煤直接液化催化劑制備裝置過濾液輸送泵變頻改造

王中浩

【摘要】煤直接液化催化劑制備裝置過濾液輸送泵是壓濾工段輸送煤漿的設(shè)備，介質(zhì)含固液兩態(tài)，此泵為間歇性工作制，進(jìn)料及打回流保壓時(shí)泵均高速運(yùn)轉(zhuǎn)，打回流保壓時(shí)造成“大馬拉小車”的電能浪費(fèi)現(xiàn)象。同時(shí)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)下介質(zhì)對設(shè)備磨損較為嚴(yán)重。通過變頻改造后，降低了對設(shè)備的磨損且達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

【關(guān)鍵詞】過濾液輸送泵;變頻改造;設(shè)備磨損;節(jié)能降耗

0.引言

過濾液輸送泵是為催化劑制備裝置壓濾工段輸送煤漿的設(shè)備，介質(zhì)含固液兩態(tài)，料漿對泵本體及管線的沖刷直接影響設(shè)備使用壽命，尤其是對泵葉輪及前后襯板的磨損尤為嚴(yán)重，造成頻繁維修，增加生產(chǎn)成本。針對這一問題，公司組織人力深入研究、集思廣益，最終決定將泵電機(jī)更換為變頻電機(jī)。該項(xiàng)改造基于壓濾機(jī)的周期性運(yùn)行規(guī)律，壓濾機(jī)每周期運(yùn)行約45分鐘，而進(jìn)料時(shí)間為10分鐘左右，剩余時(shí)間為自循環(huán)，改為變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)后，可在壓濾機(jī)進(jìn)料后剩余的35分鐘自循環(huán)過程中將變頻調(diào)至低點(diǎn)，避免流速過快造成不必要的能耗損失和設(shè)備磨損，延長設(shè)備及附屬管線運(yùn)行壽命。

1.工藝流程概述

我公司煤直接液化催化劑制備裝置共有四臺(tái)壓濾機(jī)（102SR-301A/B/C/D）、四臺(tái)過濾液輸送泵（102-P-301A/B/C/D），過濾液輸送泵向壓濾機(jī)輸送催化劑制備反應(yīng)器（102-D-301A/B）出來的水煤漿原料，正常工況時(shí)，每臺(tái)壓濾機(jī)對應(yīng)一臺(tái)過濾液輸送泵，D機(jī)也可作為公共輸送泵，輸送介質(zhì)為攜帶催化劑的水煤漿。輸送泵為間隙工作制，每個(gè)周期約45分鐘，一個(gè)工作周期內(nèi)，泵輸送物料時(shí)間約為10分鐘;由于水煤漿容易沉積結(jié)焦的特殊性，在不向壓濾機(jī)進(jìn)料時(shí)泵通過管道打回流保壓，回流保壓時(shí)間約為35分鐘。

2.主要解決的問題

在實(shí)際操作運(yùn)行中，為防止物料沉積，過濾液輸送泵電機(jī)打回流時(shí)仍然高速運(yùn)轉(zhuǎn)，并且負(fù)荷功率較低，造成了“大馬拉小車”的電能浪費(fèi)現(xiàn)象。另外攜帶催化劑的水煤漿屬固液兩態(tài)，由于泵體長期在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，加劇了泵體葉輪、殼體和閥門、管道的磨損，縮短了設(shè)備使用壽命，增加了檢修更換成本。很多情況下，運(yùn)行不到一個(gè)月就要對設(shè)備進(jìn)行檢修、清理管道、更換備件，增加了生產(chǎn)成本。

針對上述存在的設(shè)備磨損造成設(shè)備運(yùn)行周期不長，且存在介質(zhì)泄漏安全隱患，以及電機(jī)長時(shí)間低負(fù)荷高速運(yùn)轉(zhuǎn)消耗電能的相關(guān)問題，對四臺(tái)過濾液輸送泵（102-P-301A/B/C/D）進(jìn)行了變頻改造，以達(dá)到節(jié)能降耗、提高設(shè)備運(yùn)行周期的目的。

3.總體改造方案

3.1 總體構(gòu)架

改造前，四臺(tái)過濾液輸送泵拖動(dòng)電機(jī)由備煤35/6 kV變電所供電，電機(jī)型號(hào)為YB 355M2-2 、電壓6 kV、功率185kW、轉(zhuǎn)速2985rpm、防爆等級ExdⅡAT4。

改造后，加裝4臺(tái)0.4kV低壓變頻器，變頻器采用ABB產(chǎn)品，型號(hào)為ACS800-04-0260-3+P901+K458+E210，每臺(tái)變頻器獨(dú)立成柜，共計(jì)4臺(tái)套，柜型MNS3.0，并且配套更換過濾液輸送泵拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)4臺(tái)，將原6kV電機(jī)更換為南陽標(biāo)準(zhǔn)系列380V低壓電動(dòng)機(jī)，更換后電動(dòng)機(jī)型號(hào)為YB2-315L-2，功率185kW、電壓380V、轉(zhuǎn)速2980rpm、防爆等級ExdⅡAT4。功率保持不變，以維持電動(dòng)機(jī)輸出功率、轉(zhuǎn)矩不變，電壓更換為380V。更換電機(jī)后，中心高變?yōu)?15mm，中心高比原來低40mm，基座增加40mm底板。重新敷設(shè)主、控電纜，并更換現(xiàn)場操作柱。

根據(jù)現(xiàn)場預(yù)留位置條件和變電所負(fù)荷情況，在0.4kV I、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ段低壓母線各增加一套變頻器柜，且新增計(jì)算負(fù)荷滿足變電所容量設(shè)計(jì)要求。

3.2 工藝流程與控制

根據(jù)工藝要求，控制方式為：變頻器柜帶有變頻器、工頻旁路兩種方式，當(dāng)變頻器故障切除時(shí)工頻旁路仍然可以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行;現(xiàn)場操作柱對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟、?？刂?，設(shè)有運(yùn)行、停止指示燈各一個(gè)，電流表一只，備煤控制室DCS可以遠(yuǎn)程停電動(dòng)機(jī)。變頻、工頻信號(hào)、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行、停止信號(hào)、故障信號(hào)、變頻器轉(zhuǎn)速信號(hào)送DCS監(jiān)視。改造后保持現(xiàn)有工藝流程不變，每臺(tái)機(jī)組的變頻器轉(zhuǎn)速信號(hào)由27米對應(yīng)的每臺(tái)壓濾機(jī)控制柜內(nèi)PLC控制。第一次開機(jī)是操作人員在現(xiàn)場操作柱上啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，壓濾機(jī)PLC調(diào)速信號(hào)是4-20mA送給變頻器，當(dāng)壓濾機(jī)進(jìn)料時(shí)控制變頻器高速運(yùn)行，變頻器輸出頻率最大，電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下工作;當(dāng)壓濾機(jī)進(jìn)料結(jié)束后，控制變頻器低速運(yùn)行，變頻器頻率輸出降低，電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，維持過濾液輸送泵回流時(shí)的出口壓力在某一恒定值不變。出口壓力信號(hào)接至壓濾機(jī)PLC，形成閉環(huán)控制。相關(guān)設(shè)備位置、控制邏輯如圖1所示：

圖1 設(shè)備控制邏輯圖

3.3 電氣控制原理

經(jīng)過與ABB低壓盤廠家、設(shè)計(jì)單位的多次溝通，最終確定如下所示的電機(jī)主接線圖2和電機(jī)控制原理圖3。電動(dòng)機(jī)主接線有變頻器和工頻旁路兩種運(yùn)行方式，變頻器運(yùn)行方式為主，只有變頻器故障退出時(shí)，通過工頻旁路控制電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行。接觸器KM1、KM2建立變頻器通路驅(qū)動(dòng)電機(jī)，主保護(hù)是斷路器和變頻器本體設(shè)定。接觸器KM3控制工頻驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，主保護(hù)是斷路器和熱繼電器。控制圖中通過變頻器盤面三位置轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)變頻、工頻轉(zhuǎn)換，盤面可以在斷開主斷路器的情況下，通過盤面起動(dòng)、停止按鈕檢查接觸器控制回路的完好性試驗(yàn)。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)只有在現(xiàn)場操作柱上控制，電動(dòng)機(jī)停止可以在現(xiàn)場操作柱也可在DCS上控制。變頻器電動(dòng)機(jī)的調(diào)速信號(hào)來自現(xiàn)場壓濾機(jī)控制盤PLC，信號(hào)4-20mA對應(yīng)10-50Hz頻率，最高轉(zhuǎn)速50Hz對應(yīng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速2980rpm，最低轉(zhuǎn)速對應(yīng)596rpm，通過PLC人機(jī)界面可以設(shè)置定速低頻運(yùn)行，四臺(tái)機(jī)組運(yùn)行速度大體控制在1270rpm。

4.改造效果分析

4.1 設(shè)備磨損情況分析

2012年P(guān)301四臺(tái)泵備件消耗情況如下：

表1 102-P-301泵改造前四臺(tái)泵備件消耗統(tǒng)計(jì)

改造之前葉輪的平均使用周期40天，前后襯板的使用周期80天，耐磨球閥的平均使用周期約180天，2012年9月改造后至今運(yùn)行一年多更換了一套葉輪及后襯板、1個(gè)耐磨球閥、3套機(jī)封，費(fèi)用共計(jì)6萬元左右，與上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相比，生產(chǎn)成本明顯降低，而且提高了裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性，效果顯著。

4.2 節(jié)能效果分析

（1）P301高壓電機(jī)改造前工頻狀態(tài)下電量計(jì)算

表2 102-P-301泵電機(jī)改造前數(shù)據(jù)表

泵出口流量（m3/h） 額定功率（kW） 額定電壓（V） 功率因素 P301打循環(huán)時(shí)電流（A） P301進(jìn)料時(shí)電流（A） 泵出口壓力（MPa）

400 185 6000 0.86 17 20 1.6

壓濾機(jī)一個(gè)壓濾周期約45分鐘，其中進(jìn)料時(shí)間約10分鐘，打循環(huán)時(shí)間約35分鐘。

原P301電機(jī)打循環(huán)時(shí)實(shí)際功率為：

P1=1.732*17*6000*0.86=151.9kW

進(jìn)料時(shí)實(shí)際功率為：

P2=1.732*20*6000*0.86=178.7kW

按照裝置一年運(yùn)行7440小時(shí)，每臺(tái)機(jī)組的進(jìn)料周期是45分鐘計(jì)算，每臺(tái)機(jī)組就是9920個(gè)周期。按照P301泵三開一備考慮，可以計(jì)算出三臺(tái)年總耗電量為：（P1*每周期工作時(shí)間（小時(shí)）*年運(yùn)行周期數(shù)+P2*每周期工作時(shí)間（小時(shí)）*年運(yùn)行周期數(shù)）*3臺(tái)=352×104kWh（萬度）。

（2）P301電機(jī)變頻改造后電量計(jì)算

表3 102-P-301泵電機(jī)改造后數(shù)據(jù)表

泵出口流量（m3/h） 額定功率（kW） 額定電壓（V） 功率因素 P301打循環(huán)時(shí)電流（A） P301進(jìn)料時(shí)電流（A） 泵出口壓力（MPa）

400 185 380 0.91 86.9 205.6 1.6

壓濾機(jī)一個(gè)壓濾周期約為45分鐘，其中進(jìn)料時(shí)間約10分鐘，打循環(huán)時(shí)間約35分鐘。

改造后低壓電機(jī)循環(huán)時(shí)實(shí)際功率為：

P3=1.732*86.9*380*0.91=52kW

進(jìn)料時(shí)實(shí)際功率為：

P4=1.732*205.6*380*0.91=123.1kW

按照裝置一年運(yùn)行7440小時(shí)，P301泵三開一備，可以計(jì)算出年總耗電量為：（P3*每周期工作時(shí)間（小時(shí)）*年運(yùn)行周期數(shù)+P4*每周期工作時(shí)間（小時(shí)）*年運(yùn)行周期數(shù)）*3臺(tái)=152×104kWh（萬度）。

（3）電能節(jié)能計(jì)算

每年節(jié)約電量：

352-152=200×104kWh（萬度）

節(jié)電率：200/352=57%

經(jīng)濟(jì)效益：每度電按0.5元計(jì)算，每年可節(jié)約200*0.5=100萬元。

從改造后設(shè)備運(yùn)行狀況看，泵體、襯板、軸承等的磨損程度明顯下降，運(yùn)行周期增加，延長了設(shè)備使用壽命，減少了設(shè)備維修成本，提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。以往該設(shè)備連續(xù)運(yùn)行時(shí)間短、故障多的問題得到了有效解決，核算一年節(jié)省備件費(fèi)用40多萬元。

同時(shí)，由于該泵是周期工作制，加裝變頻器后節(jié)電效果明顯，節(jié)電率達(dá)到了57%，年節(jié)約電費(fèi)有100萬元。從泵體備件消耗減少的費(fèi)用和節(jié)電效果看，不到兩年就完全可以收回項(xiàng)目投資，改造達(dá)到了預(yù)期目的。

5.結(jié)束語

改造后，通過長期摸索，最終得出壓濾機(jī)進(jìn)料期間及非進(jìn)料期間泵出口流量的最佳控制數(shù)據(jù)，最大程度的避免了對設(shè)備及附屬管線的磨損，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，有效提高了設(shè)備設(shè)施的使用壽命，取得了顯著成效。

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