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空壓站冷卻水泵節能技術改造
空壓站冷卻水泵節能技術改造
一、概 述
1、原空壓站冷卻水系統狀況
濟南卷煙廠空壓站現有額定排氣量64m3/min空壓機兩臺、40m3/min3臺、20m3/min1臺。日常運行64m3/min1臺，40 m3/min兩臺，其它備用。空壓機在壓縮做功的過程中產生大量的熱，要保證設備的正常運行必須對壓縮空氣和潤滑系統進行冷卻，因此對于冷卻水系統的要求較高，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。每臺空壓機都設有水壓連鎖保護裝置，如水壓低于設定壓力持續15s以上，空壓機將自動停機，而空壓機停機將造成全廠的生產線因壓縮空氣壓力過低而停產的嚴重后果。
空壓站現有的6臺機組均采用強制循環水冷方式。冷卻水泵從水池吸水，將水以一定壓力送入總管，各機組并聯供水，冷卻水對空壓機進行冷卻后進入回水總管，經冷卻塔冷卻后回到水池。水泵是冷卻水系統的主要設備，對冷卻水的壓力和流量起著非常關鍵的作用。空壓站現有IS125-80-200A離心水泵（主要技術參數見表1）3臺，并聯使用。平時兩臺同時運行，1臺備用。
| 流量/m3.h-1 | 揚程/m | 效率/% | 配用電機/kW |
| 90 | 48.4 | 65 | 30 |
| 150 | 44.0 | 79 | |
| 180 | 40.5 | 77 |
表1 IS125-80-200A單級離心水泵技術參數
2、運行情況及存在的問題
兩臺水泵同時運行時，壓力和流量可以得到充分保證，而且當1臺水泵出現故障停機或流量減小后，另1臺水泵可維持運行一段時間，待操作人員巡視時排除故障。但從水泵的設計能力看，1臺就能滿足空壓站的冷卻水需求。由于常年多運行了1臺泵，浪費了大量的電能。而如果改為1臺水泵運行則存在如下問題：（1）單臺水泵運行時空壓機冷卻水進口壓力為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0.15MPa的水壓控制低限，如出現泵的進水過濾器堵塞等情況時，經常造成壓力低連鎖的情況，系統故障率較高。（2）單臺水泵運行一旦出現故障停機，依靠人工操作無法在十幾秒內恢復供水，這將造成全線停產。所以要做到既節約能源又能實現水泵不間斷安全運行，必須解決上述兩個問題。
2 技術改造方案的確定
1、技術改造方案
（1）解決單臺水泵運行時空壓機水壓低的問題
根據歷史數據，空壓機進水壓力達到0.25MPa以上即能確保良好的冷卻效果，而要達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]。對冷卻水系統各點的壓力進行了測量，1號水泵單獨運行時泵頭壓力0.48MPa，經過止回閥后降至0.20MPa，而到達機組為0.18MPa。為驗證該問題，又在2號、3號水泵上分別進行了測試，測試結果基本相同。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，空壓機進水壓力低的問題可以解決。
（2）選用更高揚程的水泵。不改變現有的管道和閥門，要使空壓機進水壓力達到0.25MPa以上，水泵出口壓力應在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。
解決單臺水泵運行時出現故障后自動恢復供水的問題 對于水泵發生故障后及時自動恢復供水，有幾種方案可供選擇。
（1）將兩臺水泵的接觸器進行電氣連鎖，當運行水泵的接觸器跳脫時另一臺的接觸器自動吸合。
（2）采用電接點壓力表或壓力開關，以繼電器實現簡單控制。當壓力低于設定值時壓力開關動作，通過繼電器觸發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換成數字量，與程序設定的壓力值進行比較。當水壓低于設定值時，PLC通過開關量模塊給相應繼電器以開關信號進行聲光報警，同時觸發備用水泵接觸器開啟備用水泵。當第一臺備用泵啟動5s后壓力仍然達不到設定值，可再啟動另一臺備用水泵。
2、方案比選
（1）提高空壓機進水壓力的方案比選 更換水泵的方案設備更換費用較高，施工周期長，更為主要的是采用更高揚程和流量的水泵增加了配用電機功率，要比利用原有水泵每天增加電能消耗360kW.h，年增加電費約6.5萬元。
而止回閥的購置費用較低，可利用原有水泵和管道系統，施工周期短，單臺水泵運行的能耗不再增加。因此，不論從一次性投資還是日常運行成本來看，更換水泵的方案經濟性較差。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行連鎖的方案，完成起來非常簡單，投入很小。但其只能在運行水泵的接觸器跳閘的情況下才能起到保護作用，而對于接觸器觸點因生熱、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械故障無法起到保護作用。
壓力開關的方案投資也不多，但從應用經驗看存在以下不足：冷卻水中的泥垢經常將壓力開關進水管道堵塞，容易造成誤報警；壓力開關的精確度較差，零點易漂移；水壓的瞬間波動會造成開關動作，當水壓在控制臨界點反復波動時將造成電接點反復通斷，使水泵反復啟停，結果是控制失效，也會大大縮短壓力開關的使用壽命。
采用PLC控制，能實現數字化控制，監測速度快，可通過軟件編程實現多種功能，如水壓在設定值附近波動時的延時判斷；在第一臺備用泵出現意外情況時可啟動第二臺備用泵；報警手動復位后再延時啟動報警等。目前PLC控制技術已相當成熟，運行穩定可靠。而且延時啟動第二臺泵的功能，排除了第一臺備用泵因積氣、進出水閥門故障及水泵機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。
雖然PLC控制方案的初期投資相對最高，但鑒于當前工藝條件下水泵控制高可靠性、高穩定性的要求，采用了可編程控制器的方案。
三、節能型技術改造方案設計
1、止回閥選型
系統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，流體被截斷（結構見圖1）。其流體阻力大，流體阻力系數達到了7.5[2]。要降低止回閥的局部阻力損失，應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在1.3～3之間，其閥瓣繞水平軸旋轉，流體流過時將閥瓣頂開，反之閥瓣靠自身重力壓在閥座上，流體反向流動不能通過。但這種閥門閥瓣行程長，閥門關閉時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，其結構如圖2所示。當受到正向流體壓力時，其閥瓣以中間轉軸為中心做回轉運動，閥門打開，當受到反向壓力時閥瓣復位形成密封，流體不能通過。這種止回閥的流體阻力系數在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為1.5，其閥瓣行程短，且有彈簧輔助關閉，閥門關閉時沖擊力小，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。投入使用后經實測，單臺水泵運行時循環水經過止回閥后壓力達到了0.34MPa，到達機組的壓力為0.32MPa。滿足空壓機的冷卻量要求。
2、電氣自動化控制
確定了以西門子S7-300系列PLC為核心的自動控制方案，電路圖見圖3。將站房3臺水泵聯控，平時1臺運行，另兩臺備用。當運行水泵出現故障后，PLC通過判斷循環水總管壓力立即啟動備用泵。
該控制方案具有以下特點：
（1）在循環水出水總管上安裝壓電陶瓷式壓力傳感器。PLC以每0.01s監測一次的頻率采集壓力信號，當壓力低于0.26MPa的設定值并經1s的延時確認后，PLC的開關量相應接點接通，通過中間繼電器接通備用水泵的接觸器線圈，實現自動啟動備用水泵的功能。在啟動水泵的同時進行聲光報警，提醒操作人員及時查看壓力低的原因，并由操作人員在排除故障后手動復位。
（2）充分考慮了手動、自動切換時的無擾動設計。做到既可由PLC自動控制水泵，又能在任何情況下手動開停水泵，并且切換時對水泵的運行現狀沒有影響。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后啟動第二臺備用泵，從而進一步提高可靠性。