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一、前言
某石油管理局供水公司每年耗電費用約占供水總成本費的30%左右，而其中輸配水環(huán)節(jié)的電費約占總電費的70%左右，因此，如何調(diào)整好外輸泵的日常運行，使輸配水噸水電耗保持在一個較經(jīng)濟合理的范圍內(nèi)，是節(jié)能工作的重點。我們始終積極探索，認真研究，采取有效措施來解決這個問題。
二、問題的提出
該石油公司取水廠日取水能力為50萬立方米/日。當初設計時，考慮到中長期規(guī)劃和最不利水量、水位情況，選擇了兩種機組泵型，一種為電機1400KW/10KV，取水泵900HR（H62米，Q6360立方米/小時），另一種為電機900KW/10KW，取水泵700HR（H62米，Q3900立方米/小時）。取水廠的二級泵站——該水廠的一、二期工程設計供水量為50萬立方米/日。
由于油田產(chǎn)量有限，外網(wǎng)用水量逐年減少。目前取水廠實際輸水能力僅為25-30萬立方米/天，水泵總流量Q僅為1.04-1.25億立方米/小時，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，泵就會過載。所以，取水廠只能通過調(diào)節(jié)出口閘門來控制泵的壓力，從而使泵在高效率區(qū)域內(nèi)運行。這種操作不僅增加了閘門的水頭耗損，同時對電能造成了極大的浪費。而且閘門的節(jié)流調(diào)節(jié)不當，泵很容易偏離高效段或過載運行，導致泵的故障率增加，縮短機組的使用壽命。
兩年以來，該泵已維修10多次，維修費用超過100萬元。而且水廠是保障油田用水的關鍵。所以對該水廠的水泵進行技術改造升級是屬于勢在必行的。
三、變頻調(diào)速改造方案的初步計算和論證
一般情況下，泵都在額定工作條件下，按最佳工作條件設計操作。
額定壓力下的額定流量可以在B點獲得，此時泵的效率最高。關閉閥門可以控制流量。當流量減小時，泵分別在點P、Q、R和S工作。此時，泵需要在非常高的壓差下工作，因此泵的能量輸出遠遠超過實際系統(tǒng)需要。多余的能量表示為閥門上的熱損失，由液體代替。泵的總輸入能量可以通過將泵的輸出能量除以泵的效率來獲得。調(diào)節(jié)泵出口閥的開度以降低流量，導致相當大的能量損失。
電機可以通過變頻器驅(qū)動泵變速運行。在任何流速下，泵的特性曲線都符合系統(tǒng)的需要。流量與電機轉(zhuǎn)速成正比，產(chǎn)生的壓差與轉(zhuǎn)速的平方成正比。無級變頻后可以得到無數(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都可以作為工作點，以適應外網(wǎng)水量的變化，在較小揚程下達到P、Q、P點所對應的流量，同時所損耗的能量較少，節(jié)能效果顯著。
對于同一臺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#泵均為進口大泵，其電機轉(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
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，H=34米，N=547千瓦，調(diào)速后泵參數(shù)基本適合目前工況。當然，以上計算是在假定系統(tǒng)的管路特性曲線不變的情況下進行的，安裝變頻調(diào)速設備后，泵出口閥門可以全部打開，系統(tǒng)的管路特性曲線將向外偏移，那么調(diào)速后的泵運行參數(shù)更有可能滿足實際工況的要求，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
水泵的耗能計算公式為：P=(K×H×Q)/ηK:為裕度系數(shù)η：效率
假設水泵的實際壓力由目前的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減少1－43％＝57％。按電費0.41元/度，電機效率為0.95，運行330天/年，則原來年耗電電費為（1400KW×24×330×0.41）/0.95＝478萬元。
變頻調(diào)速降至2.5公斤后，年耗電電費為：478×43％＝205.54萬元，年節(jié)省電費為478－205.54＝272.5萬元。初步看來節(jié)能效果相當可觀。
五、方案確定
考慮到水廠一泵的實際條件，經(jīng)過認真計算，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。該變頻器各項性能指標滿足水泵工藝要求，可靠性較高，且改造時間短、見效快。
具體方案為關閉一期和二期之間的聯(lián)絡閥門，二期管網(wǎng)獨立運行，變頻器采用一帶一方式拖動6＃泵，6＃泵故障時，可投入工頻運行。工頻/變頻的切換通過旁路柜手動切換。而且，工頻和變頻切換有電氣聯(lián)鎖和PLC的邏輯互鎖，能保證機組安全運行。恒壓控制，閉環(huán)運行，二期管網(wǎng)壓力為0.1MPa；采用閥門聯(lián)動自動控制，具有冷卻水流量檢測保護功能。
六、改造后，6#泵高壓變頻調(diào)速裝置試運行情況
本年1月6日，變頻器技術人員和取水廠的有關人員對6#泵的變頻調(diào)速裝置進行了試運，試運行情況如下：
為了保證水廠試運行期間的穩(wěn)定運行，我們通過調(diào)度提前通知變電站和水廠做好試運行準備。先停7#泵，關閉3#泵與6#泵之間管匯的連接閥，調(diào)整3#泵運行，保持一期出口閥開度不變在12%。將6#泵的變頻頻率設置為37 Hz，啟動6#泵，運行穩(wěn)定后，將第二級出口閥打開至70%，然后觀察泵裝置在頻率分別為35 Hz、33 Hz、30 Hz和28 Hz時的運行狀態(tài):
試運行結(jié)束后，我們將頻率設置為30 Hz進行開環(huán)運行，并安排水廠值班員單獨記錄6#泵的運行情況。經(jīng)過幾天的運行，變頻器運行穩(wěn)定，功能齊全，操作簡單，完全滿足實際工況要求，達到了預期效果。
七、改造后的節(jié)能檢驗
節(jié)能效果最終要用儀表檢驗，最直接可靠的方法是用電度表測量變頻改造前后的能耗加以比較。
原來3#、6#泵工頻運行的運行記錄：
| 日期 |
總用電量：千瓦時 |
總供水量：立方米 |
泵站總單耗：千瓦時/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#泵工頻運行時泵站總單耗為：(0.2064+0.2143）/2=0.21千瓦時/立方米。
現(xiàn)在3#泵工頻運行，6#泵變頻運行（30HZ），匯管閥門關閉，兩臺泵單獨運行記錄：
| 日期 |
總用電量：千瓦時 |
總供水量：立方米 |
泵站總單耗：千瓦時/立方米 |
| 1月9日~14日 | 154200 | 1064700 | 0.14 |
注：從本年1月9日19：00時—到14日7：00時為4.5天，則日平均水量為1064700/4.5=236600立方米。
原3#、6#泵工頻運行時，單耗為0.24千瓦時/立方米；現(xiàn)變頻運行時單耗為0.06千瓦時/立方米。年節(jié)電量：0.07*23.66*365=604萬瓦時，合RMB：268.78萬元。
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)場實現(xiàn)外部邏輯控制時，非常方便。例如：閥門聯(lián)動功能使值班人員，在啟、停泵時無需再對閥門進行任何操作；減少了工作量和誤操作；冷卻水流量保護功能保證了水泵電機安全穩(wěn)定的運行。
2）6＃泵變頻改造后，電機的轉(zhuǎn)速、電流、水泵的出口壓都明顯下降，使電機水泵的運行狀況明顯改善，不僅直接節(jié)約耗電量，而且，由于變頻器的軟啟動功能，減少了對電機和電網(wǎng)的沖擊，延長了設備的使用壽命，降低了設備的維修費用。
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)壓力波動范圍很小，能充分滿足現(xiàn)場供水工藝要求。
4）高壓變頻器具有完善、靈敏的故障檢測、診斷、報警、跳閘等功能，保證電機水泵始終安全運行。
5）上位機的監(jiān)控功能和遠程撥號監(jiān)控功能為用戶實現(xiàn)集中監(jiān)控創(chuàng)造了必要條件。
九、結(jié)論
經(jīng)過實踐運行的證明，此次取水廠的水泵變頻改造是成功的，取得的經(jīng)濟效益和社會效益是顯而易見的。
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)運行的靈活性；
3、降低了水泵電機的轉(zhuǎn)速，減少了機泵的啟動沖擊和機械摩擦、震動，延長了機組的使用壽命；
4、減小了機泵運行噪音，改善了工作環(huán)境；五是智能化的聯(lián)動功能和完善的故障保護功能，即提高了工作效率，又增強了系統(tǒng)安全可靠性。
因此，高壓大功率重載變頻器調(diào)速技術是一項利國利民的高科技，具有廣闊的應用前景。水泵調(diào)速或恒壓供水系統(tǒng)應用于供水行業(yè)具有重要的現(xiàn)實意義。這種高壓大功率變頻調(diào)速裝置將成為未來供水行業(yè)節(jié)能改造的首選！
