變頻調(diào)速高壓柱塞泵沖洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周作志

摘要：本文利用了系統(tǒng)分析方法，針對變頻調(diào)速高壓柱塞泵沖洗系統(tǒng)建立了專業(yè)的計(jì)算模型，指出了高壓泵、變頻電機(jī)以及變頻器的選型問題，明確了高壓泵柱塞泵壓力與流量、變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速以及變頻器頻率等之間的關(guān)系，為此后變頻調(diào)速高壓柱塞泵沖洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型工作提供了更多的借鑒依據(jù)。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；高壓柱塞泵；沖洗系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

剛性泥渣沖洗與柔性泥渣沖洗為電廠蒸汽發(fā)生器管板水力沖洗技術(shù)的組成類別，當(dāng)沖洗系統(tǒng)使用普通電機(jī)時(shí)，為了滿足實(shí)際的工作情況，應(yīng)采用兩種方法，一是配備兩臺不同功率的高壓泵系統(tǒng)，為兩種工作模式提供流量與壓力；二是選擇較大功率的高壓泵系統(tǒng)，并調(diào)節(jié)出口回流閥，確保回流部分高壓水，達(dá)到既定的壓力與流量。使用第一種方法會增大投資費(fèi)用，第二種方法則會重新使大部分高壓水經(jīng)過回流閥流到水箱，不但會造成嚴(yán)重的浪費(fèi)，還會加重回流閥的磨損。而采用變頻電機(jī)調(diào)速高壓泵沖洗系統(tǒng)則可以杜絕上述問題，不但可以滿足多種運(yùn)行模式，且還可以在實(shí)現(xiàn)自動控制的基礎(chǔ)上節(jié)約能源。

1 柱塞泵的工作原理及特點(diǎn)

柱塞泵又被稱為往復(fù)泵，通過柱塞的往復(fù)運(yùn)動，系統(tǒng)可以靜壓模式將機(jī)械能直接傳遞至液體，減小了泵體內(nèi)的水力損失。此系統(tǒng)具備較高的注水壓力與泵效，在當(dāng)前生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。但需要注意的是，在一定的往復(fù)次數(shù)與轉(zhuǎn)速條件下，柱塞泵的流量不會根據(jù)壓力的改變而發(fā)生變化，但注水系統(tǒng)實(shí)際注入量會根據(jù)不同因素發(fā)生改變，從而導(dǎo)致泵內(nèi)的流量高于實(shí)際注水量，以致管網(wǎng)壓力過高。從而極易引起下列問題，一是導(dǎo)致爆管事故問題，不利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行；二是管網(wǎng)壓力較高導(dǎo)致水泵作出更多的無用功，降低了泵效；三是泵流量高于實(shí)際用水量，此時(shí)應(yīng)將更多的節(jié)流調(diào)控措施用于注水管網(wǎng)，提高管網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行效率。

其中QH為柱塞泵特性曲線，隨著壓力的改變其流量不會發(fā)生改變，另一條為主水管的特性曲線，代表了注水量與壓力之間的變化關(guān)系。圖中所示，系統(tǒng)工作點(diǎn)為B點(diǎn)，一定轉(zhuǎn)速下，柱塞泵流量將保持在Q點(diǎn)不變，此時(shí)柱塞泵會出現(xiàn)多余流量，管網(wǎng)壓力隨之增高，管網(wǎng)運(yùn)行安全度較低。為了避免供需矛盾，以往需要在泵出口處設(shè)置回流管線，但這樣會導(dǎo)致部分水的無效循環(huán)，且無效循環(huán)水量越大，水泵會做更多的無用功。為了提升水泵的工作效率，應(yīng)確保供需平衡，采取有效措施調(diào)整水泵的運(yùn)行情況，減少系統(tǒng)回流量，確保水泵在高效率模式下運(yùn)行。除此之外，為了增強(qiáng)變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能效果，不能僅采用泵出口打回流的方法解決供需問題，應(yīng)根據(jù)水泵的實(shí)際運(yùn)行情況增加沖洗系統(tǒng)，調(diào)整水泵的工作流量。

2 高壓柱塞泵沖洗系統(tǒng)理論計(jì)算模型

高壓柱塞泵、變頻器、變頻電機(jī)、溢流調(diào)節(jié)閥、PLC控制器、噴咀以及連接管道均屬于高頻調(diào)速高壓柱塞泵沖洗系統(tǒng)的重要組成部分。

工作模式下，在控制臺觸摸面板上輸入工作壓力值，延時(shí)關(guān)閉現(xiàn)場的電磁閥，并利用PLC控制器調(diào)節(jié)變頻器，調(diào)節(jié)泵出口流量。除此之外，在設(shè)計(jì)沖洗系統(tǒng)時(shí)應(yīng)做好各部件的選型工作，并根據(jù)內(nèi)在關(guān)系設(shè)定具體的高壓泵壓力、流量、高壓泵減速比、變頻器頻率以及噴咀出口面積等。

首先，應(yīng)做好流量的測量工作，在沖洗系統(tǒng)中，流量與壓力需要測量得知。但測量流量較為困難，管路中需要較長的安裝位置，且系統(tǒng)振動會影響具體的測量結(jié)果。因此應(yīng)利用變頻器的頻率換算測量流量，簡化沖洗系統(tǒng)，為了確保測量的準(zhǔn)確性，應(yīng)引入校正系數(shù)，減小誤差。其次應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的流量要求計(jì)算變頻器的調(diào)頻范圍，并確定最終的型號。最后應(yīng)確定變頻器的精確度，當(dāng)調(diào)頻精度為0.5級時(shí)，每調(diào)頻一次，其流量每分鐘將會增加1.12L，一般沖洗系統(tǒng)變頻器的精度應(yīng)控制在0.5級。

3 高壓柱塞泵、變頻電機(jī)與變頻器功率匹配

變頻電機(jī)功率通過P=MΩ計(jì)算，其中M為電磁轉(zhuǎn)矩，Ω為角速度。變頻電機(jī)在功率較小時(shí)，其轉(zhuǎn)矩恒定，隨著角速度的增加，電機(jī)運(yùn)行功率也會不斷變大，變頻電機(jī)在功率較大時(shí)，轉(zhuǎn)矩也保持恒定狀態(tài)，且隨著角速度增加，電磁轉(zhuǎn)矩逐漸減小。在選擇變頻電機(jī)類型時(shí)，應(yīng)確保其自身功率稍大于高壓柱塞泵的功率。

當(dāng)流量為每分鐘140L，壓力為20MPa時(shí)，高壓泵功率計(jì)算為50.33kW；當(dāng)流量為每分鐘80L，壓力為35MPa時(shí)，高壓泵功率也為50.33kW。且計(jì)算當(dāng)流量為每分鐘140L時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1884r/min；當(dāng)流量為每分鐘80L時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1077r/min。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，應(yīng)選擇功率為75kW的變頻電機(jī)。雖然高壓泵功率應(yīng)稍微低于變頻電機(jī)功率，但并非越低越好，根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行特性，當(dāng)電機(jī)負(fù)載較小時(shí)，其效率較低，當(dāng)電機(jī)處于過載模式時(shí)又會燒壞電機(jī)。因此應(yīng)選擇電機(jī)負(fù)載率為電機(jī)功率的075至0.92倍，越靠近電機(jī)功率的運(yùn)行曲線，其效率越高。為了更為接近變頻電機(jī)的功率曲線，應(yīng)適當(dāng)將變頻電機(jī)的工作壓力調(diào)整至24MPa。同時(shí)，計(jì)算變頻器的容量，且變頻器功率與變頻電機(jī)功率相同或稍大一個(gè)等級，但變頻器額定電流應(yīng)符合要求，應(yīng)等于或大于變頻電機(jī)的額定電流。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)變頻調(diào)速高壓泵柱塞沖洗系統(tǒng)時(shí)需要結(jié)合電氣、機(jī)械以及控制等多方面的專業(yè)知識，以往設(shè)計(jì)與選型過程中只注重專業(yè)分開，以致系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程比較復(fù)雜，各部件之間并不匹配。而變頻調(diào)速高壓柱塞泵沖洗系統(tǒng)計(jì)算模型中可以由量化角度完成設(shè)計(jì)選型，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效。

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