第六节  轧钢循环水泵变频调速节能改造

1 工程概况

广东某钢铁集团公司第二热轧宽板厂循环水系统设计安装6台1400kW/10kV高压水泵，共用一根供水母管，循环水系统在设计时考虑到扩大生产的需要，预留了一定的余量，根据目前生产能力的用水要求，在轧钢用水高峰时，两台水泵运行尚不能满足1.2MPa的供水压力要求，压力会下降到1.0MPa以下，不能满足生产工艺要求；在不轧钢用水量低谷时，开二台水泵运行供水还有过剩，供水压力又偏高（1.6MPa）。因为 一个轧钢周期约为17min左右，其间用水高峰约为9min，用水低谷为8min左右。而高压大功率电动机又不允许频繁起停，现通过出口阀门和回流阀门开度来调节供水压力，不能满足生产工艺的要求，还造成约10～20%左右的节流功率损耗；当产量低或停产时，系统用水少，但为了保证厂里其它部门和设备的正常用水，水泵还不能停机，多余的冷却水就只能从通过回流阀回流，造成了大量的电能损失，不符合构建节约型社会的要求，故拟进行循环水泵变频调速节能改造。

采用变频调速装置的主要目的是根据供水管网水压要求，对水泵电动机进行转速控制，以达到恒压供水的目的，回流阀门完全关死，消除了回流损耗；通过调节电动机的转速来动态调节供水量，不用调节阀门，效率高，反应快。项目通过招投标方式，决定采用深圳市科陆变频器有限公司生产的CL2700系列高压变频器对3台循环水泵进行变频改造，用变频器进行流量调节。这样既保证了水泵出水量满足了工况需要，管网压力保持稳定；同时也节约了大量电能。

（1）水泵参数：

型号与类型：400SP1600  离心式水泵；

额定流量：2250 m3/h；

额定扬程：1600kPa（160m）；

额定轴功率：1250 kW；

水泵（内）效率：84%；

额定转速：1460r/min。

（2）电动机参数：

电动机型号：YKK560-4   三相异步电动机；

额定功率：1400kW；              实际输出功率： 1380－1480kW；

额定电压：10 kV；               实际母线电压： 10.3 kV；

额定转速：1480r/min；             定子额定电流： 100.9A；

额定功率因数：0.87；            实际功率因数:  0.80

实际工频运行电流: 108A； 

2 循环水系统目前运行工况分析

由于目前生产尚未达到设计能力，所以只开两台泵工作。根据水泵特性曲线和目前供水系统的运行压力曲线来看，水泵处在严重过载状态，严重偏离高效工况点，泵效下降约20％左右，使能耗增加，电动机的运行电流也证明了这一点。

目前水泵在用水高峰时，开两台泵运行，其母管压力只有0.96MPa，与工艺要求的供水压力1.20MPa相差20%。根据水泵特性曲线，此时的单泵实际流量应为3380 m3/h；超载50％！泵效下降20％，加上阀门的节流损耗，多消耗电能约30％左右；

当压力为1.1MPa时，单泵流量应为3000 m3/h，超载35％，泵效下降15％；

压力为1.25MPa时，单泵流量应为2900 m3/h，超载31％，泵效下降12％；

压力为1.3MPa时，流量应为2880 m3/h，超载29％，泵效下降9％，

压力为1.45MPa时，流量应为2560 m3/h，超载16％，泵效下降5％，

压力为1.60MPa时，流量应为2200 m3/h，水泵在额定工况下工作。

就目前的供水量来看，大流量时两台泵的供水量已达到了3台泵的额定流量，小流量时又不足两台泵的额定流量（约2800m3/h）！所以，目前就应该开3台泵运行。出口阀门全开，回流阀门关闭，采用变频调速控制供水压力，既满足了生产工艺要求，又避免了设备过载，还节约了大量电能。

一般的用户考虑到投资的经济性出发，在多泵并联母管制运行的供水系统进行变频调速节能改造时，都提出只改一台变频泵的要求，设想用工频泵带基本流量，变频泵则带变动流量，岂知这个想法是无法实现的。因为一般的水泵特性无法实现这个要求，只有容积泵的特性能满足这个要求，但容积泵的容量小，效率又太低！

工频定速泵和变频调速泵并联运行时，就相当于不同扬程的水泵并联运行，不可避免工频泵的抢水现象和变频泵在降速到一定程度时的不出水现象。所以由于供水系统中工频定速泵的存在，就会限制变频泵的调速范围，影响节能效果；同时也会使工频定速泵过载而降低泵效，从而降低了系统运行的经济性。

从下面的计算可以看出：即使运行3台变频调速泵，也比运行两台工频定速泵的经济性要好，虽然增加了初投资，但是两年以内的回收期还是可以接受的。另外，水泵变频调速还会带来很多其它的好处：由于降低了转速和压力，水泵和阀门的使用寿命就会大大延长，减少了维护费用；供水压力稳定，保证了工艺参数要求，有利于提高产量和产品质量，从而提高了企业的整体效益。所以应从大处着眼，从小处着手来考虑和完善改造方案，才能收到预期的效果。

（1）方案一

  开两台泵，一台泵工频运行，一台泵变频运行。当用水量大时，变频泵全速运行（或适当超速运行），尽量保証供水压力，但也不可避免压力下降到1.0 MPa以下。用水量小时，变频泵减速运行，但由于有工频泵维持母管压力，变频泵很快就会不出水，这会引起变频泵的汽蚀；即便如此，压力也不会有所下降，因为此时阀门开度仅为20%--30%，流量不足二台泵的流量（约2800m3/h），仍要靠关小阀门来控制流量，这样就会提高出口压力，所以压力仍将维持在额定压力（1.6 MPa）附近，既达不到节能的目的，又不能实现生产工艺要求的恒压控制，结果只能是白白浪费投资而已。所以这种方案是不可取的！

（2）方案二

开两台泵，每台水泵用一台高压变频器驱动，将回流阀门关死，出口阀门开大，由变频器根据供水母管压力传感器的信号，通过调节变频器输出频率，从而调节水泵转速来维持供水母管压力恒定，既保证生产用水的要求，又可节省原来通过出口阀门消耗的节流损耗，达到节能的目的。

    当用水量大时，两台变频泵全速运行，也可根据设备情况适当超速运行，尽量保証供水压力，也不可能避免压力下降到1.0 MPa以下。用水量小时，两台变频泵同步减速运行，控制供水压力在1.2 MPa恒压运行。既达到了节能的目的，又实现了生产工艺要求的恒压控制，可谓一举而两得！

当用水量大时，两台泵定速运行，回流阀关死，出口阀门开度为65%，水泵运行工作点为A点，扬程（压力）H1（1.0 MPa），流量为Q1，消耗的轴功率为A H1 O Q1所围成的面积；适当关小出口阀开度，工作点移到B点；两台变频泵可根据设备情况适当超速运行，通过变频器将水泵转速由n1提高为n2，在保证流量不变的情况下，提高出口压力到1.2 MPa，工作点移到C点，扬程为H2，流量为Q1，消耗的轴功率为B H2 O Q1所围成的面积，稍有增大，增大的轴功率为B H2 H1Q1所围成的面积，即图1中阴影部分的面积，大约为30%左右。

 

用水量小时，两台泵定速运行，回流阀关死，出口阀门开度为20%--30%，水泵运行工作点为A点，扬程为H1（1.6 MPa），流量为Q2，消耗的轴功率为A H1 O Q2所围成的面积；若两台变频泵同步减速运行，将水泵转速由n1调整为n2，控制供水压力在H2（1.2 MPa）恒压运行，工作点移到B点；并适当开大出口阀门开度，保证流量为Q2，工作点移到C点，消耗的轴功率为C H2 O Q2所围成的面积，节省的电功率△P为A H1 H2C所围成面积，即图2中阴影部分的面积，大约为35%左右。

 

总的节省的电功率△P为两块阴影部分的面积相抵，因面积基本相当，具体很难估计。由于目前两台泵工作时水泵和电动机均已经过载，且超速运行是设备所不允许的，所以若实施方案二，要节能就达不到恒压控制的目的，要恒压控制就达不到节能目的（实际上设备也不允许），所以方案二也是不可取的。

（3）方案三

开三台泵，每台水泵用一台高压变频器驱动，将回流阀门关死，出口阀门开大，三台变频器同步运行（根据同一个母管压力信号），每台变频器均设计有工频旁路切换装置。由变频器根据供水母管压力传感器的信号，通过调节变频器输出频率，从而调节水泵转速来维持供水母管压力恒定，既保证生产用水的要求，又可节省原来通过出口阀门消耗的节流损耗，达到节能的目的。

因为有三台泵运行，供水余量大，所以即使在用水高峰期，不但需要超速运行，还可以适当降速（87%额定转速）运行，以满足1.2MPa的母管压力要求；但是在用水量小时，就显得太浪费了。目前大流量用水时两台泵消耗的平均电功率为1450kW，总功率为2900kW，若泵效和节流损耗以25％计算，损耗功率为365 kW，水泵在额定工况运行时消耗的实际电功率应为1085 kW。

若采用变频调速控制（三台泵变频运行），大流量时三台泵以87%额定转速运行，以满足1.2MPa的母管压力要求；总功率为(1085kW×0.873/0.96)×3 = 2233kW；节电率为31％。小流量时三台泵调速运行，配合阀门开度，可降速25％运行，每台泵消耗的电功率仅为478 kW，总功率为（1085kW×0.753/0.96）×3 = 1434kW；节电率为56％左右；平均消耗的电功率为（3255kW ×9＋1434kW ×8）÷17＝2398 kW，比原来两台泵运行时（2900kW）还可节省电功率504kW，平均节电率为17％。

日节电量：504kW×24小时 = 12096 kW.h

年节电量（300天）：12096 kW.h×300天 = 3,628,800 kW.h

年节电效益（0.69元/ kW.h）：0.69元 ×3,628,800kW.h = 250.4万元

三台高压变频器和相关设施的投资约为300多万，即不到两年就可以收回全部投资。以上的计算还未考虑使用变频器后系统功率因数的提高导致的电流减小、无功功率减小使系统线损减少而节省的电功率。

随着生产的扩大，用水量还要增加，节能效果将会减小。如要增加运行泵的台数，增加的泵可以工频运行，这将进一步降低节能效果。

3 循环水系统变频调速实施方案

为防止变频器检修或故障对供水系统运行的影响，配置手动工频旁路柜，考虑到循环水系统中一共有六台泵，水泵要定期检修，这时需要倒泵运行，所以具体旁路方式采用“一拖二”手动旁路方案，三套变频器可以兼顾六台泵变频调速运行，其一次接线原理图如下：

 

用户开关QF1闭合时，电机实现变频或工频运行。当高压电源经高压隔离开关QS1连到高压变频装置，变频装置输出经高压隔离开关QS3送至电动机，电动机变频运行；高压电源还可经高压隔离开关QS2直接起动电动机，电动机工频运行。高压隔离开关QS2、QS3之间机械互锁，确保工频电路与变频电路不会同时导通。当变频器检修，断开QS1、QS3，并闭合QS2使电机工频运行不停机，QS1、QS3形成明显断开点，确保检修人员人身安全。

手动旁路方式的旁路柜主要由隔离刀闸构成，在使用时可进行变频运行和工频运行的手动切换。在高压变频装置检修时，旁路隔离刀闸闭合为高压电机从电网直接提供高压电源，不影响用户的使用；而变频隔离刀闸断开，具有明显的物理断点，可保障检修人员的人身安全。旁路隔离刀闸与变频隔离刀闸间具有机械互锁功能，可确保工频回路与变频回路不会同时导通。

采用三地控制方式：可进行本地、机旁操作箱、远程DCS三地控制。DCS与变频器之间的接口如下：

（1）变频器至DCS：

高压合闸允许（开关量）

系统就绪（开关量）

变频器故障（开关量）

本地/远程（开关量）

运行/停止状态（开关量，反馈变频器状态）

变频/工频状态（开关量）

急停（开关量）

变频器当前运行电流（模拟量，4~20MA）

变频器输出电流（模拟量，4~20MA）

（2）DCS至变频器：

变频启动/停机（开关量）

故障复位（开关量）

频率给定（模拟量，4~20MA）

（3）PID控制方式：

高压变频器变频运行时，回流水阀门全关，变频器能够根据管网水压反馈信号的变化自动PID闭环调节运行频率，保持供水水压稳定，降低了管网的损耗。原工频时开两台水泵管网水压为0.96～1.6MPa，采用变频器PID控制后，变频器根据现场用水量的动态变化调整输出频率，把管网压力控制在1.2Mpa，实现了供水压力的恒定控制。

4 项目改造的经济效益

（1）节能效益

改造后，变频器高速运行频率在43HZ左右，低速运行频率在38HZ左右，经测算，相比两台泵工频运行还要节电17%，两台水泵工频运行时阀门全开，大流量时运行电流达到112A，已经超载运行，该循环水系统一年运行330天，一天运行24小时，因该循环水系统为三用三备，每十六小时倒换一次泵，相当于三台变频器平均每年运行330天，每天运行24小时，平均节省电功率504kW，我们按平均电价0.59元/度计算，则该三台变频器每年可节电：504kW×24×300 = 363 万度；可节约电费：0.59元/度×363万度 = 250 万元，不到两年就可以收回全部改造投资。

（2）改善控制水平

原工频时开两台水泵管网水压在0.96～1.6Mpa之间波动，采用变频器调速控制后，变频器根据现场用水量的动态变化调整输出频率，把管网压力稳定控制在1.2Mpa，实现了恒压控制，改善了工艺运行参数，提高了生产效率。

（3）设备不再过载

循环水泵变频改造以后，水泵和电动机不再过载，大大延长了设备的维修周期和使用寿命，节省了维修成本。