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                               空壓站冷卻水泵節(jié)能技術(shù)改造

一、概 述

1,、原空壓站冷卻水系統(tǒng)狀況

濟(jì)南卷煙廠空壓站現(xiàn)有額定排氣量64m3/min空壓機(jī)兩臺,、40m3/min3臺、20m3/min1臺,。日常運(yùn)行64m3/min1臺,，40 m3/min兩臺，其它備用,?？諌簷C(jī)在壓縮做功的過程中產(chǎn)生大量的熱，要保證設(shè)備的正常運(yùn)行必須對壓縮空氣和潤滑系統(tǒng)進(jìn)行冷卻,，因此對于冷卻水系統(tǒng)的要求較高,，不但要有足夠的流量保證冷卻效果,，而且必須保證冷卻水的不間斷供應(yīng)。每臺空壓機(jī)都設(shè)有水壓連鎖保護(hù)裝置,，如水壓低于設(shè)定壓力持續(xù)15s以上,，空壓機(jī)將自動(dòng)停機(jī)，而空壓機(jī)停機(jī)將造成全廠的生產(chǎn)線因壓縮空氣壓力過低而停產(chǎn)的嚴(yán)重后果,。

空壓站現(xiàn)有的6臺機(jī)組均采用強(qiáng)制循環(huán)水冷方式,。冷卻水泵從水池吸水，將水以一定壓力送入總管,，各機(jī)組并聯(lián)供水,，冷卻水對空壓機(jī)進(jìn)行冷卻后進(jìn)入回水總管，經(jīng)冷卻塔冷卻后回到水池,。水泵是冷卻水系統(tǒng)的主要設(shè)備,，對冷卻水的壓力和流量起著非常關(guān)鍵的作用?？諌赫粳F(xiàn)有IS125-80-200A離心水泵（主要技術(shù)參數(shù)見表1）3臺,，并聯(lián)使用。平時(shí)兩臺同時(shí)運(yùn)行,，1臺備用,。

表1 IS125-80-200A單級離心水泵技術(shù)參數(shù)

2、運(yùn)行情況及存在的問題

兩臺水泵同時(shí)運(yùn)行時(shí),，壓力和流量可以得到充分保證,，而且當(dāng)1臺水泵出現(xiàn)故障停機(jī)或流量減小后，另1臺水泵可維持運(yùn)行一段時(shí)間,，待操作人員巡視時(shí)排除故障。但從水泵的設(shè)計(jì)能力看,，1臺就能滿足空壓站的冷卻水需求,。由于常年多運(yùn)行了1臺泵，浪費(fèi)了大量的電能,。而如果改為1臺水泵運(yùn)行則存在如下問題：（1）單臺水泵運(yùn)行時(shí)空壓機(jī)冷卻水進(jìn)口壓力為0.18MPa,，水壓偏低，這影響了冷卻效果,，特別是夏季不能滿足冷卻要求,。另一方面由于該壓力接近空壓機(jī)0.15MPa的水壓控制低限，如出現(xiàn)泵的進(jìn)水過濾器堵塞等情況時(shí),，經(jīng)常造成壓力低連鎖的情況,，系統(tǒng)故障率較高。（2）單臺水泵運(yùn)行一旦出現(xiàn)故障停機(jī),，依靠人工操作無法在十幾秒內(nèi)恢復(fù)供水,，這將造成全線停產(chǎn),。所以要做到既節(jié)約能源又能實(shí)現(xiàn)水泵不間斷安全運(yùn)行，必須解決上述兩個(gè)問題,。

2 技術(shù)改造方案的確定

1,、技術(shù)改造方案

（1）解決單臺水泵運(yùn)行時(shí)空壓機(jī)水壓低的問題

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，空壓機(jī)進(jìn)水壓力達(dá)到0.25MPa以上即能確保良好的冷卻效果,，而要達(dá)到這一要求有如下方案可以選擇：

（1）減少管道阻力損失,。管道的總阻力損失等于沿程阻力損失和局部阻力損失之和[1]。對冷卻水系統(tǒng)各點(diǎn)的壓力進(jìn)行了測量,，1號水泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)泵頭壓力0.48MPa,，經(jīng)過止回閥后降至0.20MPa，而到達(dá)機(jī)組為0.18MPa,。為驗(yàn)證該問題,，又在2號、3號水泵上分別進(jìn)行了測試,，測試結(jié)果基本相同,。所以水泵出口止回閥是壓力降低的主要因素，達(dá)到了0.28MPa,。如果能夠大幅度降低止回閥的局部阻力損失,，空壓機(jī)進(jìn)水壓力低的問題可以解決。

（2）選用更高揚(yáng)程的水泵,。不改變現(xiàn)有的管道和閥門,，要使空壓機(jī)進(jìn)水壓力達(dá)到0.25MPa以上，水泵出口壓力應(yīng)在0.55MPa以上,。將原水泵更換為IS125-80-200Z離心水泵可滿足使用要求,，但需要配用更大功率（45kW）的電機(jī)。

解決單臺水泵運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障后自動(dòng)恢復(fù)供水的問題 對于水泵發(fā)生故障后及時(shí)自動(dòng)恢復(fù)供水,，有幾種方案可供選擇,。

（1）將兩臺水泵的接觸器進(jìn)行電氣連鎖，當(dāng)運(yùn)行水泵的接觸器跳脫時(shí)另一臺的接觸器自動(dòng)吸合,。

（2）采用電接點(diǎn)壓力表或壓力開關(guān),，以繼電器實(shí)現(xiàn)簡單控制。當(dāng)壓力低于設(shè)定值時(shí)壓力開關(guān)動(dòng)作,，通過繼電器觸發(fā)另外一臺水泵的接觸器吸合開啟備用水泵,。

（3）以可編程控制器（PLC）為核心，編寫邏輯控制程序,，將水壓的模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,，與程序設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較。當(dāng)水壓低于設(shè)定值時(shí)，PLC通過開關(guān)量模塊給相應(yīng)繼電器以開關(guān)信號進(jìn)行聲光報(bào)警,，同時(shí)觸發(fā)備用水泵接觸器開啟備用水泵,。當(dāng)?shù)谝慌_備用泵啟動(dòng)5s后壓力仍然達(dá)不到設(shè)定值，可再啟動(dòng)另一臺備用水泵,。

2,、方案比選

（1）提高空壓機(jī)進(jìn)水壓力的方案比選 更換水泵的方案設(shè)備更換費(fèi)用較高，施工周期長,，更為主要的是采用更高揚(yáng)程和流量的水泵增加了配用電機(jī)功率,，要比利用原有水泵每天增加電能消耗360kW.h，年增加電費(fèi)約6.5萬元,。

而止回閥的購置費(fèi)用較低,，可利用原有水泵和管道系統(tǒng)，施工周期短,，單臺水泵運(yùn)行的能耗不再增加,。因此，不論從一次性投資還是日常運(yùn)行成本來看,，更換水泵的方案經(jīng)濟(jì)性較差,。因此決定采用更換止回閥的方案。

（2）電氣控制的方案比選 將兩臺水泵的接觸器進(jìn)行連鎖的方案,，完成起來非常簡單,，投入很小。但其只能在運(yùn)行水泵的接觸器跳閘的情況下才能起到保護(hù)作用,，而對于接觸器觸點(diǎn)因生熱,、打火而粘接住不能脫開的情況、流量逐漸變小的情況以及其他機(jī)械故障無法起到保護(hù)作用,。

壓力開關(guān)的方案投資也不多,，但從應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)看存在以下不足：冷卻水中的泥垢經(jīng)常將壓力開關(guān)進(jìn)水管道堵塞，容易造成誤報(bào)警,；壓力開關(guān)的精確度較差,，零點(diǎn)易漂移；水壓的瞬間波動(dòng)會(huì)造成開關(guān)動(dòng)作,，當(dāng)水壓在控制臨界點(diǎn)反復(fù)波動(dòng)時(shí)將造成電接點(diǎn)反復(fù)通斷，使水泵反復(fù)啟停,，結(jié)果是控制失效,，也會(huì)大大縮短壓力開關(guān)的使用壽命。

采用PLC控制,，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制,，監(jiān)測速度快，可通過軟件編程實(shí)現(xiàn)多種功能，如水壓在設(shè)定值附近波動(dòng)時(shí)的延時(shí)判斷,；在第一臺備用泵出現(xiàn)意外情況時(shí)可啟動(dòng)第二臺備用泵,；報(bào)警手動(dòng)復(fù)位后再延時(shí)啟動(dòng)報(bào)警等。目前PLC控制技術(shù)已相當(dāng)成熟,，運(yùn)行穩(wěn)定可靠,。而且延時(shí)啟動(dòng)第二臺泵的功能，排除了第一臺備用泵因積氣,、進(jìn)出水閥門故障及水泵機(jī)械故障等意外原因造成備用泵不能正常供水的情況,，提高了保障系數(shù)。

雖然PLC控制方案的初期投資相對最高,，但鑒于當(dāng)前工藝條件下水泵控制高可靠性,、高穩(wěn)定性的要求，采用了可編程控制器的方案,。

三,、節(jié)能型技術(shù)改造方案設(shè)計(jì)

1、止回閥選型

系統(tǒng)原來采用的是升降式靜音止回閥,，其閥芯靠流體壓力沿著通道中心線向上頂起,，流體即可通過，反之流體壓力使閥芯與閥座密合,，流體被截?cái)啵ńY(jié)構(gòu)見圖1）,。其流體阻力大，流體阻力系數(shù)達(dá)到了7.5[2],。要降低止回閥的局部阻力損失,，應(yīng)選擇低流體阻力的閥門。

H44型單瓣旋啟式止回閥的流體阻力系數(shù)在1.3～3之間,，其閥瓣繞水平軸旋轉(zhuǎn),，流體流過時(shí)將閥瓣頂開，反之閥瓣靠自身重力壓在閥座上,，流體反向流動(dòng)不能通過,。但這種閥門閥瓣行程長，閥門關(guān)閉時(shí)有巨大的沖擊力和水錘壓力,，容易損壞,，可靠性差。水錘壓力大還將造成水泵損壞,，所以不宜采用,。

H76型雙瓣旋啟式止回閥是一種新型閥門，近年來逐漸得到推廣使用,，其結(jié)構(gòu)如圖2所示,。當(dāng)受到正向流體壓力時(shí)，其閥瓣以中間轉(zhuǎn)軸為中心做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，閥門打開,，當(dāng)受到反向壓力時(shí)閥瓣復(fù)位形成密封,，流體不能通過。這種止回閥的流體阻力系數(shù)在0.7～2.6之間,，且閥門口徑越大流體阻力越小,。DN150的雙瓣旋啟式止回閥的流體阻尼系數(shù)為1.5，其閥瓣行程短,，且有彈簧輔助關(guān)閉,，閥門關(guān)閉時(shí)沖擊力小，水錘壓力小,，閥門壽命長,，可靠性高[3]。

通過上述比較,，選用了DN150雙瓣旋啟式止回閥,。投入使用后經(jīng)實(shí)測，單臺水泵運(yùn)行時(shí)循環(huán)水經(jīng)過止回閥后壓力達(dá)到了0.34MPa,，到達(dá)機(jī)組的壓力為0.32MPa,。滿足空壓機(jī)的冷卻量要求。

2,、電氣自動(dòng)化控制

確定了以西門子S7-300系列PLC為核心的自動(dòng)控制方案,，電路圖見圖3。將站房3臺水泵聯(lián)控,，平時(shí)1臺運(yùn)行,，另兩臺備用。當(dāng)運(yùn)行水泵出現(xiàn)故障后,，PLC通過判斷循環(huán)水總管壓力立即啟動(dòng)備用泵,。

該控制方案具有以下特點(diǎn)：

（1）在循環(huán)水出水總管上安裝壓電陶瓷式壓力傳感器。PLC以每0.01s監(jiān)測一次的頻率采集壓力信號,，當(dāng)壓力低于0.26MPa的設(shè)定值并經(jīng)1s的延時(shí)確認(rèn)后,，PLC的開關(guān)量相應(yīng)接點(diǎn)接通，通過中間繼電器接通備用水泵的接觸器線圈,，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)備用水泵的功能,。在啟動(dòng)水泵的同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒操作人員及時(shí)查看壓力低的原因,，并由操作人員在排除故障后手動(dòng)復(fù)位,。

（2）充分考慮了手動(dòng)、自動(dòng)切換時(shí)的無擾動(dòng)設(shè)計(jì),。做到既可由PLC自動(dòng)控制水泵，又能在任何情況下手動(dòng)開停水泵，并且切換時(shí)對水泵的運(yùn)行現(xiàn)狀沒有影響,。確保了在PLC失效及特殊,、緊急情況下操作人員可以采取應(yīng)急措施。

（3）在第一臺備用泵不能有效供水的特殊情況下,，可在5s后啟動(dòng)第二臺備用泵,，從而進(jìn)一步提高可靠性。