一、前言
某石油管理局供水公司每年耗電費(fèi)用約占供水總成本費(fèi)的30%左右，而其中輸配水環(huán)節(jié)的電費(fèi)約占總電費(fèi)的70%左右，因此，如何調(diào)整好外輸泵的日常運(yùn)行，使輸配水噸水電耗保持在一個(gè)較經(jīng)濟(jì)合理的范圍內(nèi)，是節(jié)能工作的重點(diǎn)。我們始終積極探索，認(rèn)真研究，采取有效措施來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
二、問(wèn)題的提出
該石油公司取水廠日取水能力為50萬(wàn)立方米/日。當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到中長(zhǎng)期規(guī)劃和最不利水量、水位情況，選擇了兩種機(jī)組泵型，一種為電機(jī)1400KW/10KV，取水泵900HR（H62米，Q6360立方米/小時(shí)），另一種為電機(jī)900KW/10KW，取水泵700HR（H62米，Q3900立方米/小時(shí)）。取水廠的二級(jí)泵站——該水廠的一、二期工程設(shè)計(jì)供水量為50萬(wàn)立方米/日。
由于油田產(chǎn)量有限，外網(wǎng)用水量逐年減少。目前取水廠實(shí)際輸水能力僅為25-30萬(wàn)立方米/天，水泵總流量Q僅為1.04-1.25億立方米/小時(shí)，輸水管道水頭損失18-20米，水泵銘牌水頭62米。如果泵壓下降到等于管網(wǎng)的阻力，泵就會(huì)過(guò)載。所以，取水廠只能通過(guò)調(diào)節(jié)出口閘門(mén)來(lái)控制泵的壓力，從而使泵在高效率區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。這種操作不僅增加了閘門(mén)的水頭耗損，同時(shí)對(duì)電能造成了極大的浪費(fèi)。而且閘門(mén)的節(jié)流調(diào)節(jié)不當(dāng)，泵很容易偏離高效段或過(guò)載運(yùn)行，導(dǎo)致泵的故障率增加，縮短機(jī)組的使用壽命。
兩年以來(lái)，該泵已維修10多次，維修費(fèi)用超過(guò)100萬(wàn)元。而且水廠是保障油田用水的關(guān)鍵。所以對(duì)該水廠的水泵進(jìn)行技術(shù)改造升級(jí)是屬于勢(shì)在必行的。
三、變頻調(diào)速改造方案的初步計(jì)算和論證
一般情況下，泵都在額定工作條件下，按最佳工作條件設(shè)計(jì)操作。
額定壓力下的額定流量可以在B點(diǎn)獲得，此時(shí)泵的效率最高。關(guān)閉閥門(mén)可以控制流量。當(dāng)流量減小時(shí)，泵分別在點(diǎn)P、Q、R和S工作。此時(shí)，泵需要在非常高的壓差下工作，因此泵的能量輸出遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)際系統(tǒng)需要。多余的能量表示為閥門(mén)上的熱損失，由液體代替。泵的總輸入能量可以通過(guò)將泵的輸出能量除以泵的效率來(lái)獲得。調(diào)節(jié)泵出口閥的開(kāi)度以降低流量，導(dǎo)致相當(dāng)大的能量損失。
電機(jī)可以通過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)泵變速運(yùn)行。在任何流速下，泵的特性曲線都符合系統(tǒng)的需要。流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，產(chǎn)生的壓差與轉(zhuǎn)速的平方成正比。無(wú)級(jí)變頻后可以得到無(wú)數(shù)的AB-CD泵特性曲線。管道特性曲線與AB—CD形成的陰影帶之間的任意交點(diǎn)都可以作為工作點(diǎn)，以適應(yīng)外網(wǎng)水量的變化，在較小揚(yáng)程下達(dá)到P、Q、P點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量，同時(shí)所損耗的能量較少，節(jié)能效果顯著。
對(duì)于同一臺(tái)葉片式水泵有如下規(guī)律：
Q1/Q2=n1/n2H1/H2=(n1/n2)2N1/N2=(n1/n2)3
取水廠1#、3#、6#泵均為進(jìn)口大泵，其電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為748r/m，745r/m，750r/m。
如果3#泵調(diào)速到500r/m，則其流量、揚(yáng)程及功率參數(shù)如下：
Q原/Q變=n原/n變=748/500=1.496
Q變=4251.3立方米/小時(shí)
H原/H變=(n原/n變)2=1.4962
H變=28.59米
N原/N變=(n原/n變)3=1.4963
N變=412.2千瓦
如果調(diào)速到550r/m，則Q=4663立方米/小時(shí)，H=34米，N=547千瓦，調(diào)速后泵參數(shù)基本適合目前工況。當(dāng)然，以上計(jì)算是在假定系統(tǒng)的管路特性曲線不變的情況下進(jìn)行的，安裝變頻調(diào)速設(shè)備后，泵出口閥門(mén)可以全部打開(kāi)，系統(tǒng)的管路特性曲線將向外偏移，那么調(diào)速后的泵運(yùn)行參數(shù)更有可能滿(mǎn)足實(shí)際工況的要求，因此，可確定此方案為可取。
四、變頻調(diào)速方案的節(jié)能估算
水泵的耗能計(jì)算公式為：P=(K×H×Q)/ηK:為裕度系數(shù)η：效率
假設(shè)水泵的實(shí)際壓力由目前的5.8公斤調(diào)速降至2.5公斤，且流量不變，則P25/P58=25/58＝43％，即功率消耗理論上比原來(lái)減少1－43％＝57％。按電費(fèi)0.41元/度，電機(jī)效率為0.95，運(yùn)行330天/年，則原來(lái)年耗電電費(fèi)為（1400KW×24×330×0.41）/0.95＝478萬(wàn)元。
變頻調(diào)速降至2.5公斤后，年耗電電費(fèi)為：478×43％＝205.54萬(wàn)元，年節(jié)省電費(fèi)為478－205.54＝272.5萬(wàn)元。初步看來(lái)節(jié)能效果相當(dāng)可觀。
五、方案確定
考慮到水廠一泵的實(shí)際條件，經(jīng)過(guò)認(rèn)真計(jì)算，論證，多方面考察，眾多廠家的比較，我們決定安裝北京利徳華福公司生產(chǎn)的高壓大功率變頻器。該變頻器各項(xiàng)性能指標(biāo)滿(mǎn)足水泵工藝要求，可靠性較高，且改造時(shí)間短、見(jiàn)效快。
具體方案為關(guān)閉一期和二期之間的聯(lián)絡(luò)閥門(mén)，二期管網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，變頻器采用一帶一方式拖動(dòng)6＃泵，6＃泵故障時(shí)，可投入工頻運(yùn)行。工頻/變頻的切換通過(guò)旁路柜手動(dòng)切換。而且，工頻和變頻切換有電氣聯(lián)鎖和PLC的邏輯互鎖，能保證機(jī)組安全運(yùn)行。恒壓控制，閉環(huán)運(yùn)行，二期管網(wǎng)壓力為0.1MPa；采用閥門(mén)聯(lián)動(dòng)自動(dòng)控制，具有冷卻水流量檢測(cè)保護(hù)功能。
六、改造后，6#泵高壓變頻調(diào)速裝置試運(yùn)行情況
本年1月6日，變頻器技術(shù)人員和取水廠的有關(guān)人員對(duì)6#泵的變頻調(diào)速裝置進(jìn)行了試運(yùn)，試運(yùn)行情況如下：
為了保證水廠試運(yùn)行期間的穩(wěn)定運(yùn)行，我們通過(guò)調(diào)度提前通知變電站和水廠做好試運(yùn)行準(zhǔn)備。先停7#泵，關(guān)閉3#泵與6#泵之間管匯的連接閥，調(diào)整3#泵運(yùn)行，保持一期出口閥開(kāi)度不變?cè)?2%。將6#泵的變頻頻率設(shè)置為37 Hz，啟動(dòng)6#泵，運(yùn)行穩(wěn)定后，將第二級(jí)出口閥打開(kāi)至70%，然后觀察泵裝置在頻率分別為35 Hz、33 Hz、30 Hz和28 Hz時(shí)的運(yùn)行狀態(tài):
試運(yùn)行結(jié)束后，我們將頻率設(shè)置為30 Hz進(jìn)行開(kāi)環(huán)運(yùn)行，并安排水廠值班員單獨(dú)記錄6#泵的運(yùn)行情況。經(jīng)過(guò)幾天的運(yùn)行，變頻器運(yùn)行穩(wěn)定，功能齊全，操作簡(jiǎn)單，完全滿(mǎn)足實(shí)際工況要求，達(dá)到了預(yù)期效果。
七、改造后的節(jié)能檢驗(yàn)
節(jié)能效果最終要用儀表檢驗(yàn)，最直接可靠的方法是用電度表測(cè)量變頻改造前后的能耗加以比較。
原來(lái)3#、6#泵工頻運(yùn)行的運(yùn)行記錄：
| 日期 |
總用電量：千瓦時(shí) |
總供水量：立方米 |
泵站總單耗：千瓦時(shí)/立方米 |
| 7月8日~19日 | 667500 | 3115200 | 0.2143 |
| 8月1日~20日 |
1214700 |
5887400 |
0.2064 |
注：32天3#、6#泵工頻運(yùn)行時(shí)泵站總單耗為：(0.2064+0.2143）/2=0.21千瓦時(shí)/立方米。
現(xiàn)在3#泵工頻運(yùn)行，6#泵變頻運(yùn)行（30HZ），匯管閥門(mén)關(guān)閉，兩臺(tái)泵單獨(dú)運(yùn)行記錄：
| 日期 |
總用電量：千瓦時(shí) |
總供水量：立方米 |
泵站總單耗：千瓦時(shí)/立方米 |
| 1月9日~14日 | 154200 | 1064700 | 0.14 |
注：從本年1月9日19：00時(shí)—到14日7：00時(shí)為4.5天，則日平均水量為1064700/4.5=236600立方米。
原3#、6#泵工頻運(yùn)行時(shí)，單耗為0.24千瓦時(shí)/立方米；現(xiàn)變頻運(yùn)行時(shí)單耗為0.06千瓦時(shí)/立方米。年節(jié)電量：0.07*23.66*365=604萬(wàn)瓦時(shí)，合RMB：268.78萬(wàn)元。
八、變頻改造后，水廠的工藝改善
1）高壓變頻器內(nèi)置了PLC，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)外部邏輯控制時(shí)，非常方便。例如：閥門(mén)聯(lián)動(dòng)功能使值班人員，在啟、停泵時(shí)無(wú)需再對(duì)閥門(mén)進(jìn)行任何操作；減少了工作量和誤操作；冷卻水流量保護(hù)功能保證了水泵電機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。
2）6＃泵變頻改造后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流、水泵的出口壓都明顯下降，使電機(jī)水泵的運(yùn)行狀況明顯改善，不僅直接節(jié)約耗電量，而且，由于變頻器的軟啟動(dòng)功能，減少了對(duì)電機(jī)和電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，降低了設(shè)備的維修費(fèi)用。
3）變頻器采用壓力閉環(huán)控制，保證管網(wǎng)水壓0.1MPa。由于變頻器的調(diào)速平滑，控制精度高，所以管網(wǎng)壓力波動(dòng)范圍很小，能充分滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)供水工藝要求。
4）高壓變頻器具有完善、靈敏的故障檢測(cè)、診斷、報(bào)警、跳閘等功能，保證電機(jī)水泵始終安全運(yùn)行。
5）上位機(jī)的監(jiān)控功能和遠(yuǎn)程撥號(hào)監(jiān)控功能為用戶(hù)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控創(chuàng)造了必要條件。
九、結(jié)論
經(jīng)過(guò)實(shí)踐運(yùn)行的證明，此次取水廠的水泵變頻改造是成功的，取得的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是顯而易見(jiàn)的。
1、節(jié)約了大量電能，降低了供水成本；
2、增大了系統(tǒng)可調(diào)范圍，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性；
3、降低了水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，減少了機(jī)泵的啟動(dòng)沖擊和機(jī)械摩擦、震動(dòng)，延長(zhǎng)了機(jī)組的使用壽命；
4、減小了機(jī)泵運(yùn)行噪音，改善了工作環(huán)境；五是智能化的聯(lián)動(dòng)功能和完善的故障保護(hù)功能，即提高了工作效率，又增強(qiáng)了系統(tǒng)安全可靠性。
因此，高壓大功率重載變頻器調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)利國(guó)利民的高科技，具有廣闊的應(yīng)用前景。水泵調(diào)速或恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用于供水行業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。這種高壓大功率變頻調(diào)速裝置將成為未來(lái)供水行業(yè)節(jié)能改造的首選！
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