基于變頻調(diào)速技術(shù)在太原選煤廠循環(huán)泵的技改應(yīng)用

趙勇剛

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司太原選煤廠， 山西 太原 030023）

引言

太原選煤廠屬中央型選煤廠，原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為年處理原煤200萬(wàn)t，通過(guò)不斷實(shí)施工藝技術(shù)改造，現(xiàn)年處理原煤能力達(dá)到450萬(wàn)t，采用跳汰-重介-煤泥浮選聯(lián)合選煤工藝流程，主要入洗原煤為西銘礦和杜兒坪礦的瘦煤、貧瘦煤，產(chǎn)品為11級(jí)瘦精煤。洗選供水系統(tǒng)由循環(huán)水池、循環(huán)水泵、水箱和輸送管網(wǎng)等構(gòu)成，主要由兩臺(tái)185 kW的循環(huán)泵為洗選系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)循環(huán)供應(yīng)水，使用一臺(tái)備用一臺(tái)，由于洗選量大，循環(huán)泵長(zhǎng)期處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，太原選煤廠循環(huán)泵的供水量無(wú)需按照系統(tǒng)設(shè)定進(jìn)行滿負(fù)荷輸出，僅需通過(guò)控制調(diào)節(jié)閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)流量。因此，閥門(mén)節(jié)流及管網(wǎng)壓力損失大，直接導(dǎo)致電能消耗嚴(yán)重。為了降低循環(huán)水泵因閥門(mén)調(diào)節(jié)所導(dǎo)致的管網(wǎng)壓力流失，節(jié)約電能降低能耗，提升循環(huán)泵的工作能效，太原選煤廠基于變頻調(diào)速技術(shù)從變頻調(diào)速原理、變頻節(jié)能可行性、變頻調(diào)速改造設(shè)計(jì)、應(yīng)用效果等幾方面對(duì)洗選供水系統(tǒng)的循環(huán)泵進(jìn)行技改。經(jīng)技術(shù)改造后的變頻調(diào)速器體現(xiàn)出良好的調(diào)速性能和接電效果，有效改善設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。太原選煤廠在跳汰機(jī)矸石和中煤的排料控制、給煤機(jī)給煤量控制、循環(huán)泵水量調(diào)節(jié)和鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)等主要洗選環(huán)節(jié)使用變頻調(diào)速器。啟動(dòng)節(jié)能降耗，大幅提升太原選煤廠生產(chǎn)質(zhì)量和效率[1-3]。

1 變頻調(diào)速工作原理

交流電機(jī)轉(zhuǎn)速公式：

式中：f為電機(jī)供電頻率；p為電機(jī)繞組極對(duì)數(shù)；s為電機(jī)轉(zhuǎn)速差。

對(duì)交流電機(jī)轉(zhuǎn)速公式中f、p、s進(jìn)行調(diào)整，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速差進(jìn)行調(diào)整會(huì)造成一定的轉(zhuǎn)差損壞，運(yùn)行效率也會(huì)隨之降低，調(diào)速范圍得到了控制。調(diào)整電機(jī)極對(duì)數(shù)使電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜，無(wú)法順利完成調(diào)速。只有對(duì)電源頻率進(jìn)行有效調(diào)整，才能將調(diào)速的作用全面發(fā)揮出來(lái)。

2 變頻節(jié)能的可行性

水泵的Q-H特性曲線遵循一定的規(guī)律，即水泵流量—揚(yáng)程曲線，即Q-H特性曲線圖，設(shè)定水泵正常工作點(diǎn)為A，如圖1所示。

圖1 水泵Q-H特性曲線圖

當(dāng)需水量從Q1調(diào)至Q2時(shí)，采取傳統(tǒng)閥門(mén)的方式來(lái)調(diào)節(jié)，管網(wǎng)特性曲線變成Q2，隨之工作點(diǎn)調(diào)到B點(diǎn)，輸出的功率是四邊形OQ2BH"2的面積，功率無(wú)變化且運(yùn)行效率低。結(jié)合實(shí)際，選用變頻調(diào)速裝置時(shí)，可有效調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，水泵的性能曲線也會(huì)隨之變化，當(dāng)其轉(zhuǎn)速?gòu)膎1調(diào)至n2時(shí)，也就是轉(zhuǎn)速下降時(shí)，C點(diǎn)則是工作點(diǎn)，此時(shí)水泵的輸出功率是四邊形OQ2CH2的面積，且水泵的效率曲線也會(huì)相應(yīng)變化，發(fā)生平移，但仍然運(yùn)行在高效范圍內(nèi)。上圖中陰影部分面積也就是經(jīng)過(guò)變頻調(diào)速后節(jié)省的能耗。

3 變頻調(diào)速改造設(shè)計(jì)

太原選煤廠承擔(dān)西山煤電杜兒坪礦的煤炭洗選任務(wù)，洗選工作量大，生產(chǎn)用水都需要及時(shí)供應(yīng)，考慮原有的循環(huán)水泵主要采用的是一用一備的供水模式，如果每臺(tái)水泵都配備變頻裝置需花費(fèi)的成本過(guò)高，且運(yùn)行效率低。通過(guò)分析研究選擇一拖二變頻調(diào)速裝置科學(xué)合理，變頻控制系統(tǒng)一托二電氣原理圖如圖2所示。

圖2 變頻控制一托二電氣原理圖

由圖2可知，電源經(jīng)真空斷路器QF1（QF2），經(jīng)過(guò)變頻裝置進(jìn)入切換開(kāi)關(guān)QS1（QS2）至變頻調(diào)速器，再由變頻裝置輸出經(jīng)過(guò)出線開(kāi)關(guān)QS3（QS4）到電動(dòng)機(jī)A（B）。這次改造保留了原先的軟啟動(dòng)裝置，并與變頻器一起對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。對(duì)變頻裝置進(jìn)行檢修的過(guò)程中，能夠手動(dòng)操作開(kāi)關(guān)，切斷主回路電源，確保了工作人員的生命安全；如果變頻器出現(xiàn)安全故障，同樣可以手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，將變頻裝置隔離開(kāi)，使工頻電源正常運(yùn)行，保障安全、高效生產(chǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，將閥門(mén)開(kāi)到最大，頻率設(shè)置為38 Hz可有效調(diào)節(jié)循環(huán)泵的最小揚(yáng)程，達(dá)到太原選煤廠的洗選循環(huán)水供應(yīng)要求。為了保證水量供應(yīng)的穩(wěn)定性，在供水期間將回流閥關(guān)閉，使用水位閉環(huán)控制方式，并在主廠房水箱內(nèi)壁裝上液位感應(yīng)裝置，通過(guò)變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，當(dāng)水位在預(yù)設(shè)高度時(shí)，變頻器頻率就會(huì)迅速下降，水泵處于低速運(yùn)行狀態(tài)；達(dá)到高水位時(shí)，自動(dòng)降低轉(zhuǎn)速。同時(shí)，將水位信息實(shí)時(shí)傳送至控制柜，便于操作人員及時(shí)了解液位變化，保證循環(huán)水箱水位保持不變，達(dá)到恒量動(dòng)態(tài)平衡[4-5]。

4 效果分析

基于變頻技術(shù)改造循環(huán)水泵，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)變頻器來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，避免因操作調(diào)節(jié)擋板、閥門(mén)失誤，發(fā)生的設(shè)備機(jī)械部件卡死、擋板銷子脫落等故障，保證設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。同時(shí)，由于變頻器具有過(guò)載、過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)等功能，當(dāng)發(fā)生設(shè)備運(yùn)行故障時(shí)，會(huì)及時(shí)做出反應(yīng)，避免運(yùn)行故障的發(fā)生。

循環(huán)泵變頻改造后的運(yùn)行頻率平均控制在38～42 Hz，經(jīng)太原選煤廠電氣車間對(duì)技改前后能耗和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出在工作環(huán)境相同的情況下測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示。

表1 變頻技術(shù)改造前測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 變頻技術(shù)改造后測(cè)試數(shù)據(jù)

變頻器控制循環(huán)水泵前后每小時(shí)的耗電量分別是98.53 kWh、68.72 kWh，電流下降約 60 A，節(jié)能效果達(dá)到32.5%左右。太原選煤廠平均正常生產(chǎn)23 h/d左右。月均開(kāi)機(jī)30 d計(jì)算，1a電能消耗節(jié)約達(dá)20.262 4萬(wàn)kWh，折合25 t標(biāo)準(zhǔn)煤，按平均工業(yè)電價(jià)0.65元/kWh，年節(jié)約電費(fèi)成本l5萬(wàn)元左右。

5 結(jié)論

為解決洗選供水系統(tǒng)的循環(huán)泵在運(yùn)行過(guò)程中存在高能耗、低效運(yùn)行的問(wèn)題，太原選煤廠采用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)循環(huán)水泵進(jìn)行技術(shù)改造。基于變頻調(diào)速技術(shù)改造后的循環(huán)水泵實(shí)現(xiàn)了水泵的流量、揚(yáng)程隨轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)變化，滿足生產(chǎn)過(guò)程中調(diào)節(jié)流量、揚(yáng)程技術(shù)參數(shù)的要求，達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)，降低故障的發(fā)生概率，提高設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性，大幅提升太原選煤廠自動(dòng)化生產(chǎn)管理水平，太原選煤廠向高效、節(jié)能型企業(yè)轉(zhuǎn)變，體現(xiàn)出顯著的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。