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(tái)、40m3/min3臺(tái)、20m3/min1臺(tái)。日常運(yùn)行64m3/min1臺(tái)，40 m3/min兩臺(tái)，其它備用?？諌簷C(jī)在壓縮做功的過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱，要保證設(shè)備的正常運(yùn)行必須對(duì)壓縮空氣和潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，因此對(duì)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(tái)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(xiàn)因壓縮空氣壓力過(guò)低而停產(chǎn)的嚴(yán)重后果。

空壓站現(xiàn)有的6臺(tái)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(duì)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(duì)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(jiàn)表1）3臺(tái)，并聯(lián)使用。平時(shí)兩臺(tái)同時(shí)運(yùn)行，1臺(tái)備用。

表1 IS125-80-200A單級(jí)離心水泵技術(shù)參數(shù)

2、運(yùn)行情況及存在的問(wèn)題

兩臺(tái)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(tái)水泵出現(xiàn)故障停機(jī)或流量減小后，另1臺(tái)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(tái)就能滿(mǎn)足空壓站的冷卻水需求。由于常年多運(yùn)行了1臺(tái)泵，浪費(fèi)了大量的電能。而如果改為1臺(tái)水泵運(yùn)行則存在如下問(wèn)題：（1）單臺(tái)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(mǎn)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(guò)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(tái)水泵運(yùn)行一旦出現(xiàn)故障停機(jī)，依靠人工操作無(wú)法在十幾秒內(nèi)恢復(fù)供水，這將造成全線(xiàn)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(wèn)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(tái)水泵運(yùn)行時(shí)空壓機(jī)水壓低的問(wèn)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(duì)冷卻水系統(tǒng)各點(diǎn)的壓力進(jìn)行了測(cè)量，1號(hào)水泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)泵頭壓力0.48MPa，經(jīng)過(guò)止回閥后降至0.20MPa，而到達(dá)機(jī)組為0.18MPa。為驗(yàn)證該問(wèn)題，又在2號(hào)、3號(hào)水泵上分別進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)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(wèn)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(mén)，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(mǎn)足使用要求，但需要配用更大功率（45kW）的電機(jī)。

解決單臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障后自動(dòng)恢復(fù)供水的問(wèn)題 對(duì)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(tái)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(tái)的接觸器自動(dòng)吸合。

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

（3）以可編程控制器（PLC）為核心，編寫(xiě)邏輯控制程序，將水壓的模擬量信號(hào)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(guò)開(kāi)關(guān)量模塊給相應(yīng)繼電器以開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)觸發(fā)備用水泵接觸器開(kāi)啟備用水泵。當(dāng)?shù)谝慌_(tái)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(tái)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(zhǎng)，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(wàn)元。

而止回閥的購(gòu)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(tái)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(lái)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(tái)水泵的接觸器進(jìn)行連鎖的方案，完成起來(lái)非常簡(jiǎn)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(duì)于接觸器觸點(diǎn)因生熱、打火而粘接住不能脫開(kāi)的情況、流量逐漸變小的情況以及其他機(jī)械故障無(wú)法起到保護(hù)作用。

壓力開(kāi)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(kāi)關(guān)進(jìn)水管道堵塞，容易造成誤報(bào)警；壓力開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(cè)速度快，可通過(guò)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(tái)備用泵出現(xiàn)意外情況時(shí)可啟動(dòng)第二臺(tái)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(tái)泵的功能，排除了第一臺(tái)備用泵因積氣、進(jìn)出水閥門(mén)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(duì)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(lái)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(xiàn)向上頂起，流體即可通過(guò)，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(jiàn)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(mén)。

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(guò)時(shí)將閥瓣頂開(kāi)，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(guò)。但這種閥門(mén)閥瓣行程長(zhǎng)，閥門(mén)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(mén)，近年來(lái)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(mén)打開(kāi)，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(guò)。這種止回閥的流體阻力系數(shù)在0.7～2.6之間，且閥門(mén)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(mén)關(guān)閉時(shí)沖擊力小，水錘壓力小，閥門(mén)壽命長(zhǎng)，可靠性高[3]。

通過(guò)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(cè)，單臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)循環(huán)水經(jīng)過(guò)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(mǎn)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(mén)子S7-300系列PLC為核心的自動(dòng)控制方案，電路圖見(jiàn)圖3。將站房3臺(tái)水泵聯(lián)控，平時(shí)1臺(tái)運(yùn)行，另兩臺(tái)備用。當(dāng)運(yùn)行水泵出現(xiàn)故障后，PLC通過(guò)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(cè)一次的頻率采集壓力信號(hào)，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(kāi)關(guān)量相應(yīng)接點(diǎn)接通，通過(guò)中間繼電器接通備用水泵的接觸器線(xiàn)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(wú)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(kāi)停水泵，并且切換時(shí)對(duì)水泵的運(yùn)行現(xiàn)狀沒(méi)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(tái)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(tái)備用泵，從而進(jìn)一步提高可靠性。