淺談電解鋁循環(huán)水泵節(jié)電技術改造

摘 要：隨著社會可持續(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)水泵實際情況出發(fā)，對冷循環(huán)卻水水泵自動控制節(jié)電技術進行介紹。

關鍵詞：電解鋁;循環(huán)水泵電機;節(jié)電

0 引言

我國政府在“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?，F(xiàn)階段隨著我國經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，在各個領域中開展節(jié)能減排已經(jīng)逐漸成為常態(tài)，對于石化工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、冶金工業(yè)等領域，提出更為詳細、嚴格的節(jié)能減排任務，為進一步降低用電成本，實現(xiàn)節(jié)能增效，變頻節(jié)能技術得到了快速推廣，電動機耗電量占全國總消費電能的60-70%，因此抓好電動機節(jié)能刻不容緩。

1 變頻技術的發(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，風機、泵類設備應用范圍廣泛;其電能消耗和諸如閥門、擋板相關設備的節(jié)流損失以及維護、維修費用占到生產(chǎn)成本的7%-25%，是一筆不小的生產(chǎn)費用開支。八十年代末，變頻調(diào)速技術引入我國并得到推廣?，F(xiàn)已在電力、冶金、石油、化工、造紙、食品、紡織等多種行業(yè)的電機傳動設備中得到實際應用。目前，變頻調(diào)速技術已經(jīng)成為現(xiàn)代電力傳動技術的一個主要發(fā)展方向。卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果，改善現(xiàn)有設備的運行工況，提高系統(tǒng)的安全可靠性和設備利用率，延長設備使用壽命等優(yōu)點隨著應用領域的不斷擴大而得到充分的體現(xiàn)。

根據(jù)生產(chǎn)需要對爐膛壓力、風速、風量、溫度等指標進行控制和調(diào)節(jié)以適應工藝要求和運行工況，最常用的控制手段則是調(diào)節(jié)風門、擋板開度的大小來調(diào)整受控對象。這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風機都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以風門、擋板的節(jié)流損失消耗掉了。近年來，出于節(jié)能的迫切需要和對產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的要求，加之采用變頻調(diào)速器（簡稱變頻器）易操作、免維護、控制精度高，并可以實現(xiàn)高功能化等特點;因而采用變頻器驅動的方案開始逐步取代風門、擋板、閥門的控制方案。變頻調(diào)速技術的基本原理是根據(jù)電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系：n=60f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數(shù)）;通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。當電機轉速從N1變到N2時，其電機軸功率（P）的變化關系如下：P2/P1=（N2/N1）3，由此可見降低電機轉速可得到立方級的節(jié)能效果。

2 電解鋁廠水泵運行現(xiàn)狀

①一廠動力車間循環(huán)冷卻水泵目前開二臺備用二臺，并聯(lián)裝機，所配電機功率37kW兩臺30kW兩臺，四極電機，轉速1470r/min;②一廠空壓站循環(huán)冷卻水泵目前開二臺備用二臺，并聯(lián)裝機，所配電機功率30kW，四級電機，轉速1470r/min;③二廠動力車間循環(huán)冷卻水泵目前開二臺備用一臺，并聯(lián)裝機，所配電機功率37kW，四級電機，轉速1480r/min;④二廠空壓站循環(huán)冷卻水泵目前開兩臺備一臺并聯(lián)運行，所配電機功率30kW，四級電機，轉速1470r/min;⑤空壓站冷卻塔循環(huán)冷卻水泵目前開一臺備用二臺，并聯(lián)裝機，所配電機功率18.5kW，四級電機，轉速1470r/min。

3 水泵全自動控制改造

節(jié)能改造技術及實施方案：

根據(jù)目前循環(huán)水泵運行情況及工藝要求，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，動力車間冷卻循環(huán)泵必須兩臺泵并列運行，一旦單臺泵發(fā)生故障，另一臺泵仍能滿足運行需求，不會因付水循環(huán)泵故障停機造成電解系列全系列停電。

基于動力車間付水冷卻循環(huán)泵的特殊運行要求，在開發(fā)PLC控制程序時，我們將付水循環(huán)水泵的運行狀態(tài)均引入PLC內(nèi)，由PLC程序根據(jù)水泵運行狀態(tài)自動設定變頻器頻率，一旦發(fā)生任意一臺泵故障停機，另一臺泵變頻器設定頻率自動提高，并對最高設定頻率加以限制，以適應電解系列生產(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)，同時增設循環(huán)水泵檢修程序。在切換至檢修狀態(tài)下，先啟動第三臺循環(huán)泵，待第三臺泵啟動運行正常后，人為切除待維護保養(yǎng)的循環(huán)泵，原并列運行的循環(huán)泵在人為切除后，另一臺泵變頻器頻率不再自動抬升，維持原設定頻率運行，實現(xiàn)循環(huán)泵的無憂倒切。

改造后循環(huán)系統(tǒng)閥門不需要調(diào)整，閥門開度保持在一個最大的位置上，通過采用智能動態(tài)算法，調(diào)整電機的運行頻率（電機轉速）來動態(tài)調(diào)整出口流量，通過基于對需求變換的預測，實現(xiàn)更高效的節(jié)能，從而減少了電機工頻啟動造成的沖擊，降低對水泵及電機的磨損，進一步優(yōu)化了設備運行狀態(tài)，同時具有良好的過載能力以及過流保護措施，保證設備的安全穩(wěn)定運行。

4 改造后的節(jié)能效果分析

4.1 動力車間循環(huán)冷卻水泵改造后的節(jié)能分析

一、二分廠動力車間循環(huán)冷卻水泵各開兩臺，總額定功率為148kW，水泵工頻實際運行總電流約為272A，工頻實際運行功率：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原則，Q2（改造后實際所需流量）=Q1（改造前實際所需總流量），改造前、后水泵額定流量Q，由功率與流量（轉速）的三次方成正比可知變頻調(diào)速后水泵運行功率：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)冷卻水泵目前開一臺備用三臺，總功率為30kW，水泵工頻運行實測總電流約為58A，工頻運行功率：P1=U×I×1.732×COSφ/1000=380×58×1.732×0.75/1000≈29kW，循環(huán)水泵改造后，一廠空壓站由原來的開一備三改為開二備二方式運行，即電機總功率為60kW，變頻運行預計功率：根據(jù)改造水泵總流量不變原則，即改造后流量Q2（改造后實際所需流量）=Q1（改造前實際所需總流量），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臺運行改為三臺全部運行，冷卻塔水泵由目前的一臺改為2臺運行。總功率為78.5kW，水泵工頻運行實測總電流約為150A，工頻運行功率：P1=U×I×1.732×COSφ/1000=380×150×1.732×0.75/1000≈74kW，同樣根據(jù)上述方法測算，改造水泵運行功率=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=41.25萬元。

5 改造的優(yōu)點

①實現(xiàn)電機軟啟動，啟動電流可限制在額定電流以內(nèi)，避免啟動電流對供電線路的沖擊，提高了供電系統(tǒng)的可靠性;②降低了水泵的平均轉速，降低了電機水泵的磨損，延長了水泵和閥門的使用壽命，減少維護費用;③實現(xiàn)了水泵自動切換，即使變頻調(diào)速裝置出現(xiàn)故障，可自動切換到原狀態(tài)下運行，保證了設備運行的連續(xù)穩(wěn)定性。

6 結論

目前水泵變頻調(diào)速控制模式已投運272天，運行平穩(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，達到了循環(huán)水系統(tǒng)水泵節(jié)能改造的預期目標。

作者簡介：

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