矿山用电泵节能控制*



矿山用电泵节能控制*

郑龙平，李光耀

(上海电机系统节能工程技术研究工程中心有限公司，上海200063)

摘要针对泵站的电耗因素分析，给出电耗计算关系式，并通过软件程序计算电泵耗电量；加入自动化仪表实时监测运行数据，反馈到程序软件中得出实时检测结果，通过调速使得电泵耗电量达到理想节能值。

关键词电泵；节能；耗电量；调速装置

0引言

矿山用电泵节能控制主要是节省电泵的耗电量，耗电量与水泵的流量、压力，管网的管道直径大小、阀门数量及其布置、电机的输入、输出功率等参数有关。因此，矿山用电泵的节能运行，需通过对供水系统的工艺要求(压力、流量等)和设备参数(泵、电动机、阀门、调速装置)的合理匹配与调节，使得输送水系统百米吨水耗电量为最小值，这样电泵系统整体运行效率最高。

1电泵节能控制耗电量计算

电泵的吨水电耗表达式[1]

(1)

式中，W—吨水电耗值(kw.h/m3)；H(Q，t)—泵站提供的总扬程(m)；H0(Q，t)—工艺要求泵站的总扬程(m)；ηmax(Q，H)—泵站设备整体运行的最大效率(%)，该效率不是所有设备最高效率的乘积，它是指在对应工况(Q,H)，在所有可能的调节手段中能达到的最高效率。式中第一部分代表泵所能实现的最小吨水电耗；第二部分代表了当前工况下，泵站存在的节电能力。

△H(Q,t)是泵站浪费的宽裕扬程

△H(Q,t)=H(Q,t)-H0(Q,t)

(2)

△η(Q,H)是泵站实际整体运行效率η(Q,H)与最大效率ηmax(Q,H)之间的差值，即效率偏差

△η(Q,H)=ηmax(Q,H)-η(Q,H)

(3)

η(Q，H)是流量Q与扬程H的函数，它的表达式如下

η(Q，H)=ηD(Q，H)×ηS(Q，H)×ηC(Q，H)×

ηT(Q，H)×ηG(Q，H)

(4)

式中，ηD(Q，H)—电机运行效率；ηS(Q，H)—水泵运行效率；ηC(Q，H)—传动机构运行效率；ηT(Q，H)—调速装置运行效率；ηG(Q，H)——管网运行效率。

调速装置效率计算：电源输入调速装置视在功率S

(5)

式中，Ur—电源输入线电压；Ir—电源输入线电流。

调速装置的输入功率PT1计算

(6)

式中,cosφ—供电电源的功率因数。

调速装置输出功率PT2，在此需将不同频率负载下输入功率与效率曲线导入引用,以便根据输入功率和效率计算出输出功率PT2

PT2=PT1×ηT

(7)

式中,ηT—此输入功率对应调速装置的效率，也可将调速设备上自动显示的电流、电压进行计算。

(8)

式中，Ur—电源输入线电压；Ir—电源输入线电流；变频器的输入电压是不变的，输出电压和输出频率，呈正比关系。

电机效率计算：电机输入功率PD1等于调速装置输出功率PT2

PT2=PD1

(9)

在此需将不同频率负载下输入功率与效率曲线导入引用,以便根据输入功率和效率计算出输出功率PD2

PD2=PD1×ηD

(10)

式中，PD1—电机输入功率；ηD—此输入功率对应电机的效率，电机效率ηD还可按如下计算

(11)

式中，∑PD—电机总损耗。

∑PD=PFe+Pcu1+Pcu2+PFw+PS

(12)

式中，PFe—电机某工作点铁耗与电机额定设计值一致；PCu1—电机某工作点定子铜耗；PCu2—电机某工作点转子铜耗；PFw—电机某工作点机械耗与电机额定设计值一致；Ps—电机某工作点杂散损耗与电机额定设计值一致。

电机某工作点定子铜耗 PCu1计算

PCu1=IC2R1

(13)

式中，R1—定子相电阻。

电机某工作点转子铜耗PCu2计算

PCu2=sPem

(14)

式中，s—转差率；Pem—电磁功率。

电磁功率Pem计算

(15)

式中，PN—电机额定功率。

转差率s计算

(16)

式中，n—实时转速；nN—同步转速。

当设备中没有调速装置，电机输入功率PD1计算

(17)

式中，cosφ—供电电源的功率因数；S—电源输入电机视在功率。

(18)

式中，Ur—电源输入线电压；Ir—电源输入线电流。

水泵效率ηS计算

(19)

水泵输入功率(轴功率)PS1等于电机输出功率PD2

PD2=PS1

(20)

水泵的有效功率即输出功率PS2

PS2=ρgQH×10-3

(21)

式中，ρ—液体密度(kg/m3)；g—重力加速度(kg/s2)；Q—泵的实际流量(m3/s)；H—水泵的总扬程(m)。

(22)

式中，P2、P1—水泵出口、进口压力(pa)；Z2、Z1—水泵出口、进口压力表高度差(m)；V1、V2—水泵进口、出口处液体流速(m/s)。

水泵与电机通常采用联轴器传动或同轴直连，本课题传动机构采用联轴器连接，联轴器传动效率ηC取99.5%，见表1。

表1　联轴器传动效率表

管网效率ηG计算

(23)

式中，H1—调节阀引起的扬程损失(m)。

(24)

式中，P3—调节阀后出口压力(pa)；Z3—调节阀后出口压力表高度(m)；V3—调节阀后处液体流速(m/s)。

若无调速装置系统效率ηX

ηX=ηD×ηS×ηC×ηG×100%

(25)

2电泵节能控制

电泵节能控制与工艺要求和设备自身的调节能力有关。

2.1在带有调速装置的泵站系统中，通过调节水泵转速(n1/n2=Q1/Q2)或开泵台数，目前调速方法主要分两大类：(1)电动机直接调速的，其主要包含：替换高效电机、变频器调节频率、变极电机调速、内馈串级调速、相控调压及增减电机功率，其中变频调速运用最为广泛，因其变频范围宽。(2)恒速电动机带传动调速装置调速，其主要包含：液力耦合器调速，液体粘性调速离合器调速，电磁转差离合器调速。

2.2在没有调速装置的情况下，由于设备自身特性同工艺要求不一定匹配，所以泵站输出的扬程也不一定等于工艺要求的扬程，这样将有一部分富裕扬程被浪费，比如通过开关泵调节供水扬程时，关一台泵扬程不够，而再开一台泵扬程又宽裕很多，这时只能采取扬程富裕的运行方式，再通过阀门调节供水扬程，电泵节能工作原理图如图1、图2所示。

图1　电泵节能工作原理(有变频器的情况下)

图2　电泵节能工作原理(无调速装置的情况下)

3电泵节能工作特点

设定流量参数(起始设置为额定流量)及输入工艺参数和设备参数，结合程序计算软件，计算公式来源于式(1)～式(25)，计算泵站的吨水耗电量，并结合程序软件统计，得出系统耗电量最小值时的流量。电泵运行时，实时数据通过自动化仪表(压力传感器、流量传感器、温度传感器、振动传感器、功率表等)将测试数据通过RS485协议型式传送到PLC进行计算，泵站系统控制示意图如图3所示。

图3　泵站系统控制示意图

4电泵节能原因

从式(1)可知，泵站的节点能力主要是由于存在富裕扬程△H(Q,t)和效率△η(Q,H)偏差所造成，对于富裕扬程我们应用调速技术取代开关泵调节方式和阀门调压方式，以避免富裕扬程的产生。但在过程中，如果采用目前常规的调节手段可能会造成泵站的效率△η(Q,H)偏差增加，使得电耗不减小，从而节能达不到理想值，现针对泵站运行状况分析

泵站系统配泵原则通常都是由工作-备用-检修，至少3台泵，普通泵站基本配套5台泵。对于矿山中多数一台泵运行，如本课题试验基地某煤矿有两口井，一个扬程530m，一个扬程788m，每个井下配套工作排水电泵5台，每天每口井都只有一台电泵工作，工作时间12h左右。

4.1对于单电泵工作的系统，如果没有调速手段，当管网用水量变化时，泵站靠阀门调节出水，都将会有富裕扬程的产生，这是由于水泵选型设计时留有一定的裕度，所以水泵在实际工作时是在额定点以下工作，从图4可以看出。

图4　水泵的Q-H特性曲线

当流量Q减小时，水泵扬程H将升高，由此会产生富裕扬程即泵站扬程高于工艺要求的扬程H0(Q,t)。用调速方式取代传统的阀门调节，从式(1)可看出，由于单泵运行系统中，系统总效率η(Q,H)等于ηmax(Q,H)即△η(Q,H)等于零，同时增加调速装置△H(Q,t)也等于零，所以单泵调速后节电部分都为零，故此节能效果最好。在此单泵系统本身若按额定转速且无富裕扬程，则加入调速装置会费电，因调速装置自身会使系统整体效率下降。

4.2在多泵并联运行的电泵系统中，如果泵站供水扬程富裕即式(1)中△H(Q,t)不为零，此部分可通过调速消除，调速过程中可能导致△η(Q,H)增加，从而使得ηmax(Q,H)也增大，以致可能抵消富裕扬程减小带来的节电效果。

5结语

在单泵运行系统中，只要有一定的富裕扬程，调速运行节能是肯定的。在多泵并联运行系统中，富裕扬程的存在是调速运行可以节电的一重要因素，无富裕扬程，只要△η(Q,H)不为零就行，用最小耗电量为最终目标不断调节流量就可以达到目的。

参考文献

[1]刘洋，祁世发.主泵轴封式电动机可胶型绝缘系统.防爆电机，2013.4.

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[5]姚福来.泵站节能改造的回收期计算.节能，2003.3.

占据一席之地，为我公司国际市场的开发又添一笔重要业绩，也进一步增强了我公司开发国际市场的信心。

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

作者简介：郑龙平男1984年生；毕业于南昌工程学院.现从事大中型高压电机产品研究工作.

中图分类号：TM301.2

文献标识码：A

文章编号：1008-7281(2015)03-0012-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.03.04

基金项目：国家科技支撑计划课题项目编号：2013BAF01B01