循環水整體優化節電項目的成功應用

馬慶峰（中國石化齊魯石化股份有限公司供排水廠）

1 存在問題

1.1 第三循環水場主要用電設備

乙烯水務車間循環水量設計值為17 500 m3/h，共有5 臺單級雙吸離心式循環水泵，另有6 臺冷卻塔冷卻風機。循環水泵和冷卻風機皆為電動機驅動，原循環水泵主要性能參數見表1，冷卻風機主要性能參數見表2。

表1 三循原循環水泵主要性能參數

表2 三循冷卻風機主要性能參數

循環水泵和冷卻風機是循環水場大型的用電設備。循環水泵用于將冷卻塔水池中的冷卻水加壓后供給生產裝置換熱設備循環使用，是循環水系統的“動力心臟”，其功率大，耗電最多。冷卻風機是循環水場耗電量僅次于循環水泵的重要設備，為冷卻塔提供穩定的空氣流，將回塔熱水冷卻后，把濕熱空氣及時排除塔外，以確保冷卻塔始終保持穩定的冷卻效果[1]。

1.2 用電生產成本

循環水生產成本主要包括電量、補水量、排污水量、藥劑消耗量等形成的相應費用（未包括設備折舊及人工費用等）。由于循環水量大，造成循環水泵和冷卻風機耗電量居高不下，高居各項費用之首[2]。三循節能改造前的耗電費用在總成本中的占比情況見表3。

表3 2014 年三循耗電費用在總成本中的占比統計

統計數據顯示，三循月度電量費用平均值在循環水成本中占比高達83.1%，最大值85.7%，最小值79.3%，用電生產成本高已成為影響三循經濟運行水平的主要問題。

1.3 耗電量大

三循耗電量大原因分析如下：

1）循環水泵及供水管路設計不合理。通過對三循循環水泵出口壓力、供水總管壓力的檢測發現，循環水泵P-1 出口壓力為0.55 MPa， P-7 出口壓力為0.60 MPa， 循環水供水總管壓力為0.49～0.54 MPa，泵出口閥均未全開，有節流現象。另外，各臺循環水泵進出口均存在90°蝦米彎管。這說明設計和運行工況存在明顯不合理，從而造成水流損失能量較大[3]。

2） 循環水泵實際運行效率低。實際測試顯示，三循循環水泵的運行效率只有65%左右。雖然泵銘牌標稱效率為90%左右，但由于國家標準在泵流量、效率方面制定的允許偏差較大，造成泵實際運行效率很難達到標稱效率。水泵實際運行工作點偏離最佳工況點，導致運行效率降低。循環水系統富余壓力大。三循供水生產裝置中只有極少數換熱器高度在25 m，其余換熱器標高均較低，而循環水供水壓力為0.49～0.54 MPa，可判斷系統存在較大的富余壓力，如果對極少數的高位換熱器進行單獨加壓處理（如在換熱器前增設管道加壓泵），則可以降低循環水整個系統壓力，從而降低循環水泵運行電耗。

3）三循供水用戶多。三循所供循環冷卻水用戶共有4 套化工生產裝置，由于其工藝流程復雜、換熱器類型繁多、生產工況差異性大，造成循環水系統水量調整難以協調一致，運行工況較差。

綜合以上原因分析，說明三循具有較大的節能可行性和優化空間。乙烯水務車間在公司和廠部的大力支持下，于2015 年啟動三循循環水整體優化節電改造項目，以改善高耗電現狀，實現節能降耗、降本增效的目標。

2 循環水整體優化節電改造方案

2.1 原循環水泵更換為高效率節能型泵

1）節能型泵設計。葉輪是循環水泵的核心部件，在很大程度上決定了整臺泵的性能優劣。三循節能型泵采用先進的三維CAD-CFD 葉片泵整體優化技術，以遺傳算法為優化工具，以葉片形狀參數為優化目標進行精確設計。該設計系統包含4 個模塊，其基本結構及功能見圖1。

2） 節能型泵性能[4]。根據循環水系統運行壓力、流量等參數，利用“基于NSGA-Ⅱ的CADCFD 聯合整體優化設計技術”對三循原5 臺循環水泵進行量身定做，全部更換為節能型泵，其中3 臺循環水泵P-7A/B/C 額定流量由原來3 168 m3/h 降為3 000 m3/h，循環水泵P-1B 額定揚程由原62 m 降為61 m。同時，用特制節能型彎頭代替原各臺循環水泵進出口90°蝦米彎管，以減低水流動能量損失。泵葉輪和蝸殼做防汽蝕噴涂。泵軸承采用SKF，軸封采用機械密封。其主要性能及運行參數如下：

◇泵運行效率大于88%；

◇泵與電動機軸承溫升不超過40 ℃，最高溫度不超過75℃；

◇泵標準點噪聲不大于80 dB（A）；

◇泵軸承振動值不大于2.8 mm/s。

2.2 采用高壓變頻裝置實現調速控制

根據離心泵相似定律可知，功率與轉速的立方成正比，轉速下降，則功率隨之減小。而泵轉速與電動機交流電頻率成正比，交流電頻率降低，則電動機轉速隨之下降。循環水泵及冷卻風機的變頻節電皆是根據這一變頻原理來實現的。

圖1 “基于NSGA-Ⅱ的CAD-CFD 聯合整體優化技術”的功能模塊

另外，離心式循環水泵在額定工況下運行的效率最高，如偏離額定工況，效率將會下降，而泵運行的最佳工況點是由泵特性曲線和管路特性曲線共同確定的[5-6]。系統的循環水量時常需要根據生產負荷、工藝條件、設備運行狀況及水質條件等因素進行相應調整，這也就使得水泵運行工況點處于不斷變化中。為了始終在最佳工況下高效運行，水泵須具備無級調節功能。因此采用變頻調速來控制泵的實際運行轉速，確保水泵在較高效率點運行，是一個較為理想的選擇。最終，三循確定選用ZINVERT型智能高壓變頻器對P-1B 進行變頻調速，以實現節電、高效運行。

ZINVERT 系列智能高壓變頻調速系統采用功率單元串聯技術，主控制器采用最新電動機控制專用雙數字信號處理器（DSP），以超大規模集成電路可編程器件（CPLD 和FPGA）為核心，配合數據采集、單元控制和光纖通信回路以及內置的可編程邏輯控制器構成系統控制部分。該設備由旁路柜、移相變壓器柜、功率單元柜及控制柜組成，具有頻率設定、斷電恢復再啟動、旁路應用、單元直流電壓顯示、參數設定、故障報警、保護配置等多項功能，是較為先進的變頻設備。

冷卻風機變頻調速控制優化內容如下：

1） 利用變頻器對1#冷卻風機實施轉速調控，根據季節及水溫變化情況調整風機轉速。

2） 增設冷卻風機檢測元件，測量結果傳入DCS 系統中顯示。

2.3 生產裝置換熱器運行工況優化

對三循所供循環冷卻水的4 套生產裝置換熱器工藝運行工況進行現場檢測，根據檢測結果建立熱力計算模型，對供回水溫差，流量、壓力、管網阻力及水泵運行效率等進行建模分析，計算出極限工況條件下的運行數據，建立換熱網絡優化和管網水力優化數學模型，確定總管網最優循環水量。根據系統運行特征進行優化，在確保生產安全的前提下，多次調整生產裝置循環水閥門開度及裝置內用水量大的換熱器閥門開度，降低整個系統供水量?，F系統供水壓力已從改造前的0.56 MPa 降至0.48 MPa，循環水量也由原來的16 000 m3/h 降至14 500 m3/h。

3 節電改造效果

3.1 節能改造前后耗電量對比

三循2017 年上半年完成節能改造優化項目并投入試運行， 正常情況下，運行3 臺小泵P-7A/B/C及1 臺大泵P-1B（變頻調速控制），備用泵為大泵P-1A。經過再調整、穩定運行等階段，于2017 年11 月正式達到穩定節電運行狀態，稱為節電運行模式。

三循節電優化改造前后耗電量及節電量統計數據見表4，改造前后耗電量對比情況見圖2。

表4 三循節電改造后耗電量及節電量統計

改造前的耗電量數據采用的是2013 年11 月、12 月及2014 年1—10 月數據作為基準數據。改造后的耗電量數據采用的是2017 年11 月、12 月及2018年1—9 月節電模式運行期間的數據。

圖2 三循節電優化改造前后耗電量對比變化趨勢

2018 年4 月24 日，由于循環水泵P-7C 電動機故障需要下線維修，而改為P-1A、P-1B 共2 臺大泵運行，節電量有所減少。夏季，由于水溫較高，為了確保安全生產，需要增加循環水量來保證生產裝置換熱器的冷卻效果，所以，三循根據實際情況進行相應工藝調整，運行3 臺小泵P-7A/B/C 及1 臺大泵P-1A，變頻泵P-1B 停用而作為備用，從而造成節電效果不顯著。8 月份立秋后，循環水泵恢復原節電運行模式，耗電量當即明顯下降。所以，圖2 中4—7 月的節電改造后耗電量曲線有靠近改造前耗電量曲線的趨勢，兩條曲線相距較近，說明節電量較少，而其它月份兩條曲線上下相距較大，說明節電量較多。

2017 年11 月至2018 年9 月數據統計，三循實施節電優化改造后，平均每月節電率為19.2%，如果排除2018 年4—7 月P-7C 泵故障及夏季高溫因素，真正發揮節電效能的月度節電率平均值為23.9%，節電效果比較顯著。

3.2 節電改造后耗電費用成本

三循節能改造后的耗電費用在循環水生產成本中的占比情況見表5。

表5 節能改造后耗電費用在生產成本中的占比統計

數據統計顯示，三循節能改造后的月度電量費用平均值在循環水成本中已降至78.1%，比原來減少5.0%，取得了較為明顯的成效。

4 結論

三循自實施節能優化改造并正式投入運行11個月以來，節電量共計545.7×104kWh，按照電單價0.591 1 元/kWh 計算，節電效益為322.5 萬元，平均每月節電29.3 萬元，節電效益十分顯著，循環水經濟運行水平大幅提高，可認為三循節能改造比較成功。

由于三循節能改造后運行時間較短，需要繼續關注實際運行工況及節電效果。同時，應對循環水系統節電與安全保供之間的協調配合繼續進行有益探索，對生產異常用電及生產負荷波動情況制定應急預案，做到在安全保供的前提下最大化節約用電，努力降低生產成本，不斷提高循環水經濟運行水平。