【化工行業(yè)】 高壓變頻器在脫硫循環(huán)水泵工藝中的應(yīng)用

　　一、引言

　　上海新譽化工廠有1#、2#兩臺循環(huán)水泵，正常運行時“一用一備”，兩臺電機均為直接工頻啟動，啟動電流大，既影響設(shè)備壽命又對電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊。脫硫工藝中,晝夜循環(huán)水溫度變化較大,對循環(huán)水量要作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。但原設(shè)備工頻定速運行時，只能靠調(diào)節(jié)閥門的開度來調(diào)節(jié)循環(huán)水量的大小，通過人為改變管網(wǎng)的阻力，增加管網(wǎng)損耗來調(diào)節(jié)水量，造成相當大的一部分能量浪費在閥門上，致使電費居高不下。使用閥門調(diào)節(jié)流量，不僅不能夠經(jīng)濟運行，而且增加了工人的工作量，調(diào)節(jié)不及時還會造成管網(wǎng)壓力過高或過低，流量過大或過小，影響生產(chǎn)工藝及設(shè)備的安全運行。為了降低脫硫生產(chǎn)經(jīng)濟成本，提高工藝精度及工作效率，迫切需要對1#、2#循環(huán)水泵進行調(diào)速節(jié)能將耗改造。 　　經(jīng)多次調(diào)研、考察，綜合比較目前市場上的調(diào)速設(shè)備，最終決定采用上海億思特電氣股份有限公司生產(chǎn)的IDrive系列變頻器對兩臺循環(huán)水泵進行節(jié)能改造。

　　二、工況特點

　　(一)工藝流程

　　川西北天然氣凈化廠脫硫循環(huán)水系統(tǒng)主要由以下五個部分組成：冷卻塔、中間池、循環(huán)水泵、溢流泵、脫硫裝置。自脫硫裝置排出的循環(huán)熱水，經(jīng)冷卻塔冷卻后流入中間池儲存；其中大部分水經(jīng)循環(huán)水泵供脫硫裝置再度利用，多余部分則由溢流管道溢出。簡單工藝流程如下：

圖1 脫流工藝流程

　?。ǘ┕に囈?/strong> 　　1、進出冷卻塔的溫差恒定 　　要求溫差范圍恒定(4℃<< span="">△t<8< span="">℃)；如循環(huán)水泵閥門開大,水量增大,則冷卻水溫差減小，水量減小則溫差增大。 　　2、最低壓力鉗位控制 　　要求變頻器在保證脫硫裝置入口水壓(大于0.45Mpa)前提下，盡可能的節(jié)約循環(huán)水用水量，找到滿足脫硫工藝生產(chǎn)要求的壓力最低臨界點。 　?。ㄈ﹫龅貭顩r: 　　變頻器室長7200mm,寬3000mm。(場地長度有限,無法并列擺放兩臺IDrive系列高壓變頻器。)

　　（四）電機及水泵參數(shù)

　　三、現(xiàn)場調(diào)試及問題解決方案： 　?。ㄒ唬﹫龅貑栴} 　　考慮到現(xiàn)場安裝條件有限，現(xiàn)場決定將變頻裝置與手動旁路柜分開擺放：將1#、2#變頻裝置（單臺外型尺寸(mm)(W?H?D)： 3200?1590?2620）并排擺放在變頻器室內(nèi)，而旁路柜則置于循環(huán)水泵現(xiàn)場。這樣擺放的結(jié)果既解決了場地問題，又方便操作人員在循環(huán)水泵現(xiàn)場就能觀察到變頻器送電情況，兩全其美。 　?。ǘ毫εR界點 　　參考脫硫裝置工藝要求，得出“壓力”是保證脫硫生產(chǎn)的充分條件，即壓力達到0.46Mpa，才能保證脫硫裝置正常運行。泵出口壓力過低則無法克服水的勢能，無法將循環(huán)水送至冷卻塔；壓力過高則泵出水量增大，經(jīng)冷卻循環(huán)水的效率不高。因此決定采用“恒壓”閉環(huán)控制方法，調(diào)整變頻裝置給定頻率，找到工藝所需的壓力最低臨界點，使其即滿足工藝所需壓力又能保證循環(huán)水需求量，使進出冷卻塔的溫差△t穩(wěn)定在4℃～8℃之間。經(jīng)反復(fù)試驗論證，當給定頻率為43Hz時，水泵的壓力（0.51 MPa）滿足工藝要求，溫差4.92℃ ，因此定43Hz為壓力臨界點。 調(diào)試參數(shù)表格如下：

　　四、節(jié)能計算 　　(一)水泵變頻調(diào)速的節(jié)能原理 　　根據(jù)流體力學(xué)原理：

　　圖3為擋板調(diào)節(jié)流量和變頻調(diào)節(jié)水量的能量比較圖，H₂-B-C-H₃組成的區(qū)域為變頻較擋板調(diào)節(jié)水量節(jié)省的功率。 　　當采用變頻調(diào)速時，可以按需要升降電機轉(zhuǎn)速，改變水量的性能曲線，使水泵的額定參數(shù)滿足工藝要求，根據(jù)水泵的相似定律，變速前后水量、水壓、功率與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系為： 　　Q₁/Q₂=n₁/n₂ 　　H₁/H₂=（n₁/n₂）² 　　P₁/P₂=（n₁/n₂）³ 　　P=H?Q 　　Q₁、H₁、P₁—風(fēng)機在n₁轉(zhuǎn)速時的水量、水壓、功率； 　　Q₂、H₂、P₂—風(fēng)機在n₂轉(zhuǎn)速時相似工況條件下的水量、水壓、功率。 　　假如轉(zhuǎn)速降低一半，即：n₂/n₁=1/2，則P₂/P₁=1/8，可見降低轉(zhuǎn)速能大大降低軸功率達到節(jié)能的目的。 　　水泵功率為315KW，年運行時間8000小時，水泵流量Q和壓力H在采用閥門調(diào)節(jié)流量時近似滿足如下關(guān)系：H=A-(A-1)Q₂，其中A為水泵出口封閉時的出口壓力，約為140%。 　　(二)IDrive高壓變頻調(diào)速節(jié)能分析及計算

　　采用閥門調(diào)節(jié)流量時，功耗等于流量Q和壓力H的乘積。各種流量的功耗計算如下： 　　P_70%=315?0.75?（1.4-0.4?0.75?0.75）=277.6KW 采用變頻調(diào)速時所消耗功率 　　P_變頻=1.732?4880?23.76?0.96=192.8 kW 節(jié)電率為（277.6-192.8）/277.6?100%=30.5% 　　按循環(huán)水泵年運行時間為8000小時，電費0.70元/度，單臺循環(huán)水泵年節(jié)電費為（277.6-192.8）?8000?0.70=47.5萬元。

　　五、客戶收益 　　1、直接收益：

　　2、間接效益：

1)   　　變頻改造后，實現(xiàn)電機軟啟動，啟動電流小于額定電流值，啟動更平滑；

2)   　　電機以及負載轉(zhuǎn)速下降，系統(tǒng)效率得到提高，取得節(jié)能效果；大大減少了對設(shè)備的維護量，節(jié)約了人力物力資源；

3)   　　由于電機以及負載采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后，工作特性改變，設(shè)備工況得到改善，延長設(shè)備使用壽命；

4)   　　功率因數(shù)由原來的0.8左右提高到0.95以上，不僅省去了功率因數(shù)補償裝置，而且減少了線路損耗；

5)   　　廠房設(shè)備噪聲污染將降低；

6)   　　能提高整個系統(tǒng)的自動化水平和工藝水平；

7)   　　節(jié)能減排，減少了溫室氣體的排放，保護了環(huán)境；

8)   　　負載改變頻后，由于變頻器采用單元串聯(lián)多重化技術(shù)，因此在理論上可以消除31次以下諧波；由于實際制造工藝的限制，網(wǎng)側(cè)電壓諧波總含量可以控制在2%以內(nèi)，電流諧波總含量小于2%，延長了電機的使用壽命；

9)   　　變頻輸出采用PWM技術(shù)控制，輸出電壓波形基本接近正弦波，諧波總含量小于2%，上述指標均滿足IEEE-519國際電能質(zhì)量諧波標準要求；延長了電機的使用壽命。

10) 　　由于脫硫工藝的特殊要求，冷卻塔出入口溫差的大小決定了循環(huán)水量的多少：變頻改造前，冬天出入冷卻塔溫差較大，需水量較小，多余的循環(huán)水從溢流泵排出，造成了水量的浪費；變頻改造后通過調(diào)節(jié)給定頻率，即減小了循環(huán)水量又能保證脫硫工藝對水溫的要求，水泵工作在高效區(qū)，溢流損失得到很好的控制。

　　六、結(jié)束語

實踐證明：IDrive系列高壓變頻器在上海新譽化工廠循環(huán)水泵上的應(yīng)用是成功的。使用變頻器后，節(jié)能效果明顯；出入口閥門全開，減少了閥門能耗損失；實現(xiàn)了電機的軟啟動，延長了電機的使用壽命；內(nèi)置PLC通過采集現(xiàn)場的水壓數(shù)據(jù)（4~20mA信號），根據(jù)其設(shè)定值和實際值的變化情況，自動調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，控制水泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)恒壓供水，大大提高了脫硫工藝的自動化水平，具有良好的使用價值。