礦山用電泵節能控制*

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礦山用電泵節能控制*

鄭龍平，李光耀

(上海電機系統節能工程技術研究工程中心有限公司，上海200063)

摘要針對泵站的電耗因素分析，給出電耗計算關系式，并通過軟件程序計算電泵耗電量；加入自動化儀表實時監測運行數據，反饋到程序軟件中得出實時檢測結果，通過調速使得電泵耗電量達到理想節能值。

關鍵詞電泵；節能；耗電量；調速裝置

0引言

礦山用電泵節能控制主要是節省電泵的耗電量，耗電量與水泵的流量、壓力，管網的管道直徑大小、閥門數量及其布置、電機的輸入、輸出功率等參數有關。因此，礦山用電泵的節能運行，需通過對供水系統的工藝要求(壓力、流量等)和設備參數(泵、電動機、閥門、調速裝置)的合理匹配與調節，使得輸送水系統百米噸水耗電量為最小值，這樣電泵系統整體運行效率最高。

1電泵節能控制耗電量計算

電泵的噸水電耗表達式[1]

(1)

式中，W—噸水電耗值(kw.h/m3)；H(Q，t)—泵站提供的總揚程(m)；H0(Q，t)—工藝要求泵站的總揚程(m)；ηmax(Q，H)—泵站設備整體運行的最大效率(%)，該效率不是所有設備最高效率的乘積，它是指在對應工況(Q,H)，在所有可能的調節手段中能達到的最高效率。式中第一部分代表泵所能實現的最小噸水電耗；第二部分代表了當前工況下，泵站存在的節電能力。

△H(Q,t)是泵站浪費的寬裕揚程

△H(Q,t)=H(Q,t)-H0(Q,t)

(2)

△η(Q,H)是泵站實際整體運行效率η(Q,H)與最大效率ηmax(Q,H)之間的差值，即效率偏差

△η(Q,H)=ηmax(Q,H)-η(Q,H)

(3)

η(Q，H)是流量Q與揚程H的函數，它的表達式如下

η(Q，H)=ηD(Q，H)×ηS(Q，H)×ηC(Q，H)×

ηT(Q，H)×ηG(Q，H)

(4)

式中，ηD(Q，H)—電機運行效率；ηS(Q，H)—水泵運行效率；ηC(Q，H)—傳動機構運行效率；ηT(Q，H)—調速裝置運行效率；ηG(Q，H)——管網運行效率。

調速裝置效率計算：電源輸入調速裝置視在功率S

(5)

式中，Ur—電源輸入線電壓；Ir—電源輸入線電流。

調速裝置的輸入功率PT1計算

(6)

式中,cosφ—供電電源的功率因數。

調速裝置輸出功率PT2，在此需將不同頻率負載下輸入功率與效率曲線導入引用,以便根據輸入功率和效率計算出輸出功率PT2

PT2=PT1×ηT

(7)

式中,ηT—此輸入功率對應調速裝置的效率，也可將調速設備上自動顯示的電流、電壓進行計算。

(8)

式中，Ur—電源輸入線電壓；Ir—電源輸入線電流；變頻器的輸入電壓是不變的，輸出電壓和輸出頻率，呈正比關系。

電機效率計算：電機輸入功率PD1等于調速裝置輸出功率PT2

PT2=PD1

(9)

在此需將不同頻率負載下輸入功率與效率曲線導入引用,以便根據輸入功率和效率計算出輸出功率PD2

PD2=PD1×ηD

(10)

式中，PD1—電機輸入功率；ηD—此輸入功率對應電機的效率，電機效率ηD還可按如下計算

(11)

式中，∑PD—電機總損耗。

∑PD=PFe+Pcu1+Pcu2+PFw+PS

(12)

式中，PFe—電機某工作點鐵耗與電機額定設計值一致；PCu1—電機某工作點定子銅耗；PCu2—電機某工作點轉子銅耗；PFw—電機某工作點機械耗與電機額定設計值一致；Ps—電機某工作點雜散損耗與電機額定設計值一致。

電機某工作點定子銅耗 PCu1計算

PCu1=IC2R1

(13)

式中，R1—定子相電阻。

電機某工作點轉子銅耗PCu2計算

PCu2=sPem

(14)

式中，s—轉差率；Pem—電磁功率。

電磁功率Pem計算

(15)

式中，PN—電機額定功率。

轉差率s計算

(16)

式中，n—實時轉速；nN—同步轉速。

當設備中沒有調速裝置，電機輸入功率PD1計算

(17)

式中，cosφ—供電電源的功率因數；S—電源輸入電機視在功率。

(18)

式中，Ur—電源輸入線電壓；Ir—電源輸入線電流。

水泵效率ηS計算

(19)

水泵輸入功率(軸功率)PS1等于電機輸出功率PD2

PD2=PS1

(20)

水泵的有效功率即輸出功率PS2

PS2=ρgQH×10-3

(21)

式中，ρ—液體密度(kg/m3)；g—重力加速度(kg/s2)；Q—泵的實際流量(m3/s)；H—水泵的總揚程(m)。

(22)

式中，P2、P1—水泵出口、進口壓力(pa)；Z2、Z1—水泵出口、進口壓力表高度差(m)；V1、V2—水泵進口、出口處液體流速(m/s)。

水泵與電機通常采用聯軸器傳動或同軸直連，本課題傳動機構采用聯軸器連接，聯軸器傳動效率ηC取99.5%，見表1。

表1　聯軸器傳動效率表

管網效率ηG計算

(23)

式中，H1—調節閥引起的揚程損失(m)。

(24)

式中，P3—調節閥后出口壓力(pa)；Z3—調節閥后出口壓力表高度(m)；V3—調節閥后處液體流速(m/s)。

若無調速裝置系統效率ηX

ηX=ηD×ηS×ηC×ηG×100%

(25)

2電泵節能控制

電泵節能控制與工藝要求和設備自身的調節能力有關。

2.1在帶有調速裝置的泵站系統中，通過調節水泵轉速(n1/n2=Q1/Q2)或開泵臺數，目前調速方法主要分兩大類：(1)電動機直接調速的，其主要包含：替換高效電機、變頻器調節頻率、變極電機調速、內饋串級調速、相控調壓及增減電機功率，其中變頻調速運用最為廣泛，因其變頻范圍寬。(2)恒速電動機帶傳動調速裝置調速，其主要包含：液力耦合器調速，液體粘性調速離合器調速，電磁轉差離合器調速。

2.2在沒有調速裝置的情況下，由于設備自身特性同工藝要求不一定匹配，所以泵站輸出的揚程也不一定等于工藝要求的揚程，這樣將有一部分富裕揚程被浪費，比如通過開關泵調節供水揚程時，關一臺泵揚程不夠，而再開一臺泵揚程又寬裕很多，這時只能采取揚程富裕的運行方式，再通過閥門調節供水揚程，電泵節能工作原理圖如圖1、圖2所示。

圖1　電泵節能工作原理(有變頻器的情況下)

圖2　電泵節能工作原理(無調速裝置的情況下)

3電泵節能工作特點

設定流量參數(起始設置為額定流量)及輸入工藝參數和設備參數，結合程序計算軟件，計算公式來源于式(1)～式(25)，計算泵站的噸水耗電量，并結合程序軟件統計，得出系統耗電量最小值時的流量。電泵運行時，實時數據通過自動化儀表(壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、振動傳感器、功率表等)將測試數據通過RS485協議型式傳送到PLC進行計算，泵站系統控制示意圖如圖3所示。

圖3　泵站系統控制示意圖

4電泵節能原因

從式(1)可知，泵站的節點能力主要是由于存在富裕揚程△H(Q,t)和效率△η(Q,H)偏差所造成，對于富裕揚程我們應用調速技術取代開關泵調節方式和閥門調壓方式，以避免富裕揚程的產生。但在過程中，如果采用目前常規的調節手段可能會造成泵站的效率△η(Q,H)偏差增加，使得電耗不減小，從而節能達不到理想值，現針對泵站運行狀況分析

泵站系統配泵原則通常都是由工作-備用-檢修，至少3臺泵，普通泵站基本配套5臺泵。對于礦山中多數一臺泵運行，如本課題試驗基地某煤礦有兩口井，一個揚程530m，一個揚程788m，每個井下配套工作排水電泵5臺，每天每口井都只有一臺電泵工作，工作時間12h左右。

4.1對于單電泵工作的系統，如果沒有調速手段，當管網用水量變化時，泵站靠閥門調節出水，都將會有富裕揚程的產生，這是由于水泵選型設計時留有一定的裕度，所以水泵在實際工作時是在額定點以下工作，從圖4可以看出。

圖4　水泵的Q-H特性曲線

當流量Q減小時，水泵揚程H將升高，由此會產生富裕揚程即泵站揚程高于工藝要求的揚程H0(Q,t)。用調速方式取代傳統的閥門調節，從式(1)可看出，由于單泵運行系統中，系統總效率η(Q,H)等于ηmax(Q,H)即△η(Q,H)等于零，同時增加調速裝置△H(Q,t)也等于零，所以單泵調速后節電部分都為零，故此節能效果最好。在此單泵系統本身若按額定轉速且無富裕揚程，則加入調速裝置會費電，因調速裝置自身會使系統整體效率下降。

4.2在多泵并聯運行的電泵系統中，如果泵站供水揚程富裕即式(1)中△H(Q,t)不為零，此部分可通過調速消除，調速過程中可能導致△η(Q,H)增加，從而使得ηmax(Q,H)也增大，以致可能抵消富裕揚程減小帶來的節電效果。

5結語

在單泵運行系統中，只要有一定的富裕揚程，調速運行節能是肯定的。在多泵并聯運行系統中，富裕揚程的存在是調速運行可以節電的一重要因素，無富裕揚程，只要△η(Q,H)不為零就行，用最小耗電量為最終目標不斷調節流量就可以達到目的。

參考文獻

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占據一席之地，為我公司國際市場的開發又添一筆重要業績，也進一步增強了我公司開發國際市場的信心。

Energy Saving Control of Mine Electric Pump

ZhengLongpingandLiGuangyao

(Shanghai Engineering Research Center of Motor System Energy Saving Co., Ltd.,Shanghai 200063, China)

AbstractIn this paper, relational expression of calculating power consumption is given out by analyzing its factor of pump station, and power consumption of the electric pump is calculated by using software programs; the real-time operating data is monitored by the added automotive instrument, and then real-time result is obtained by feedback data in program software. An ideal energy saving values of electric pump power consumption are reached by speed adjustment.

Key wordsElectric pump；energy saving；power consumption；speed regulation device

收稿日期：2015-03-11

作者簡介：鄭龍平男1984年生；畢業于南昌工程學院.現從事大中型高壓電機產品研究工作.

中圖分類號：TM301.2

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7281(2015)03-0012-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.03.04

基金項目：國家科技支撐計劃課題項目編號：2013BAF01B01