高壓變頻技術(shù)在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的節(jié)能控制應(yīng)用

牟 建 馬 進(jìn) 曹長(zhǎng)義

（1.兗礦國(guó)宏化工有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)寧 273512； 2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590； 3.濟(jì)南聚展電器有限公司，濟(jì)南 250107）

目前，化工、電力及鋼鐵企業(yè)規(guī)模越來(lái)越大，對(duì)精細(xì)化要求也越來(lái)越高，循環(huán)水作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，它的運(yùn)行效果對(duì)生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。一些企業(yè)因?yàn)閭€(gè)別換熱器位置較高或距離較遠(yuǎn)，為達(dá)到換熱效果而提高系統(tǒng)壓力，無(wú)形之中既增加了設(shè)備維護(hù)維修費(fèi)用又造成了能源損耗。因此，減少能量損耗，降低除塵設(shè)備維護(hù)維修費(fèi)用成為目前企業(yè)亟待解決的重要問(wèn)題之一。

1 循環(huán)水系統(tǒng)工藝節(jié)能改造的背景及意義

1）循環(huán)水系統(tǒng)配置情況

公司循環(huán)冷卻水系統(tǒng)目前采用的是母管制多用戶循環(huán)水供水方案，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)共4 臺(tái)供水泵，兩臺(tái)電動(dòng)泵，兩臺(tái)汽動(dòng)泵，水泵配套功率為2500kW，泵的流量為12630m3/h，額定揚(yáng)程為54m，一般情況下運(yùn)行三臺(tái)泵，一臺(tái)電動(dòng)泵和兩臺(tái)汽動(dòng)泵，供水母管總流量約為 38000m3/h 左右，供水母管壓力0.409MPa。

2）循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的主要用戶情況

循環(huán)冷卻供水系統(tǒng)用戶主要有：合成車(chē)間、汽化車(chē)間、空分車(chē)間、熱電車(chē)間和碳脂（DMC）車(chē)間等，這五個(gè)車(chē)間，循環(huán)水的主要冷卻對(duì)象以換熱器為主，空分主要是設(shè)備冷卻，要冷卻的設(shè)備都布置在地面，對(duì)冷卻水壓要求最低，每個(gè)車(chē)間都有多個(gè)換熱器，并且每個(gè)換熱器所安裝的高度都不一樣。碳脂車(chē)間和空分的空冷塔對(duì)水壓要求高，目前水壓不足以滿足需要，公司都安裝了增壓泵，以保證工藝正常需求。循環(huán)冷卻水主要用戶及分布如圖1所示。

3）循環(huán)冷卻水主要用戶的運(yùn)行情況

圖1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要用戶及分布圖

因?yàn)檠h(huán)水系統(tǒng)采用母管制供水，無(wú)法根據(jù)不同高度的用水需要，以不同的壓力供水，為保證最高點(diǎn)用水需要， 整個(gè)供水系統(tǒng)都保持在0.409MPa。從換熱器循環(huán)冷卻水的最大設(shè)計(jì)需求量上看，安裝位置較低的換熱器需求循環(huán)冷卻水流量大，安裝位置較高的換熱器的設(shè)計(jì)需求循環(huán)冷卻水流量小；換熱器越靠近循環(huán)冷卻水供水端，接受的供水流量與壓力越大，相對(duì)而言，供水距離越長(zhǎng)，管損就越大，換熱器越遠(yuǎn)離循環(huán)冷卻水供水端，受到的供水流量與壓力也相對(duì)減小。根據(jù)對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行、分布情況和參照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)總供水量為 38000 ～40000m3，供水壓力為0.409MPa，但是10～15m 高度換熱器設(shè)計(jì)循環(huán)水量7680m3，占目前總水量的20%； 20m 以上換熱器設(shè)計(jì)循環(huán)水量1600m3,不足目前總水量5%。從以上數(shù)據(jù)分析，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)母管壓力0.409MPa 的，約75%的水量給低于10m以下的換熱器進(jìn)行循環(huán)冷卻，為了滿足20m 以上高點(diǎn)換熱器對(duì)循環(huán)水壓力的要求，使循環(huán)冷卻水系統(tǒng)以不低于0.4MPa 的壓力運(yùn)行。

2 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)工藝節(jié)能改造

1）循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能改造措施

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中只能在電動(dòng)泵上安裝一臺(tái)高壓變頻器，如果單靠一臺(tái)變頻器調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力空間有限，節(jié)能效果不明顯，因此采用上海衛(wèi)能能源科技有限公司專(zhuān)門(mén)針對(duì)循環(huán)冷卻水集中供水制系統(tǒng)的系統(tǒng)節(jié)能改造方案——等高線供水制方案，根據(jù)循環(huán)冷卻水集中供水制系統(tǒng)中不同用戶對(duì)供水壓力需求的不同，提供不同的供水壓力方式，對(duì)供水壓力要求高的用戶采用局部增壓方式，滿足其壓力需求，然后降低循環(huán)冷卻水系統(tǒng)供水壓力，實(shí)現(xiàn)整個(gè)循環(huán)冷卻系統(tǒng)節(jié)能。在同等供水壓力下，處在較低位置的換熱器和靠近供水端的換熱器，循環(huán)冷卻水的流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)流量。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用等高供水節(jié)能方案，根據(jù)用戶所安裝位置及高度的不同，大致可以分為三個(gè)等級(jí)：第一個(gè)等級(jí)，安裝位置高度小于10m 的換熱器；第二個(gè)等級(jí)，安裝高度大于10m 但小于15m 的換熱器；第三個(gè)等級(jí)，安裝位置大于20m 以上的換熱器。如果循環(huán)冷卻水系統(tǒng)降壓后只能滿足第一個(gè)等級(jí)高度的換熱器，那么，第二個(gè)等級(jí)和第三個(gè)等級(jí)高度的換熱器都得加裝管道增壓泵，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能效果最大，雖然第二個(gè)等級(jí)高度的換熱器設(shè)計(jì)循環(huán)冷卻水需求只占總水量的20%，但是，第二等級(jí)的換熱器系統(tǒng)小，其循環(huán)冷卻水用量小，但是分布比較廣，如果第二個(gè)等級(jí)的換熱器也安裝增壓泵，其工程量巨大，施工時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法恢復(fù)運(yùn)行，影響全廠的正常生產(chǎn)。第三個(gè)等級(jí)高度的換熱器少，并且只有三個(gè)點(diǎn)，安裝簡(jiǎn)單，在全廠檢修時(shí)利用檢修時(shí)間就可以安裝完成，不影響正常生產(chǎn)。只要對(duì)循環(huán)冷卻水壓力通過(guò)高壓變頻將母管供水壓力降到0.3MPa，保證并滿足15m 以下?lián)Q熱器的正常生產(chǎn)，對(duì)處在20m以上的換熱器加裝循環(huán)冷卻水管道增壓泵，滿足正常需求。

降低循環(huán)冷卻水系統(tǒng)供水壓力，必須降低水泵的出口壓力，供水系統(tǒng)正常運(yùn)行三臺(tái)泵，兩臺(tái)汽動(dòng)泵，一臺(tái)電動(dòng)泵，對(duì)其中一臺(tái)電動(dòng)泵安裝高壓變頻器，降低該電動(dòng)的出水壓力與流量，為保證三臺(tái)出水壓力與流量平衡，調(diào)節(jié)兩臺(tái)汽動(dòng)泵轉(zhuǎn)速，使其出水壓頭與變頻調(diào)節(jié)電動(dòng)基本保持一致，實(shí)現(xiàn)“汽”、“電”雙節(jié)能。

2）高壓變頻器節(jié)能原理

變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速、起動(dòng)和制動(dòng)性能、高效率、高功率因素和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為是最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f、轉(zhuǎn)差率s、電機(jī)極對(duì)數(shù)p有關(guān)，n=60f(1-s)/p，變頻裝置是通過(guò)改變電源頻率f來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的，可以看出n與f間為線性關(guān)系，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍寬，不存在勵(lì)磁滑差和節(jié)流作用等帶來(lái)的功率損失。

水泵屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，而水屬于流體，根據(jù)流體力學(xué)規(guī)律，那么軸功率、壓力、轉(zhuǎn)速、流量之間有以下關(guān)系：

（1）流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比。

（2）壓力與轉(zhuǎn)速的二次方成正比。

（3）軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。

具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 軸功率、壓力、轉(zhuǎn)速、流量數(shù)據(jù)對(duì)照表

3）管道增壓泵的選型及安裝

20m 以上的換熱器共有3 個(gè)點(diǎn)，分別是：

（1）合成車(chē)間的甲醇凈化工藝中的熱閃氣冷凝器，安裝位置高度為23.66m，也是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)供水的最高點(diǎn)，設(shè)計(jì)最大循環(huán)冷卻水流量為100m3/h。

（2）氣化車(chē)間1#真空閃蒸冷凝器A#，安裝位置高度為 21.4m，設(shè)計(jì)最大循環(huán)冷卻水流量為500m3/h。

（3）為氣化車(chē)間1#真空閃蒸冷凝器B#和C#兩個(gè)換熱器，安裝位置高度為21.4m，設(shè)計(jì)最大循環(huán)冷卻水流量共計(jì)為1000m3/h，循環(huán)冷卻水供水系統(tǒng)壓力降到0.25MPa。

為保證以后三個(gè)點(diǎn)換熱器的安全運(yùn)行和降壓運(yùn)行后母管壓力的調(diào)整范圍，所以考慮增壓泵的額定壓力選型為20m，額定流量按設(shè)計(jì)最大流量選型。

根據(jù)水泵軸功率計(jì)算公式：P=流量×揚(yáng)程×9.81×介質(zhì)比重÷3600÷泵的效率÷1000

合成車(chē)間熱閃氣冷凝器新增增壓泵的軸功率 = 100m3/h×20m×9.81×1000kg/m3÷3600÷0.8÷1000 = 6.81kW

汽化車(chē)間1#真空閃蒸冷凝器A#新增增壓泵的軸功率 =500m3/h×20m×9.81×1000kg/m3÷3600÷0.8÷1000 = 34.06kW

按以1#真空閃蒸冷凝器A#可計(jì)算得出，另外B#和C#換熱器新增增壓泵的軸功率=34.06kW×2 = 68.12kW。

根據(jù)電機(jī)功率選型公式：P=Ne×K（Ne為軸功率，K為系數(shù)）Ne值不同時(shí)，K值取值見(jiàn)表2。

表2 參數(shù)K 取值表

根據(jù)以上公式計(jì)算，汽化車(chē)間1#真空閃蒸冷凝器A#新增增壓泵的電機(jī)選型功率為11kW，安裝兩臺(tái)，運(yùn)行方式為一用一備；汽化車(chē)間1#真空閃蒸冷凝器A#新增增壓泵的電機(jī)選型功率為45kW，安裝兩臺(tái)，運(yùn)行方式為一用一備；考慮安裝配電室電源空間和電機(jī)起動(dòng)問(wèn)題，汽化車(chē)間1#真空閃蒸冷凝器B#和C#系統(tǒng)新增增壓泵的電機(jī)選型功率為45kW，安裝三臺(tái)，運(yùn)行方式為兩用一備。

3 節(jié)能改造運(yùn)行效益分析

（1）循環(huán)冷卻水系統(tǒng)工藝節(jié)能改造前后每小時(shí)能耗情況對(duì)照（見(jiàn)表3、表4、表5）。

表3 電泵動(dòng)變頻節(jié)能改造前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)照表

表4 汽動(dòng)泵在系統(tǒng)工藝改造后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)照表

表5 循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能改造后系統(tǒng)總能耗

（2）循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能改造后節(jié)能效益

節(jié)能改造后電耗節(jié)省效益=節(jié)能改造前系統(tǒng)每小時(shí)用電總耗-節(jié)能改造后系統(tǒng)每小時(shí)用電總耗

= 2272-(1337+9.9+121.5)=803.6(kW·h)

節(jié)能改造后蒸汽節(jié)省效益=節(jié)能改造前系統(tǒng)每小時(shí)用汽總耗-節(jié)能改造后系統(tǒng)每小時(shí)用汽總耗

=30-27.5= 3.5(t)

按照目前運(yùn)行電價(jià)0.58 元/ kW·h，25kG 蒸汽120 元/t 計(jì)算，每年平均按8000h 計(jì)算，可節(jié)約費(fèi)用為

(803.6×0.58+3.5×120)×8000=7088720（元）

從以上數(shù)據(jù)可知循環(huán)冷卻水系統(tǒng)經(jīng)過(guò)水泵變頻改造和系統(tǒng)優(yōu)化，每年可節(jié)約費(fèi)用700 多萬(wàn)元，節(jié)能效果明顯，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)壓力降低使換熱器的爆管和泄漏事故大大減少，減少因事故和檢修造成的全廠停產(chǎn)的直接經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié)論

變頻技術(shù)目前已經(jīng)很成熟，在很多行業(yè)都有很好的應(yīng)用，通過(guò)變頻技術(shù)和工藝改進(jìn)、其他節(jié)能技術(shù)手段的配合應(yīng)用，使變頻器不單單是一個(gè)單體節(jié)能設(shè)備，而是使其構(gòu)成一個(gè)節(jié)能系統(tǒng)，通過(guò)該節(jié)能系統(tǒng)使節(jié)能改造項(xiàng)目節(jié)能效果更明顯。