象，介質(zhì)泵在停機(jī)過程中也會(huì)出現(xiàn)顯著的“水錘”作用。

2）由于介質(zhì)泵需要輸送的懸浮液濃度和介質(zhì)比重高、楊程也很大，其工作環(huán)境比較惡劣，使得機(jī)電設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，電能消耗大，溫度升高明顯。惡劣的使用環(huán)境使介質(zhì)泵內(nèi)部管道及相關(guān)系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴(yán)重磨損，經(jīng)常需要對(duì)其進(jìn)行停機(jī)維修。嚴(yán)重制約了選煤生產(chǎn)效率，不利于選煤廠的發(fā)展。

2 高壓變頻系統(tǒng)基本控制與邏輯方案

2.1 高壓變頻型號(hào)的選擇

根據(jù)介質(zhì)泵系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)參數(shù)，選用與之匹配的高壓變頻器，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)泵轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)整。本研究中選用6SR3502-6FD41-5BFO型號(hào)的高壓變頻器，該型號(hào)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(hào)高壓變頻器的工作效率可以達(dá)到96%以上[4-5]。

2.2 基本控制與邏輯方案

對(duì)上述選煤廠介質(zhì)泵系統(tǒng)中存在的問題，設(shè)計(jì)研究了一套高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。工作人員可以通過操作系統(tǒng)對(duì)介質(zhì)泵速度進(jìn)行控制，也可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。控制系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面，方便工作人員觀察調(diào)速系統(tǒng)和介質(zhì)泵系統(tǒng)的工作狀態(tài)。高壓變頻器通過高速光纖網(wǎng)絡(luò)與主控制室內(nèi)的控制系統(tǒng)進(jìn)行連接，系統(tǒng)可以輸出控制信號(hào)對(duì)高壓變頻器進(jìn)行控制，其中輸出的控制信號(hào)為4～20 mA的電流信號(hào)，不同電流值對(duì)應(yīng)不同的頻率或介質(zhì)泵轉(zhuǎn)速。

如圖2所示為選煤廠介質(zhì)泵系統(tǒng)變頻調(diào)速基本原理示意圖。結(jié)合選煤廠介質(zhì)泵系統(tǒng)的特征，選擇旋流器入料壓力作為控制信號(hào)，通過傳感器可以實(shí)時(shí)檢測(cè)入料壓力值，將檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后輸入到控制系統(tǒng)中。系統(tǒng)對(duì)輸入的實(shí)際入料壓力值進(jìn)行分析處理，判斷其是否滿足實(shí)際工況條件。如果系統(tǒng)判斷實(shí)際壓力值低于工況所需，控制系統(tǒng)輸出指令增加介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)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(tǒng)則輸出指令降低介質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速。通過這樣不斷的對(duì)泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠始終將泵的轉(zhuǎn)速維持在最佳工作狀態(tài)。

圖2 選煤廠介質(zhì)泵系統(tǒng)變頻調(diào)速基本原理示意圖

3 高壓變頻器在介質(zhì)泵中的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

3.1 減小電能消耗

基于供電和流體相關(guān)理論知識(shí)，可以計(jì)算得到泵的工作狀態(tài)對(duì)電能消耗的影響。電機(jī)和介質(zhì)泵在工作時(shí)存在下述的幾種關(guān)系：泵的轉(zhuǎn)速與電機(jī)頻率間存在正比例關(guān)系；泵流量與其轉(zhuǎn)速的立方又存在正比例關(guān)系；電機(jī)的實(shí)際功率與泵流量存在正比例關(guān)系。基于上述的關(guān)系可以推導(dǎo)得到電機(jī)實(shí)際功率與其工作頻率的立方存在正比例關(guān)系。技術(shù)改造前電機(jī)始終處于50 Hz的工作狀態(tài)，而使用高壓變頻器后，其平均工作頻率約為45 Hz，則可以計(jì)算得到節(jié)電率為27%。電機(jī)的額定功率為500 kW，如果電機(jī)每天運(yùn)行14 h，每年正常運(yùn)行300 d，那么每年可以節(jié)約的電能約為567 000 kWh。工業(yè)用電按平均0.7元/kWh進(jìn)行計(jì)算，則每年可以節(jié)約電費(fèi)567000×0.7=396 900 元[6]。

3.2 節(jié)約介質(zhì)泵系統(tǒng)配件

通過使用高壓變頻器，使得介質(zhì)泵管道及其他相關(guān)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(shù)改造后更換頻率為1.5 a更換1次。過流件的價(jià)格按照10萬元/件進(jìn)行計(jì)算，則平均每年可以節(jié)省3.33萬元。

3.3 提高生產(chǎn)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(wěn)定狀態(tài)，提升了精煤回收率，據(jù)統(tǒng)計(jì)精煤回收率提升了至少2%，可為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。