工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的水泵節(jié)能技術(shù)改造

郭 雷 寧曉曉 裴 蕾

(洛陽(yáng)中硅高科技有限公司， 河南 洛陽(yáng) 471023)

0 前言

隨著我國(guó)工業(yè)發(fā)展速度不斷加快、經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的同時(shí)，工業(yè)企業(yè)的能耗問(wèn)題也隨之顯現(xiàn)。為了確保我國(guó)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必須采取合理可行的措施去降低能耗。節(jié)能降耗對(duì)于一個(gè)企業(yè)的發(fā)展是至關(guān)重要的，企業(yè)開(kāi)展生產(chǎn)的目的就是為了獲得最大利潤(rùn)，而節(jié)能降耗能夠減少企業(yè)用于生產(chǎn)中的能源，從而減少生產(chǎn)成本[1]。工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)在工礦企業(yè)運(yùn)行中，占據(jù)較大的生產(chǎn)運(yùn)行成本，且存在不同程度上的能耗浪費(fèi)，增加了企業(yè)的成本。本文對(duì)某多晶硅廠的三期循環(huán)水泵的節(jié)能技術(shù)改造、降低能耗的實(shí)施案例進(jìn)行了闡述。

1 循環(huán)水系統(tǒng)水泵生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1 循環(huán)水系統(tǒng)的基本情況

某多晶硅廠三期低壓循環(huán)水系統(tǒng)的增壓泵在正常情況下有3臺(tái)運(yùn)行，設(shè)在三期循環(huán)水泵房的低壓循環(huán)水泵將三期冷水池內(nèi)的軟化水加壓供往原料車間、動(dòng)力車間、熱能車間、還原車間等，回水進(jìn)入三期冷卻塔降溫后流入三期冷水池。水泵及其配套電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

在正常情況下，該循環(huán)水系統(tǒng)的母管壓力要求控制在0.4～0.55 MPa,運(yùn)行時(shí)一般保持在0.4～0.45 MPa。在現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)過(guò)使用專業(yè)儀器檢測(cè)，循環(huán)水系統(tǒng)的母管流量約為5 000 m3/h，母管壓力為0.46 MPa，通過(guò)查閱近一年的運(yùn)行數(shù)據(jù)表，此兩項(xiàng)數(shù)值相對(duì)較為平穩(wěn)。3臺(tái)水泵的運(yùn)行功率分別為398.98 kW、391.55 kW和397.77 kW，水泵出口蝶閥開(kāi)度分別約為90°、65°和80°。

表1 水泵及其配套電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)

1.2 循環(huán)水系統(tǒng)水泵耗能分析

1.2.1 水泵實(shí)際運(yùn)行區(qū)間嚴(yán)重偏離高效運(yùn)行區(qū)間

通過(guò)查閱KPS75- 250水泵的性能曲線圖可知，在揚(yáng)程為71～76 m、流量為1 200～1 500 m3/h時(shí)，是該水泵工作的高效運(yùn)行區(qū)間(η≥85%)。根據(jù)崗位員工抄錄上位機(jī)顯示的數(shù)值記錄，計(jì)算出水泵的實(shí)際工作揚(yáng)程均值為50 m、流量均值約1 800 m3/h。此時(shí)，水泵的實(shí)際運(yùn)行效率低至60%左右，即水泵實(shí)際運(yùn)行區(qū)間嚴(yán)重偏離高效運(yùn)行區(qū)間，這是水泵能耗高、效率低的最根本的原因。因此，只有提高水泵的實(shí)際工作效率，才能達(dá)到節(jié)能效果。

1.2.2 葉輪出現(xiàn)汽蝕損害

水泵的葉輪材質(zhì)為球磨鑄鐵，經(jīng)過(guò)前期對(duì)水泵解體檢查發(fā)現(xiàn)，葉輪出現(xiàn)了汽蝕損害，而且表面粗糙，并伴有局部穿孔的情況。這在一定程度上降低了水泵的效率，增加了能耗。另外，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察，由于葉輪汽蝕的原因，導(dǎo)致泵腔內(nèi)的噪聲及震動(dòng)偏大。

1.2.3 部分水泵出口閥門未全開(kāi)

部分水泵出口閥門未全開(kāi)，有局部損失，會(huì)造成能量的損耗。這說(shuō)明水泵在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)了流量大而需求量小，需要通過(guò)調(diào)控閥門來(lái)達(dá)到滿足生產(chǎn)的情況。這種情況可以理解為“大馬拉小車”，從而使能耗增加。

2 節(jié)能改造方案

2.1 設(shè)備節(jié)能技術(shù)改造的要求

對(duì)設(shè)備進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，必須滿足三個(gè)條件：

1)滿足生產(chǎn)需要，即改造前、后系統(tǒng)各種參數(shù)應(yīng)一致。

2)盡量降低改造項(xiàng)目的成本，能利舊的設(shè)備要利舊。

3)改造實(shí)施過(guò)程應(yīng)不影響生產(chǎn)工作。

2.2 技改水泵的選擇

2.2.1 選擇高效節(jié)能型水泵

通過(guò)循環(huán)水系統(tǒng)水泵的耗能分析可以看出，提高水泵的效率是節(jié)能的關(guān)鍵。我國(guó)水泵生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)水平參差不齊，技術(shù)水平較低的水泵從根本上效率就偏低，選擇這種水泵顯然滿足不了節(jié)能的需求。經(jīng)過(guò)考察了解，公司原使用的產(chǎn)品即為高效節(jié)能水泵，KPS型部分產(chǎn)品離心泵獲得了節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證，并已被列入《節(jié)能機(jī)電設(shè)備(產(chǎn)品)推薦目錄》[2]，因此，繼續(xù)使用該公司生產(chǎn)的水泵作為技改水泵。

2.2.2 確定技改水泵參數(shù)

如果原系統(tǒng)流量計(jì)顯示值與真實(shí)值相比偏高，依據(jù)原流量計(jì)數(shù)值進(jìn)行分析定制水泵，則定制的水泵依然會(huì)存在不能在高效區(qū)運(yùn)行的問(wèn)題，節(jié)能效果打折扣；如果原流量計(jì)顯示值與真實(shí)值相比偏低，則會(huì)導(dǎo)致定制水泵因出水量小而無(wú)法滿足生產(chǎn)需求的問(wèn)題，節(jié)能改造失敗。所以，為了精準(zhǔn)確定水泵的流量、揚(yáng)程等參數(shù)，應(yīng)“拋棄”原系統(tǒng)自帶的壓力、流量等檢測(cè)儀器顯示值，避免因這些檢測(cè)儀器年久失修帶來(lái)的誤差影響參數(shù)的確定。

本項(xiàng)目中，原檢測(cè)儀器顯示的流量均值為1 800 m3/h，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)均值有一定的誤差，故應(yīng)采用校驗(yàn)準(zhǔn)確的檢測(cè)儀器復(fù)核當(dāng)前運(yùn)行的工況參數(shù)，以準(zhǔn)確判斷引起高能耗的各種原因，找到最佳工況點(diǎn)，提出最佳匹配方案[3-4]。然后通過(guò)整改不利因素，按最佳運(yùn)行工況參數(shù)“量身定做”適合系統(tǒng)的高效節(jié)能水泵產(chǎn)品，替換目前系統(tǒng)中嚴(yán)重偏離高效運(yùn)行區(qū)間的水泵，消除因系統(tǒng)配置不合理引起的高能耗，達(dá)到最佳節(jié)能效果。

根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行工況(母管壓力0.46 MPa、母管流量5 000 m3/h、水泵情況)以及確保系統(tǒng)有一定富裕量，確定技改水泵的參數(shù)為：流量1 700 m3/h，揚(yáng)程47 m。

2.2.3 確定技改水泵型號(hào)

根據(jù)已確定水泵的參數(shù)，并查閱泵生產(chǎn)企業(yè)提供的選型手冊(cè)(圖1)，可供選擇的泵型號(hào)有2種：KPS50- 350、KPS115- 500。

由圖1可知，KPS50- 350水泵的轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，KPS115- 500的轉(zhuǎn)速為980 r/min。原水泵的配套電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，從降低改造項(xiàng)目的成本，能利舊的設(shè)備要利舊的原則考慮，盡量利用原電機(jī)，原電機(jī)轉(zhuǎn)速與功率均可以滿足KPS50- 350水泵的運(yùn)行使用要求，故最終選擇KPS50- 350水泵作為技改水泵。

圖1 KPS系列水泵型譜圖

2.2.4 確定技改水泵葉輪的材質(zhì)

原水泵葉輪的材質(zhì)為球墨鑄鐵，鑄鐵材料的晶粒結(jié)構(gòu)不夠致密，抗應(yīng)力腐蝕能力不強(qiáng)，在發(fā)生汽蝕的情況下，容易快速形成汽蝕破壞，因此，技改水泵不再選用球墨鑄鐵葉輪，以避免發(fā)生汽蝕對(duì)設(shè)備及后續(xù)節(jié)能帶來(lái)的問(wèn)題?？蛊g能力隨材料硬度的增加而增加，但為了達(dá)到較好的耐汽蝕性能，除硬度外，還要求材料具有一定的延伸性、均勻的組織成分、較細(xì)密的晶粒、光滑的表面和較高的耐腐蝕性能。適合這方面的材料很多，有Co- W硬質(zhì)合金、青銅合金、不銹鋼、雙相不銹鋼等[5-6]。經(jīng)與水泵生產(chǎn)廠家技術(shù)人員的溝通和探討，確定葉輪采用雙相不銹鋼材質(zhì)。雙相不銹鋼是目前合金元素含量較低、耐應(yīng)力腐蝕的鋼種，抗汽蝕能力極強(qiáng)。

2.3 節(jié)能改造需要注意的其他細(xì)節(jié)

1)因電機(jī)利舊、水泵型號(hào)變化，原配套的聯(lián)軸器已不能使用，應(yīng)根據(jù)原電機(jī)、技改水泵的實(shí)際情況定制適配的聯(lián)軸器。

2)因原水泵與技改水泵相比尺寸發(fā)生變化，技改水泵的基礎(chǔ)、進(jìn)出口法蘭、異徑管等在改造工作實(shí)施前應(yīng)提前確認(rèn)，避免因物資準(zhǔn)備不充分影響技改的實(shí)施。

3)在改造實(shí)施前，應(yīng)測(cè)試水泵進(jìn)出口管道上的閥門密封性能是否良好。如閥門密封性能差，造成泄漏量大，就會(huì)影響技改水泵的更換工作。如出現(xiàn)這種情況，應(yīng)提前做好補(bǔ)救工作，如在閥門后加裝盲板。

4)為了精確計(jì)算節(jié)能效果，可在技改前對(duì)水泵增加單獨(dú)的電力計(jì)量設(shè)施，計(jì)算出技改前后的水泵功率，以方便對(duì)比。

3 節(jié)能改造效果

通過(guò)逐臺(tái)改造的方法，拆除原有水泵，替換成技改水泵。安裝完成1臺(tái)即調(diào)試運(yùn)行1臺(tái)，最終在12天內(nèi)，完成了3臺(tái)水泵的節(jié)能改造工作。改造完成后，3臺(tái)水泵的出口閥門全開(kāi)，系統(tǒng)的母管壓力在0.43～0.48 MPa、流量在4 900～5 200 m3/h區(qū)間運(yùn)行，可以滿足生產(chǎn)使用。另外，相比于原水泵，技改水泵的震動(dòng)更小、噪聲更低，運(yùn)行狀況明顯改善。循環(huán)水系統(tǒng)水泵改造前后的功率和節(jié)電率見(jiàn)表2。

1)經(jīng)濟(jì)效益。由表2可知，節(jié)能改造后，循環(huán)水系統(tǒng)水泵每小時(shí)節(jié)電量為368.41 kWh，按照年運(yùn)行8 000 h、電費(fèi)0.5元/kWh計(jì)算，年節(jié)電收益為147.4萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)收益顯著。

表2 水泵改造前后功率對(duì)比

注：節(jié)電率=(技改前功率-技改后功率)/技改前功率×100%

2)環(huán)保效益。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委的數(shù)據(jù)，每生產(chǎn)10 000 kWh電消耗標(biāo)煤3.6 t，排放二氧化碳9.59 t[7]。根據(jù)表2，技術(shù)改造后可節(jié)省標(biāo)煤約1 061 t/a，減少二氧化碳排放量約2 826 t/a。

4 結(jié)論

1)水泵的實(shí)際運(yùn)行流量、壓力與水泵的額定值相比偏離較多，造成了效率低且耗能高。采用節(jié)能技術(shù)改造的水泵匹配現(xiàn)有系統(tǒng)，與系統(tǒng)原有水泵相比，大幅提高了運(yùn)行效率，具有良好的節(jié)能效果。

2)掌握循環(huán)水系統(tǒng)的真實(shí)情況是節(jié)能技改成功的前提和關(guān)鍵。這些情況包括循環(huán)水系統(tǒng)的流程、設(shè)備參數(shù)、母管壓力、母管流量、運(yùn)行功率等。其中，母管壓力、母管流量、運(yùn)行功率需要采用專業(yè)的檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)。

3)對(duì)影響節(jié)能的制約點(diǎn)，應(yīng)逐個(gè)分析，制定相應(yīng)的措施進(jìn)行消除。

4)雙相不銹鋼材質(zhì)的葉輪抗汽蝕損害性能優(yōu)良。水泵技改運(yùn)行半年以后，對(duì)其中1臺(tái)水泵解體檢查發(fā)現(xiàn)，葉輪表面光滑完好，無(wú)損傷痕跡。