钢厂输水系统中水泵取水流量在线监测系统的设计与实现

2022-08-03王森

山西冶金 2022年3期

王森

（宝钢工程技术集团有限公司，上海宝山 201900）

随着我国工业技术水平的发展，钢铁企业在生产过程中对水泵的使用逐渐增多，水泵对于炼钢设备具有重要的作用，且依据不同工况的需求对水泵的工作状态也有不同的要求。在高炉、转炉等设备的冷却中，对水泵的需求越来越大。由于钢厂体量较大，相应地对能源的需求较大[1]，而水泵是造成电能消耗的重要设备。在钢厂应用的水泵中，现大多依据最大的需求量对其进行匹配设计，通过阀门或者挡板的形式进行流量调节，这在实际应用中常会造成一定的浪费，多数工况下水泵流量达不到最大流量需求[2]，而是采用改变水泵管网阻力的形式来调节流量，这也造成了一定能量的损失。针对该问题，对水泵的取水流量进行在线监测系统的设计，通过压力变送器采集水泵的取水流量信息[3]，通过取水流量数据进行水泵性能的评价，以减小水泵的能耗，并依据工作状态的需求进行实时的流量调节，从而有效减少水泵的能量损失，提高对水泵的控制能力[4]，达到节能减排的目标。

1 水泵输水系统超声波流量计的使用

超声波流量计是非接触式的仪表，采用这种方式对水泵的取水流量进行测量，不需要对水泵的管道进行改制及测量零件的安装[5]，不会改变取水系统中的流动状态，对原有的水泵运行状态没有影响。

超声波流量计的测量原理如图1 所示，在使用过程中，传感器的探头采用晶片形式，探头发出一定的超声波信息，介于球形波与平面波之间[6]，超声波在水介质中的传播会携带流速信息，通过接收的超声波信号即可对流体的流速进行计算，从而可知水泵的取水流量。在钢厂企业的应用中，水介质比较清洁[7]，采用时差法进行流量的测定。

图1 超声波流量计的测量示意图

在进行测量的过程中，水泵抽取水的速度为v，水泵直径为D，超声波流量计两个晶片之间的安装角度，即声道角为θ，两点之间的距离为L，进行超声波发射时两点之间逆水流传输的时间为t1，顺水流传输的时间为t2，则对于水泵的取水流量可以表示为[8]：

采用单声道的超声波流量计进行水泵流量的测量，由于水泵输水系统的管径较大，采用贴片式的超声波流量计可以方便地进行安装。将流量计的换能器安装在水平管道或者垂直管道的中间位置处[9]，以避免水质流动过程中的振动对系统测量造成的影响，保证测量数据的准确性。对于测量的水泵流量信息则传输至可编程控制器的输出端口进行数据的调取，进而在在线监测系统中使用。

2 水泵取水流量在线监测系统的设计

2.1 水泵在线监测系统的主要功能

根据超声波流量计对水泵的取水流量检测所采集的数据，可以有效地对水泵的运转状态进行监视，并可依据不同的工况对水泵的状态进行调整，通过数据的长期积累，可结合采集的数据进行设备故障的判定[10]，从而对设备及时进行维护，避免出现水泵运转停机的状态，影响钢厂的生产运行。水泵取水流量在线监测系统的主要功能划分如下页图2 所示，通过对取水流量的监测，对水泵的运行状态进行评估[11]，依据工况的需求对水泵的运行进行调整，并进行一定的决策分析，使得水泵的运行效率有所提高，能量的消耗减小。

图2 水泵在线监测系统的功能关系图

对水泵的取水流量进行在线监测，使系统与现场控制的数据进行对接，采用增强型的生产管理数据存储及显示功能，构建组态分析曲线、数据诊断及故障报警的监测系统。在系统长期的运行过程中，对数据进行长期的存储及处理，可实现对水泵设备运转状态的跟踪，并依据系统的诊断分析，对系统的故障进行报警及诊断。在线监测系统的主要功能包括：

1）故障预警。依据水泵的运行状态设定相应的流量变动范围，当水泵的流量值发生异常时，系统进行相应的故障信息提示，并将报警记录保存，可实现对报警记录的查询及调阅。

2）数据库管理。通过系统的后台生成相应的数据库报表[12]，供现场人员进行系统的检修及运行维护查阅。

3）组态曲线。依据水泵的运行状态，生成动态的流量变化展示，在进行监测的过程中，可方便对水泵的流量进行比对，从而确定水泵的运行状态，系统的显示界面如图3 所示（其中深色曲线为水泵运行的实际曲线流量曲线，其余两条曲线为水泵运行的流量变化范围曲线）。

图3 水泵流量的比对曲线

4）故障管理。发生故障时，能对水泵的故障信息进行记录，并进行故障分析，为后续的故障提供相应的解决办法。

2.2 水泵流量在线监测系统的构建

通过超声波传感器进行水泵取水流量的数据采集，并通过通信模块进行数据的传输，在存储模块中进行数据的存储，通过专用的数据协议及分散控制系统可实现对数据的高速处理，并设置不同的采集频率，从而实现系统数据计算的高效处理。建立水泵取水流量在线监测系统，通过分散控制系统对不同水泵的取水流量进行监测，可实现自动计算测量，通过系统的性能评价模型可实现对水泵运行性能的评价及水泵状态的控制。

水泵取水流量在线监测系统的流程图如图4 所示，对水泵的流量信息进行采集，可实现对设备性能的分析；建立相应的数据库，对系统的数据进行存储、查询及显示，历史数据可进行查询，且通过显示界面进行显示，同时可进行相应的性能曲线的绘制，打印存储所需的报表。

图4 在线监测系统的流程图

依据系统的取水流量监测数据对水泵的性能进行评价，实现对水泵故障的分析及预警。依据钢厂使用的水泵系统维护经验，给水泵常出现的故障主要有漏水、联轴器损坏、轴承损坏等，这些故障可通过水泵的出力而被直接反映。此外，通过水泵的取水流量监测，以及水泵设备的故障预警及数据显示，可以提高水泵的维护效率，提高钢厂生产效率，保证设备的稳定运行。