石化企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化與應(yīng)用

劉鈞(長嶺煉化岳陽工程設(shè)計有限公司，湖南 岳陽 414000)

0 引言

為了響應(yīng)國家有關(guān)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的號召，結(jié)合石化企業(yè)中大型循環(huán)水系統(tǒng)現(xiàn)狀，目前有多種新型的節(jié)能設(shè)備及技術(shù)工藝有針對性的對老系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，以實現(xiàn)提升企業(yè)生產(chǎn)效率，節(jié)能降耗的目的。

以某石化企業(yè)循環(huán)水場為例，該循環(huán)水場采用開式循環(huán)水系統(tǒng)，有兩臺逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，采用兩臺水輪機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)?？傇O(shè)計循環(huán)水量8000m3/h，目前總用水量53003/h，主要配置見表1。

表1 循環(huán)水系統(tǒng)主要配置情況表

1 系統(tǒng)存在的主要問題

1.1 系統(tǒng)溫差小、流量大，設(shè)計流量大于實際使用流量。

循環(huán)水冷卻塔供回水溫差設(shè)計為10℃，但根據(jù)對生產(chǎn)裝置的主要換熱設(shè)備進(jìn)行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，目前循環(huán)水場整體供回水溫差僅為3℃，換熱器進(jìn)出口溫差差異性較大，部分裝置換熱器進(jìn)出口溫差明顯偏小，且流量存在較大調(diào)整空間。

1.2 水輪機(jī)冷驅(qū)動方式存在的問題

水輪機(jī)本身作為一種節(jié)能機(jī)械設(shè)備，近年來常運(yùn)用于冷卻塔上代替電機(jī)作為風(fēng)機(jī)的驅(qū)動裝置，但并不是在所有循環(huán)水系統(tǒng)中都適用。水輪機(jī)冷卻塔必須要保證在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中有不斷穩(wěn)定壓力的循環(huán)回水作為動力來源，若水壓達(dá)不到要求時，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低，風(fēng)量小，從而導(dǎo)致降溫效果不理想。在水動力不足的情況下，需要加大水泵揚(yáng)程來增加水動力，增加了水泵的耗電量。

1.3 循環(huán)水泵效率存在優(yōu)化空間

水泵效率指泵的有效功率和軸功率之比：Η=Pe/P。

泵的功率通常指輸入功率，即原動機(jī)傳到泵軸上的功率，又稱軸功率，用P 表示。有效功率即：泵的揚(yáng)程和質(zhì)量流量及重力加速度的乘積。

由上述公式計算出：循環(huán)水泵A 效率約為66.594%，循環(huán)水泵B 效率約為67.712%，兩組水泵效率均低于70%，水泵能耗存在較大的優(yōu)化空間。

2 節(jié)能改造基本方案

2.1 加裝末端換熱器監(jiān)測系統(tǒng)對供水系統(tǒng)合理優(yōu)化

目前各個裝置的最高點(diǎn)沒有用于檢測負(fù)荷端壓力和溫度的設(shè)備，無法確定最高點(diǎn)的揚(yáng)程需求，因而不能根據(jù)負(fù)荷端實際使用需求對水泵揚(yáng)程進(jìn)行精準(zhǔn)校核，致使水泵揚(yáng)程浪費(fèi)嚴(yán)重。水輪機(jī)的運(yùn)行消耗了水泵的部分揚(yáng)程。導(dǎo)致水泵無功功率變大。加裝末端換熱器監(jiān)測系統(tǒng)：用于檢測各高點(diǎn)負(fù)荷端的壓力和溫度，確定最高點(diǎn)的揚(yáng)程需求，根據(jù)負(fù)荷端實際使用需求對水泵揚(yáng)程進(jìn)行精準(zhǔn)校核。達(dá)到實時監(jiān)控、定時記錄數(shù)據(jù)、統(tǒng)計能耗等效果。

2.2 更換高效水泵并使用無刷雙饋調(diào)速電機(jī)降低循環(huán)水泵能耗

通過系統(tǒng)各工藝流程點(diǎn)的溫度、壓力范圍等參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)實際使用需求進(jìn)行水泵和電機(jī)的重新選型。將原效率低的立式軸流泵更換為高效節(jié)能水泵，水泵效率可增高至85%左右，既能滿足生產(chǎn)的調(diào)整需求，又可以有效的減少能耗。

另外，監(jiān)控預(yù)警安全平臺通過對負(fù)荷端獲得的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，系統(tǒng)將實時對水泵的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整匹配。變頻技術(shù)可通過調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的輸出功率從而切實降低電機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的無功能耗。但由于本項目循環(huán)水泵為高壓電機(jī)，若使用高壓變頻技術(shù)，其設(shè)備復(fù)雜、造價高、占地面積大、且高壓變頻器自身也需要一定的電能消耗，其性價比并不高。因此本項目應(yīng)用一種具有調(diào)速功能的無刷雙饋電機(jī)及控制系統(tǒng)，這種無刷雙饋電機(jī)采用低壓控制方式，在負(fù)載變化時，能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)差率調(diào)速，使電機(jī)運(yùn)行功率下降，達(dá)到調(diào)速、節(jié)能的目的。本次改造將其中一臺高效循環(huán)水泵電機(jī)配置為無刷雙饋電機(jī)。新型無刷雙饋電機(jī)采用電網(wǎng)電源和變頻電源同時饋電的方式，功率因數(shù)可調(diào)，可靠性高，運(yùn)行時不要求變頻器提供全功率，而只要求提供“轉(zhuǎn)差功率”，不僅變頻器容量小，也可采用較低電壓。兩套繞組的接入方式為：三相高壓定子繞組直接與高壓外電網(wǎng)并聯(lián)；三相低壓定子繞組，通過一臺智能調(diào)速器與低壓電源連接。當(dāng)流量變化時，改變調(diào)速器輸出的頻率與幅值，就可以降低電機(jī)輸出功率。

2.3 使用冷卻塔模塊化能效控制柜，對冷卻塔群進(jìn)行聯(lián)合變頻控制

根據(jù)實際情況分析，將循環(huán)水場的2 臺水輪機(jī)改為200kW電機(jī)，可節(jié)約循環(huán)泵揚(yáng)程。并在電機(jī)增加變頻裝置，可滿足高、中、低負(fù)荷時段的不同需求，也可大大的節(jié)約冷卻塔的能耗。安裝能效控制柜，并按照下述技術(shù)原理對冷卻塔群進(jìn)行聯(lián)合變頻控制，使冷卻塔以最低的能耗，產(chǎn)生最理想的冷卻效果。通過冷卻塔模塊化能效控制柜，對環(huán)境溫度和濕度、濕球溫度、進(jìn)出水溫度進(jìn)行采集，采用近濕球溫度控制技術(shù)，計算出當(dāng)前冷卻塔系統(tǒng)的最大冷卻能力和可以冷卻到的最大溫度值，再利用變頻技術(shù)對冷卻塔群進(jìn)行聯(lián)合控制，使冷卻塔群在風(fēng)電比的高效區(qū)運(yùn)行，以達(dá)到節(jié)能目的。冷卻塔風(fēng)機(jī)功率利用率與風(fēng)量產(chǎn)生率隨風(fēng)機(jī)頻率變化。由圖1 可知，風(fēng)機(jī)功率利用率隨頻率上升而增大，同時風(fēng)量發(fā)生率也增大，但兩者不是線性關(guān)系。在頻率為25～42Hz 時，冷卻塔風(fēng)機(jī)功率利用率在13%～51%之間，而這時風(fēng)量可達(dá)到55%～86%，該區(qū)間的平均電風(fēng)比例為1:2.218。該區(qū)間兩側(cè)的平均電、風(fēng)比均比此值低。由此得出：頻率25～42Hz 的區(qū)間是冷卻塔風(fēng)機(jī)的高效區(qū)。所以，在滿足溫度需求的前提下，使冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行在高效區(qū)時，節(jié)能效果最明顯。

圖1 風(fēng)機(jī)功率與風(fēng)量關(guān)系圖

隨著冷卻塔風(fēng)量的上升，冷卻塔出水溫度下降，在達(dá)到一定風(fēng)量后，即使再繼續(xù)增大風(fēng)量，出水溫度也幾乎不再變化，這也印證了“出水溫度始終不會低于環(huán)境的濕球溫度”的理論。近濕球溫度控制技術(shù)采用了圖形分辨技術(shù)，分別對布水量變化、室外溫度變化、濕球變化、大氣壓變化進(jìn)行分辨，盡量使冷卻塔的出水溫度接近濕球溫度。在本項目中，通過安裝能效控制柜對冷卻塔群進(jìn)行控制后，系統(tǒng)將根據(jù)環(huán)境的濕球溫度找到冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行的最佳頻率點(diǎn)，將風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率自動鎖定在風(fēng)機(jī)高效運(yùn)行的頻率范圍內(nèi)，實現(xiàn)節(jié)能目的。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

改造前循環(huán)水場年耗電量約為967 萬kW·h，節(jié)能改造后，雖然由于將水輪機(jī)改為電機(jī)增加了用電負(fù)荷，但通過提升水泵效率，重新匹配水泵流量及揚(yáng)程，冷卻塔及水泵電機(jī)的變頻調(diào)節(jié)技術(shù)，預(yù)估年耗電量可降至668kW·h，循環(huán)水系統(tǒng)能耗下降幅度約為原電耗的30%。

4 結(jié)語

循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能改造有多種途徑，應(yīng)根據(jù)實際工況分析尋求更適合原有系統(tǒng)的改造方案，利用現(xiàn)階段多種科學(xué)有效的節(jié)能技術(shù)使循環(huán)水系統(tǒng)達(dá)到最佳工況點(diǎn)，促進(jìn)設(shè)備作業(yè)效率和化工生產(chǎn)效益的共同提升。