可预知运行能效的矿山排水泵站设计.pdf

第 2 5卷第 6期 2 0 1 6年 1 2月 矿 冶 MI NI NG METAL L URGY V n 1 2 5No 6 De c e mb e r 2 O 1 6 文章编 号 ： 1 0 0 5 - 7 8 5 4 2 0 1 6 ) 0 6 0 0 7 0 4 可预知运行能效 的矿山排水泵站设计 刘恒才 姚福 来 李 博 ( 1 北京 中鼎高科 自动化技术有限公司， 北京 1 0 1 1 0 2； 2 北京金易奥科技发展有限公司， 北京 1 0 0 1 7 6 ) 摘 要 ： 对矿山排水泵站整体电耗的三个因素进行分析， 指出利用调速和单闭环反馈控制可以解决富 裕流量和富裕扬程造成的电能浪费 ， 但 对于因为效率偏 差造成 的电能浪费则无能为力 ， 利用泵站 目标电 耗技术可 以解决效率偏差问题 ， 泵站 目标电耗技术同时可以给出泵站的最低 电耗值 、 整体最高运行效率 和每度 电产水 量， 利用泵站 目标 电耗 的这一 特点， 将其应用到矿山排水泵站经济 指标设计 中来 ， 设计 出 可预 知最低 电耗 的高能效排水泵站 。 关键词： 排水泵站 ； 预知 ； 运行能效 ； 设计 中图分类号 ： T H 3 文献标志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 - 7 8 5 4 2 0 1 6 。 0 6 0 1 5 DES I GN OF MI NE DRAI NAGE P UMP I NG S T ATI ON W I TH PREDI CTABLE OPERAT1 0N ENERGY EFF I CI ENCY L I U He n g c a t” Y AO Fu 1 a i L I Bo ( 1 B e ij i n g Z o d n g o c A u t o ma t i c T e c h n o l o g y C o ， L t d ， B e ij i n g 1 0 1 1 0 2 ， C h i n a ； 2 B e ij i n g I A O S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y D e v e l o p m e n t C o ， L t d ， B e n g 1 0 0 1 7 6 ， C h i n a ) ABSTRACT：Af t e r a n a l y z i n g t he t h r e e f a c t o r s o f t h e o v e r a l l p o we r c o n s ump t i o n i n mi n e dr a i n a g e p u mp i n g s t a t i o n， i t i s p o i n t e d o u t t h a t t he us e o f s p e e d r e g u l a t i n g d e v i c e a nd s i n g l e c l o s e d l o o p f e e d b a c k c o n t r o l c a n e l i mi na t e t h e wa s t e o f e n e r g y c a u s e d b y t h e flo w r i c h a nd l i f t r i c h，b u t i s u na b l e t o e l i mi n a t e t h e wa s t e o f e n e r g y c a u s e d b y t h e e f - fi c i e n c y d e v i a t i o n T h e P u m p i n g S t a t i o n T a r g e t P o w e r( P S T P )t e c h n o l o g y c a n s o l v e t h i s p r o b l e m， a n d g i v e t h e l o w e s t p o we r c o n s u mpt i o n v a l u e a n d t h e h i g h e s t o v e r a l l e ffi c i e n c y o f t he mi n e d r a i n a g e p u mp i n g s t a t i o n PS TP i s a p - p l i e d t o t h e d e s i g n o f mi n e d r a i n a g e pu mp i n g s t a t i o n a c c o r di n g t o e c o n o mi c i nd i c a t o r s Th e h i g he s t o p e r a t i o n e f f i - c i e n c y a n d t h e mi ni mu m p o we r c o n s u mp t i o n o f t h e mi n e d r a i n a g e p u mpi ng s t a t i o n c a n be p r e d i c t e d KEY W ORDS：d r a i n a g e p u mp i ng s t a t i o n；pr e d i c t ；o pe r a t i o n e n e r g y e ffi c i e n c y；d e s i g n 排水是矿山安全生产的保证 ， 其用 电量在矿 山 生产总电耗 中占有很大 比重 ， 如何设计最节能 的矿 山排水泵站， 预先给出泵站的最低电耗值 ， 并使泵站 最终实现最低电耗运行 ， 是每一个矿山设计人员所 追求的 目标 。在节能意识 日益增强 的今天 ， 泵站吨 水 电耗这一经济技术指标 的高低也代表了一份社会 责任 。 最小 电耗问题也就是能效优化问题 ， 如果 系统 收稿 日期 ： 2 0 1 6 - 1 1 4 ) 1 作者简介：刘恒才 ， 硕士 ， 工 程师 ， 主要 研究方 向为 自动化设 备 的生产与管 理。 的优化变量不随时 间变化 ， 其优化称 为静态优化 。 如 果 系统从 一个 工 况 变 化到 另 一 个 工 况 ， 系 统 中 的 参数是时间的函数 ， 对于在这个变化过程 中的优化 ， 就是动态优化。矿山的排水量在一定时间内可能是 静止的， 但从更长的时间上看可能就是变化的， 所以 矿山排水泵站的能效优化是一个静态优化和动态优 化 的混合 优化 问题 。 大量 的 矿 山排 水 泵 站是 多 机 组 系统 ， 目前 在 这 种系统中， 典型的控制方式是单闭环 P I D控制方式 ， 如图 l 所示 ， 其基本工作原理是： 用实际值 与设 定值 进行对 比， 根据误差的大小 ， 增加或降低水 刘恒才 等 ： 可预知运行能效 的矿山排水泵站设计 泵转速 ， 并根据调速水泵到达满速或降到零速时， 实 际值的高低 ， 增减水泵 的开关数量 ， 这种方法虽然在 全世界被广泛应用 ， 但是它却不是最优的， 因为， 这 种 控制 方法 并没 有考 虑 电耗和 运行 能效 问题 。 孵 【 一 设定值 网 pg c - r _ 丽 L 里 蕊 图 1 单 闭环 P I D控制 F i g 1 S i ng l e l o o p PI D c o n t r o l 随着人类对节能和环保要求 的提高 ， 人们对节 电 和能效 问题 越来 越 关 注 ， 各 种 优 化 方 法 被应 用 到 泵 站 中 来 。例 如 ， 线 性 规 划 、 混 合 整 数 线 性 规 划 、 动态规划 、随机动态规划( 4 J 、 遗传算法 、 模拟退化 o 、 粒子群优化 、 蚁群优化算法 、 模 型 预测控制 、 多参数规划 等等 。 很 多优 化方 法需 要 知道被 优 化对象 的准确数 学 模 型 ， 而在 实 际 中这 是很 困难 的 ， 所 以这 些优 化方 法 在 实 际泵 站 中 的 应 用 就 变 得 十 分 困难 。文 献 给 出了一种 量 子优 化 法 则 ， 可 以确 定 泵 站 的最 低 运 行 电耗 和最 高运 行 效 率 ， 这 种 方 法 不依 赖 于系 统 的 数学模型。 从 目前 的设 计 规 范 看 ， 还 实现 不 了设计 可 预 知 电耗的高能效排水泵站这一 目标 ， 针对这一问题 ， 本 文 从排 水泵 站 的能 耗 分 析人 手 ， 探 讨 给 出这 一 问 题 的解决 方法 。 1 排 水 泵站 的 电耗 和运 行 能 效 水的密度为 1 0 0 0 k g m ， 排水泵站将矿 内的水 加 压后输 送 出来 ， 排水 泵站 消耗 的电能 为 ： ： ( 1 ) j 0 r 式 ( 1 ) 中 ， 日是 排水 泵站 的 总扬程 ， I n ； Q是排水 泵 站 输 出 的总流量 ， i n ； W是 排 水 泵 站 的 总 电耗 ， k Wh ； r 是排水泵站的整体运行效率 。排水泵站的节能问题 也就 围绕 着这 三个 因 素进行 。 假设工艺要求的流量为 Q 。 ， 扬程为 ， 如果排 水泵站采用阀门调节或开关水泵方式调节 ， 则存在 富裕流量 A Q和富裕扬程 日： Q = Q 。+Q H= Ho +AH ( 2 ) 排水泵站的电耗表达式变为 ： ： 一 一 ( 3 ) 。 。 3 6 7r 。 通过水 泵 调速 和 常 规 单 闭环 P I D控 制 ， 可 以消 除富裕 流量 , a Q和 富裕扬 程 日， 泵 站 电耗 变为 ： Wb = Q o H o ( 4 ) 式( 4 ) 中， 叼 。 是常规变频调速后排水泵站的整体运 行 效率 。 一 个排水泵站使用了变频器 ， 相 当于有无穷类 型的水泵， 在各种控制和组合方式中， 存在着整体运 行效率最 高 的运 行方 式 ， 此整体 运行 最高 效率 为 叼 ， 7 不是所有设备最高效率的乘积， 它是指对 应工况( Q 。 和 H o )， 在所有可能的调节和组合手段 中所能达到的最高效率 ， 该排水泵站可 以实现的最 低 电耗 为 ： ： ( 5 ) 3 6 7 r 、 这个 就是我们追求的 目标 电耗。 对于没有调速的排水泵站 ， 实际整体运行效率 叼同 叼 之 间的效率偏差为 ： 1=叼 一叼 ( 6 ) 泵站 存 在 三 种 可能 的 电能 浪费 因素 ， 富 裕 流量 A Q、 富裕 扬程 日和效率偏 差 。 ， 对 比 ( 1 ) 式 和 ( 5 ) 式 ， 最 大节 电量 ( 或 电能 浪费 ) 为 ： 一 ( 7 ) 对于有调速装置 的排水泵站 ， 实 际整体运行效 率 叼 。 同 叼 之间的效率偏差为 ： 7 7 b p= 7 一 b p ( 8 ) 排水泵站只存在效率偏差 吼。 电能浪费因素 ， 对 比( 1 ) 式 和 ( 5 ) 式 ， 最 大节 电量 ( 或 电 能浪 费 ) 为 ： 。 一 W ( 9 ) 文 献 H 给 出 了 一 种 对 于 相 同 型 号 水 泵 组 成 的多机组泵站 ， 确定其最低运行电耗及整体效率最 大 值 的方法 ， 最低 电耗为 = ( 1 0 ) 叩 。( ) 式 ( 1 0 ) 中， 17 , 是泵站的最优运行 台数 ， ， 7 为水泵在 条件下的最高运行效率 ， 理想电耗 为 = ( 1 1 ) 最高运行效率为 = ( ) ( 1 2 ) 矿 冶 2 设 计可预 知最低 电耗和最 高运行 能 效 的排 水 泵 站 根据矿山的排水规模及集水池的位置 等条件 ， 确定水泵 的扬程 、 流量和 台数。因为排水泵站设计 要考 虑未 来需 求 和应 急 状 况 ， 所 以不 论 是 水 泵扬 程 还是泵站的总流量都不可避免 的要 留有余量 ， 这个 余量就有可能造成泵站运行偏离高效区 ， 如果没有 合适 的控制方 法 ， 就不 可避 免地 带来 电能 浪费 。 例 如 ， 某 矿井 通 过 2级排 水泵 站 ( 见 图 2 ) 将 井 下的积水排出坑道 ， 其 中第 1 级排水泵站， 根据设计 规范 最 终 确 定 使 用 4台相 同 的水 泵 ， 其 型 号 为 K Q S N 5 0 0 一 N 6 8 6 0， 其 中 3台水泵配备变频器 。 图 2 矿 井两级排水泵站 Fi g 2 Two s t a g e mi ne d r a i na g e pu mp s t a t i o n s 下 面 ， 需 要确 定该 泵站 的经 济运 行指 标 ： 吨水 电 耗 U ( k Wh m ) 、 每度 电产水量 V ( m k Wh ) 和泵站 整体等效运行效率 叩 ， 其实 ， 、 和 这三个经济运 行 指标互 相 关联 ， 在泵 站送 水 扬程 恒 定 的情 况 下 它们代表相同的意义 ， 这可以从 ( 1 ) 式看 出来 ， 吨水 电耗 U为 ： 号= ( 13 ) 式( 1 3 ) 中， 吨水电耗 和每度电产水量 互为 倒数 ， 每 度 电产 水 量 为 ： ： = ( 1 4 ) W H 、 U 在 恒定的情况下 ， 每度电产水量 和运行效 率 之间就差一个常数 ， 运行效率 叩为 日 叩 ( ) 所以 ， 只需要知道泵站的每度 电产水量 就可 以实现电耗的预知和运行效率的预知。 泵 站投 运初 期 ， 最低 流 量 1 5 0 0 m h ， 最 大 流量 3 0 0 0 m h ， 总扬程 5 5 m。利用文献 。 提 出的方 法 ， 给 出该 排水 泵 站 在 H o=5 5 m 时 的 每 度 电 产 水 量预 测 曲线 ， 如 图 3所示 。 蓍 旦 删 * 钆 越 1 僻 流量Q l ( m h - 1 ) 图 3 日。 在 5 5 m 每度 电产水量预测 曲线 Fi g 3 Th e pr e d i c t e d c u r v e o f p r o d uc e d wa t e r p e r k i l o wa t t ho u r wh e n Ho e qu a l s 55 m 图 3给出了 日 。 在 5 5 m时 ， 全部使用定 速泵控 制 ( 1线) 、 采样常规变频控制( 2线 ) 和采用 目标 电 耗控制( 3线) 三种运行方式的每度电产水量预测 曲 线 ， 泵 站 吨 水 电 耗 U ( k Wh m ) 、 每 度 电 产 水 量 ( m k Wh ) 、 整 体 运行 效率 ( ) 的预 知数 据 如 表 1 。 表 1 H。 在 5 5 m 时的吨水 电耗 、 每 度电产水 量 ， 、 运行效 率 叼 Ta b l e 1 U， V a nd 7 whe n H0 e q ua l s 55 排水泵站在总扬程 7 0 m， 最大流量 4 0 0 0 m。 h ， 三种不同运行方式 的每度 电产水量预测 曲线如 图 4 ， 泵站吨水电耗 U ( k Wh m ) 、 每度电产水量 V ( m k Wh ) 、 整体运行效率 卵 ( ) 的预知数据如表 2 。 刘 恒才等 ： 可预知运行能效的矿 山排水泵 站设计 7 3 咖 赵 3崩 流量Q ( m h - 1 ) 图 4 H。 在 7 0 m 每度电产水量预测 曲线 Fi g 4 Th e p r e d i c t e d c ur v e o f pr o du c e d wa t e r pe r k i l o wa t t ho u r wh e n H0 e qu a l s 70 m 表 1和表 2的数据作 为该排水泵 站的设计资 料 ， 为用户提供了可预知的最低吨水电耗、 整体最高 运行效率， 其 中目标电耗运行方式的运行效率最高。 在 H = 5 5 n l ， Q= 2 7 0 0 m h点 ， 还 出现了常规 变频控制比全部采用定速泵控制还费电的现象 。 从 图 3和 图 4中 目标 电耗 的 每度 电产水 量 预测 曲线可以看出一个非常有趣 的现象 ， 采用 目标 电耗 技术优化运行后 ， 其每度 电产水量和运行效率在泵 站出水量大于 1 5 0 0 m s h后基本不 变， 流量 即使大 范围内变化 ， 它们的变化也很小 ， 也就是排水泵站整 体最高运行效率基本恒定。 表 2 H。 在 =7 0 i n时的吨水 电耗 U、 每度电产水量 y 、 运行效率 Ta b l e 2 U，V a n d wh e n Ho e qu a l s 7 0 m 这样矿山排水泵站的设计 ， 就给出了预知 的最 低电耗及最高运行效率等经济运行指标 。 3 结 论 本文通过对矿山排水泵站电耗 的三个要素 ： 流 量 、 扬程和整体运行效率进行分析 ， 得 出 恒定情 况下 ， 泵站整体运行效率、 吨水电耗和每度电产水量 代表相同的意义 ， 并利用泵站 目标电耗技术 ， 给出了 如何设计可预知最低电耗及最高运行效率等经济运 行指标的方法 ， 为今后矿 山排水泵站 的预知节能设 计提供一种可行 的方法和思路。 参 考 文献 ： ( 1 K A L MA N R E C o n t r i b u t i o n s t o t h e t h e o r y o f o p t i ma l c o n t r o l J B o 1 S o c Ma t Me x i c a n a ，1 9 6 0 ，5( 1 ) ： 1 0 2 1l 9 2 MC C O R MI C K G， P O WE L L R S O p t i ma l p u mp s c h e d u l i n g i n wa t e r s up pl y s y s t e ms wi t h ma x i mum de ma n d c h a r g e s J J o u r n a l o f Wa t e r R e s o u r c e s P l a n n i n g Ma n a g e m e n t ， 2 0 0 3 ， 1 2 9 (5 ) ： 3 7 2 3 7 9 3 V I E I R A F ，R A MO S H M O p t i m i z a t i o n o f o p e r a t i o n a l p l a n n i n g f o r w i n d h y d r o h y b r i d w a t e r s u p p l y s y s t e m s J R e n e w a b l e E n e r g y，2 0 0 9，3 4( 3 )：9 2 8 9 3 6 4 T A N A K A N， T A T A N O H， O K A D A N A n o p t i m a l o p e r a t i o n mo de l o f a n ur b a n dr a i n a g e s y s t e m u nd e r p a r t i a l s t a t e o b s e r v a t i o n C P r o c I E E E I n t C o n L S y s t ，Ma n C y b e r n ，1 99 9，5：9 67 97 2 5 L I T T L E K W，M C C R O D D E N B J M i n i m i z a t i o n o f r a w w a t e r p u m p i n g c o s t s u s i n g M I L P J J o u r n a l o f Wa t e r R e s o u r c e s P l a n n i n g Ma n a g e m e n t ，1 9 8 9 ，1 1 5(4 ) ： 5 1 1 52 2 6 MO R A D I J A L A L M，K A R N E Y B WO p t i m a l d e s i g n a n d o pe r a t i o n o f i r r i g a t i o n pu mpi ng s t a t i o n s us i n g ma t he ma t i c a l p r o g r a mm i n g a n d g e n e t i c a l g o r i t h m ( G A) J J o u r n a l o f H y d r a u l i c R e s e a r c h ， 2 0 0 8 ， 4 6 ( 2 ) ： 2 3 7 2 4 6 7 MC C O R MI C K G，P O WE L L R S D e r i v a t i o n o f n e a r o p t i ma l p ump s c h e du l e s for wa t e r di s t r i bu t i o n by s i mul a t e d a n n e a l i n g J J o u r n a l o f t h e O p e r a t i o n a l R e s e a r c h S o c i e t y ， 2 0 0 4， 5 5 ( 7 ) ： 7 2 8 - 7 3 6 8 WE G L E Y C， E U S U F F M， L A N S E Y K D e t e r mi n i n g p u m p o p e r a t i o n s u s i n g p a rt i c l e s w a r m o p t i mi z a t i o n C P r o c J o i n t Co n W a t e r Re s o u r En g W a t e r R e s o u r P l a n M a n a g e ，2 0 00：2 0 6 21 1 9 L O P E Z I B A N E Z M，P R A S A D T D，P A E C H T E R B A n t c o l o n y o p t i mi z a t i o n for o p t i ma l c o n t r o l o f pu mps i n wa t e r d i s t r i b u t i o n n e t w o r k s J J o u r n a l o f Wa t e r Re s o u r c e s P l a n n i n gMa n a g e me n t ， 2 0 0 8 ， 1 3 4 ( 4 ) ： 3 3 7 3 4 6 1 0 Z H A N G J ， X I A X A m o d e l p r e d i c t i v e c o n t r o l a p p r o a c h t o t he p e r i o di c i mp l e me n t a t i o n o f t h e s o l ut i o n s o f t h e o pt i ma l d y n a mi c r e s o u r c e a l l o c a t i o n p r o b l e m J A u t o m a t i c a ， 2 0 1 1 ， 4 7 ( 2 ) ： 3 5 8 3 6 2 ( 下转第 7 8页) 矿 冶 ， 60 o 90 。 图 7 时间 2 0 s 时部分固相速度矢量图 F i g 7 Pa r t o f s o l i d ph a s e v e l o c i t y ve c t o r a t t i me o f 2 0 s 4 结 论 1 ) 气固混合装置 内的压力变化不大 ， 压力变化 主要集中在气 固混合料 出口处 ， 压力逐渐降低减小 ， 压力变化明显。输送物料主要集中在物料进 口与气 固混合仓上部区域 ， 混合装置管道底部物料较少 ， 混 合装置管道下部物料速度明显大于上部物料速度。 气体的速度呈 现先增大 ， 再减小 ， 最后再增 大 的规 律 。 2 ) 渐近 管 的 角 度 在 2 0 。3 0 。 气 流 不 会 出现 低 速 回流 的现象 ， 决定采用 3 0 。 渐近管作为优化尺寸。 3 ) 物料进料 壁面具有一定倾角将 使物料具有 一 定水平速度 ， 且倾角越小 ， 物料获得的水平速度越 大， 更易于物料正 常输送 。决定采用 6 0 。 倾角 的物 料进料壁面作为优化尺寸。 通过模拟分析 ， 完成 了气 固混合装置 内部气固 流动状态和结构优化 ； 通过试验验证 了气力输送系 统具有优异 的输 送特性 ， 满足设计要 求 ， 也证 明 了 F l u e n t 流场模拟在结构设计和优化中重要作用 。 参考 文献 ： 1 袁竹 林 ， 朱 立 平 ， 耿 凡 ， 等 气 固 两相 流 与数 值 模 拟 M 南京 ： 东 南大学出版社 ， 2 0 1 3 ： 6 4 8 2 2 林江 气 力输 送系统流 动特性 的研究 D 杭州 ： 浙 江 大 学 ， 2 0 0 4： 3 6 - 3 9 3 李勇 ， 李 亚莉 气力输送 中供 料方 式 的 比较 分析 J 工程塑料应用 ， 2 0 1 3 ， 3 2 ( 1 2 ) ： 5 1 5 4 4 李勇 ， 陈树新 文丘 里管 及拉法 尔管在气力输送系统 中 的应用 J 硫磷设计与粉体工程 ， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 1 4 1 8 5 刘强 浓相 气力输 送关 键 装置 的开 发与 应用 D 济 南 ： 济南 大学 ， 2 0 1 3 ： 4 1 - 6 4 ( 上接第 7 3页) 1 1 姚福来 ， 孙 鹤旭 通用设 备的节能优化 控制方法 和调 度方法 M 北京 ： 机械工业 出版社 ， 2 0 1 2： 1 2 7 1 4 6 1 2 姚福来 供 水 系统 效率 计算 的研 究 J 控 制 工程 ， 2 0 0 3， 1 0 ( 6 )： 5 6 l 一 5 6 3 1 3 Y A O F L ，S U N H X O p t i m a l c o n t r o l i n v a r i a b l e s p e e d p u m p i n g s t a t i o n s c T h e 2 0 1 1 I E E E I n t e r n a t i o n a l C o n f e F e nc e o n Me c h a t r o ni c s a n d Au t o ma t i o n， 2 01 1：2 39 7 2 401 1 4 Y A O F L ，S U N H X O p t i m a l s w i t c h i n v a r i a b l e s p e e d p u mp i n g s t a t i o n s C 2 0 1 1 I E E E 2 n d I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e nc e o n Co mp ut i n g， Co nt r o l a n d I n du s t r i a l En g i ne e r i n g，2 01 1： 26 2 9