空分制氧系統(tǒng)預(yù)冷水泵節(jié)能改造

李偉華（天津盈達(dá)氣體有限公司，天津300301）

空分制氧系統(tǒng)預(yù)冷水泵節(jié)能改造

李偉華
（天津盈達(dá)氣體有限公司，天津300301）

根據(jù)天津盈達(dá)氣體有限公司空分設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀，采用變頻技術(shù)對(duì)預(yù)冷系統(tǒng)水泵進(jìn)行節(jié)能改造。通過(guò)為水泵加裝變頻器，可通過(guò)改變頻率來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)預(yù)冷水流量與壓力，有效地降低了能耗，減少了設(shè)備維護(hù)成本，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

變頻調(diào)速；制氧；預(yù)冷

1　引言

隨著電力電子及自動(dòng)化控制技術(shù)的飛速發(fā)展，交流調(diào)速取代直流調(diào)速已成為現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。異步電動(dòng)機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)能降耗，改善工藝環(huán)境并提高產(chǎn)品質(zhì)量，推動(dòng)技術(shù)發(fā)展的重要手段，它以其優(yōu)越的調(diào)速和起制動(dòng)性能、高效率、高功率因數(shù)和顯著的節(jié)電節(jié)能效果而廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵等的大、中型籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，它被公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。其作用是改變交流電機(jī)供電的幅值和頻率，因而改變其運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的周期，達(dá)到平滑控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻器的出現(xiàn)，使得復(fù)雜的調(diào)速控制簡(jiǎn)單化，用變頻器加交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)組合替代了原來(lái)只能用直流電機(jī)完成的工作，縮小了設(shè)備體積，減少了占用空間，降低了設(shè)備維修率，提高了使用效率，使傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展到一個(gè)新的階段。

2　生產(chǎn)現(xiàn)狀及節(jié)能改造

2.1設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀分析

盈德氣體集團(tuán)大邱莊分廠天津盈達(dá)氣體30 000 Nm3空分制氧于2013年5月建成投產(chǎn)，由于大功率電氣設(shè)備比較多，因此空分制氧系統(tǒng)歷來(lái)就是耗電大戶，這也就為變頻等節(jié)能技術(shù)提供了應(yīng)用空間。本文主要介紹了空分預(yù)冷系統(tǒng)常低溫水泵運(yùn)行情況?？辗值谝坏拦ば蚩諝饨?jīng)空壓機(jī)壓縮后排出，壓縮后的空氣溫度達(dá)80℃以上，需要經(jīng)預(yù)冷系統(tǒng)空冷塔的常溫水與低溫水2次換熱降溫才能進(jìn)入下一步分子篩流程。預(yù)冷系統(tǒng)共有常低溫水泵四臺(tái)，其中額定功率為110 kW常溫水泵2臺(tái)（位號(hào)WP1101/2），額定功率為75 kW低溫水泵2臺(tái)（位號(hào)WP1103/4），以上均2臺(tái)，互為備用。大電流設(shè)備直起會(huì)對(duì)電器和機(jī)械部件造成一定沖擊，影響設(shè)備壽命。另外，根據(jù)設(shè)計(jì)需要水泵選型都是按常用水量再至少加20%余量選型采購(gòu)，而實(shí)際進(jìn)入空冷塔水流量是通過(guò)PID整定調(diào)節(jié)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的，水泵則是長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，正常運(yùn)行出口節(jié)流調(diào)節(jié)閥開度在70%~80%之間波動(dòng)，調(diào)節(jié)速度慢，波動(dòng)大，不穩(wěn)定，精度低，水泵負(fù)載不能全部被利用，更重要的是造成大量電能浪費(fèi)。為了解決電流沖擊和電能浪費(fèi)的問題，我們改造常低溫水泵，為其加裝變頻器，出口節(jié)流調(diào)節(jié)閥作為備用處于全開狀態(tài)，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)水流量（見圖1）。

2.2變頻節(jié)能改造

為節(jié)省成本，公司暫定先將4臺(tái)水泵中的2臺(tái)加裝變頻器，另兩臺(tái)作為備用泵暫時(shí)不加，變頻器采用目前市場(chǎng)上比較流行的ABB品牌，為常溫水泵WP1102與低溫水泵WP1104裝配，2臺(tái)變頻器加控制成套系統(tǒng)采購(gòu)成本約為12萬(wàn)元，常溫110 kW電機(jī)配套ACS800-01-0120-3+P901變頻器，低溫75 kW電機(jī)配套ACS800-01-0075-3+P901變頻器。由于4臺(tái)泵都是獨(dú)立配電柜控制，因此2號(hào)與4號(hào)水泵變頻器改造不會(huì)影響1號(hào)與3號(hào)水泵正常運(yùn)行。變頻器成套配電柜放在配電室內(nèi)，與原水泵配電柜并排放置，原配電柜出線端電源線拆下后接在變頻器控制柜進(jìn)線端，變頻器出線端連接水泵電機(jī)電源，變頻器啟停由DCS輸出邏輯開關(guān)量使原配電柜接觸器得失電來(lái)控制。變頻器輸出頻率由設(shè)定流量PID調(diào)節(jié)，變頻電源輸送到水泵交流電機(jī)，使其轉(zhuǎn)速隨頻率變化而變化，從而改變輸出水流量。現(xiàn)場(chǎng)以變頻泵運(yùn)行為主，另一臺(tái)非變頻水泵作為備用，如果變頻泵因?yàn)楣收匣驒z修停車，DCS邏輯自動(dòng)切換另一臺(tái)備用水泵啟動(dòng)，同時(shí)泵出口調(diào)節(jié)閥投入自動(dòng)狀態(tài)，來(lái)調(diào)節(jié)水流量（見圖2）。

圖1　改造前預(yù)冷系統(tǒng)水泵水流控制原理圖

圖2　改造后變頻水流量控制原理圖

3　節(jié)能與效益分析

3.1節(jié)能原理

自2014年6月常低溫水泵變頻改造正式投入運(yùn)行到現(xiàn)在，變頻泵運(yùn)行1年多，變頻泵運(yùn)行比較穩(wěn)定，節(jié)能效果比較明顯，下面根據(jù)變頻原理分析節(jié)能情況。水泵輸出水流量大小是隨交流電機(jī)轉(zhuǎn)速變化而改變的，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與供電頻率f關(guān)系如下：

式中，n為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；f為電動(dòng)機(jī)的頻率，Hz；p為電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)。

對(duì)于現(xiàn)有的工頻泵變頻調(diào)速，由于電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)不變，要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，只有改變頻率，頻率與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，平時(shí)的低電壓時(shí)，頻率不變，電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，那么輸出的功率一定，電壓降低，電流會(huì)上升。當(dāng)頻率下降時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，電流會(huì)下降，那么輸出功率變小。另外，從水泵的負(fù)載考慮，水泵出口流量原來(lái)由調(diào)節(jié)閥控制調(diào)節(jié)，開度在70%~ 80%波動(dòng)，加變頻器后調(diào)節(jié)閥全開，使水泵的出口壓力減小，負(fù)載相應(yīng)降低，電機(jī)輸出功率自然會(huì)下降。

從整體來(lái)說(shuō)，預(yù)冷常低溫水泵在加變頻器后電機(jī)輸出功率比之前降低15%以上，預(yù)冷常溫泵WP1102額定功率110 kW，預(yù)冷低溫泵WP1104額定功率75 kW，加變頻器之前兩電機(jī)運(yùn)行功率分別約為95 kW和65 kW，加變頻器之后兩電機(jī)輸出功率分別約為82 kW與53 kW，這樣常溫泵每小時(shí)節(jié)能約13 kW，低溫泵每小時(shí)節(jié)能約12 kW，即2臺(tái)泵每小時(shí)總共節(jié)能為25 kW。當(dāng)前工業(yè)用電均價(jià)0.7元/kW·h，除去檢修及倒換泵時(shí)間按變頻泵實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為300天計(jì)算，一年總共節(jié)省電費(fèi)如下：

25 kW×24 h×300天×0.7元/kW·h=126 000元

由此可以看出，常低溫水泵加變頻器后運(yùn)行一年節(jié)省的電費(fèi)就等同于收回設(shè)備成本，其它電機(jī)設(shè)備也可以增加變頻器節(jié)能，既可以降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，又可以保護(hù)環(huán)境。

3.2效益分析

預(yù)冷系統(tǒng)常低溫水泵加裝變頻器不僅可以變頻節(jié)能，還能夠保護(hù)電機(jī)設(shè)備。

（1）2臺(tái)常溫水泵額定電流達(dá)230 A，啟動(dòng)瞬時(shí)電流達(dá)上千安，對(duì)配電設(shè)備及電網(wǎng)都會(huì)產(chǎn)生沖擊，而通過(guò)變頻啟動(dòng)則對(duì)此有很大改善。

（2）變頻器進(jìn)出線接線端子足夠大，便于與進(jìn)線電纜連接，在各分接頭位置時(shí)，能承受接線端突發(fā)短路的動(dòng)、熱不穩(wěn)定而不產(chǎn)生任何損傷、變形及緊固件松動(dòng)。

（3）每個(gè)功率單元帶兩相輸入熔斷器保護(hù)，起過(guò)電流保護(hù)作用，系統(tǒng)內(nèi)也可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定電機(jī)額定電壓與額定電流的保護(hù)值，實(shí)現(xiàn)過(guò)電壓或者欠電壓保護(hù)，運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)每個(gè)功率模塊的直流母線電壓，如果超過(guò)或者低于額定電壓的設(shè)定值一定比例，則變頻器保護(hù)。

（4）變頻器還能提供過(guò)載和過(guò)熱保護(hù)，電機(jī)運(yùn)行電流超過(guò)額定電流的一定時(shí)間，或者當(dāng)環(huán)境溫度及相關(guān)發(fā)熱元件超過(guò)預(yù)先設(shè)置值時(shí)則保護(hù)。

變頻器的這些優(yōu)點(diǎn)使電機(jī)與水泵設(shè)備得到了保護(hù)，減少了維護(hù)和維修量，延長(zhǎng)了使用壽命，間接降低了企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本。另外變頻調(diào)速后，電機(jī)速度明顯減慢，有效降低了設(shè)備運(yùn)行時(shí)的噪音，優(yōu)化了操作員工的工作環(huán)境。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)1年多的運(yùn)行可以看出，盈德氣體成功的將變頻技術(shù)應(yīng)用于預(yù)冷系統(tǒng)常低溫水泵的節(jié)能改造，既利用了變頻安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，又為節(jié)能環(huán)保做了貢獻(xiàn)，大大地提高了工作效率，為企業(yè)節(jié)省了成本。特別是當(dāng)今各大城市被霧霾籠罩，節(jié)能降耗已成為全社會(huì)關(guān)注的話題，節(jié)能效果顯著的變頻器必將被廣泛使用，變頻調(diào)速系統(tǒng)也會(huì)在更多的領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，因此推廣變頻節(jié)能有著可觀的經(jīng)濟(jì)效益和顯著的社會(huì)效益。

[1]國(guó)家電網(wǎng)公司營(yíng)銷部.能效管理與節(jié)能技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2011.

[2]咸慶信.變頻器原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[3]黃威.變頻器的使用與節(jié)能改造[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

M odification of Pre-cooling W ater Pump for Energy Saving

LIWei-hua
(Tianjin Yingda Gas Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

According to the current running conditions of air separation equipment at Tianjin Yingda Gas Company Limited,frequency conversion technology was adopted to themodification of water pump for energy saving.A set of frequency converter was added at the water pump so that pre-cooling water flow and pressure could be regulated according to the rotation speed of frequency controlmotor.Consequently energy consumption was effectively lowered and equipmentmaintenance cost reduced.Remarkable economic benefitwas achieved.

frequency control;oxygen generation;pre-cooling

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.01.010

2015-10-13

2015-11-02

李偉華（1980—），男，本科，工程師，主要從事電儀自動(dòng)化管理工作。