烯烴廠循環(huán)水水泵節(jié)能改造

潘向陽，任 鴻，王宗明

（1.中國石化出版社有限公司，北京 100011；2中國石油化工有限公司 齊魯分公司，山東 淄博 255408；3.中國石油大學(xué) （華東）新能源學(xué)院，山東 青島 266580）

綠色發(fā)展、節(jié)能減排是實現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)的主要途徑[1]。機泵是流程工業(yè)生產(chǎn)的主要能耗設(shè)備類型之一，其電耗約占工業(yè)用電量的1/3。煉化企業(yè)生產(chǎn)原料、半成品、成品均為流體，機泵應(yīng)用數(shù)量更大，其電耗占煉油廠電耗的60%以上[2]。為了適應(yīng)企業(yè)操作負(fù)荷的波動，離心泵選型時往往針對最大運行工況，而且采購時又考慮了預(yù)留產(chǎn)能[3-5]。因此，工業(yè)裝置現(xiàn)場離心泵的額定性能參數(shù)大多遠(yuǎn)大于裝置正常需要，即使泵裝置本身在性能曲線劃定的高效區(qū)域內(nèi)，但離心泵特性與實際管路特性不匹配，這使得離心泵管路系統(tǒng)長期存在大量能量浪費。文中針對某烯烴廠循環(huán)水水泵使用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，探討節(jié)能改造的可行性，提出了改造方案，介紹了改造方案實施的效果。

1 烯烴廠循環(huán)水水泵運行狀況分析

1.1 設(shè)備及使用概況

某烯烴廠循環(huán)水裝置總共有4臺循環(huán)水水泵，按照3開1備設(shè)置。裝置現(xiàn)場銘牌顯示，循環(huán)水水泵為蘭州水泵總廠制造的離心泵，其型號為800S80G，額定流量 8 000 m3/h，額定揚程 62 m，軸功率 1 536 kW，轉(zhuǎn)速 750 r/min，配用電機功率1 800 kW。安裝初期葉輪直徑D由1 040 mm切割到1 018 mm，相應(yīng)的水泵性能曲線見圖1。

圖1 烯烴廠循環(huán)水水泵性能曲線

圖1中，qV為泵體積流量，H為泵揚程，η為泵效率，P為泵電機功率。據(jù)現(xiàn)場使用反饋，此泵的流量能達(dá)到生產(chǎn)裝置實際需要，但是出口壓力高達(dá)0.78 MPa，遠(yuǎn)大于循環(huán)水系統(tǒng)總管需求的最大壓力0.61 MPa。

1.2 泵工作點分析

烯烴廠循環(huán)水裝置水泵的特點是，3臺在用水泵型號相同、并聯(lián)布置而且每路分支的管路和閥門均相同。依據(jù)此特點，結(jié)合泵工作點分析需要，對烯烴廠循環(huán)水水泵系統(tǒng)流程進(jìn)行簡化，結(jié)果見圖2。圖2中，pd為泵出口壓力，p3為系統(tǒng)總管匯壓力，1-1截面為水池內(nèi)水面，2-2截面為泵出口橫截面。

圖2 烯烴廠循環(huán)水水泵系統(tǒng)簡化流程及管路計算示圖

水泵在現(xiàn)場的具體工作點未知，需要通過具體揚程來確定。泵的入口管路小于2 m，忽略其影響。分別對1-1截面和2-2截面進(jìn)行分析，計算泵啟用時管路中的實際揚程。

式 (1)～式（4）中，H為泵的揚程，∑hf為管路系統(tǒng)總損失，Δz2-1為2-2截面和1-1截面間高差，l為管路長度，d為輸送管路直徑，Δh為局部阻力損失，Δ為管線的絕對粗糙度，m；c2為2-2截面管路的平均速度，c1為1-1截面平均速度，v為管道中水的流速，m/s；p1為 1-1截面表壓，p2為 2-2截面表壓，p2=pd=0.78 MPa；λ為沿程阻力系數(shù)；ρ為管路中水的密度，kg/m3；μ為管路中水的動力黏度，Pa·s；g 為重力加速度，m/s2；Re 為管道中水的雷諾數(shù)。

1-1截面處，水面與大氣相連且水面下降速度很慢，所以有p1=0、c1=0。水面與離心泵的中心線在同一水平線上，所以有Δz2-1=0。一般循環(huán)水的流速在1～4 m/s，取v=4 m/s，已知d=0.8 m、ρ=995.4 kg/m3、μ=0.000 767 9 Pa·s, 帶入式（4）計算得到 Re=4.1×106。

取 Δ=0.3 mm，已知 d=0.8 m， 則 Re＞4 160(0.5d/Δ)0.85，符合粗糙管紊流區(qū)的條件[6-7]，所以可用尼古拉茨粗糙管公式[7]λ=[1.74+2log(d/Δ)]-2計算λ,已知Δ=0.3 mm、d=0.8 m，帶入計算得到λ=0.013 5。

參考設(shè)計參數(shù)將水泵管路實際流量取為qV=18 600 m3/h，已知 d=0.8 m，按 c2=qV/[π(0.5d)2]計算得到c2=3.42 m/s。

將 λ=0.013 5、l=20 m、c2=3.42 m/s、d=0.8 m、g=10 m/s2代入式（2），計算可得∑hf=（0.2+Δh），考慮到局部阻力損失不大，預(yù)估∑hf小于 0.5 m。根據(jù)式（1）計算，當(dāng) qV=18 600 m3/h時H約為81 m。由圖1可知，單泵的工作點為qV=6 200 m3/h，H=81 m，P=1 470 kW，η=90%。

可見，循環(huán)水泵均在性能曲線劃定的高效區(qū)域內(nèi)運行，自身效率較高，但系統(tǒng)總管匯壓力p3僅需0.61 MPa，需要通過調(diào)節(jié)閥降低壓力，說明泵特性與實際需求不匹配，能量損失較大，迫切需要進(jìn)行節(jié)能改造。

2 烯烴廠循環(huán)水水泵改造原理

依據(jù)工藝設(shè)計參數(shù)qV=16 000 m3/h、H=62 m，并考慮10%的裕量，設(shè)定的水泵改造目標(biāo)工作點W參數(shù)為qV=5 867 m3/h、H=68.2 m。目前單泵的工作點參數(shù)為qV=6 200 m3/h、H=81 m，因此水泵揚程、流量均需降低。按照可以長期降低生產(chǎn)成本而且不會對電網(wǎng)造成不良影響的原則，采用葉輪切割的方法進(jìn)行節(jié)能改造。

切割改造依據(jù)的原理為離心泵切割定律式。

式 （5）～式 （7）中，qV＇為葉輪切割后的管路流量，m3/h；H＇為葉輪切割后水泵揚程，D＇為葉輪切割后葉輪直徑,m；N＇為葉輪切割后水泵電機功率，kW。

葉輪切割改造的基本原理見圖3[8-13]，圖中A、B、C指改造前單泵性能曲線 （3臺泵均相同），(A,B,C)指改造后單泵性能曲線（3臺泵均相同），A+B+C指改造前3臺泵并聯(lián)綜合性能曲線，(A+B+C)指改造后3臺泵并聯(lián)綜合性能曲線，h指改造前管路特性曲線，（h）指改造后管路特性曲線。切割前，管路特性曲線h與3泵并聯(lián)綜合性能曲線的交點為M0，此時每臺泵的工作點為M，出口調(diào)節(jié)閥開度為30%，開度偏小，浪費能量。葉輪切割后，揚程下降，出口調(diào)節(jié)閥開度可以適當(dāng)增大，管路特性向右下移動，泵新工作點由切割后泵并聯(lián)綜合特性曲線和新管路特性曲線共同確定，改造后管路特性曲線（h）與3泵并聯(lián)綜合性能曲線的交點為M2，此時每臺泵的工作點為W。經(jīng)過W點的切割拋物線應(yīng)與泵原來性能曲線相交X點，W點與X點的工作參數(shù)滿足切割定律。依據(jù)切割定律進(jìn)行計算即可得到葉輪切割量。

圖3 葉輪切割改造原理

3 葉輪切割改造可行性分析

通過作圖分析可以確定經(jīng)過水泵目標(biāo)工作點W的切割拋物線與原來泵特性曲線相交點A的參數(shù)為 qV=6 360 m3/h、H=80 m。 按照式（5）進(jìn)行計算,切割后葉輪直徑D2＇=939 mm。

計算該水泵比轉(zhuǎn)數(shù)ns:

80＜ns=130.6＜150，故可知該泵屬于中比轉(zhuǎn)數(shù)泵[14]，葉輪允許切割范圍接 近 15%[15]，水泵葉輪初始直徑為1 040 mm，即該泵葉輪的最小直徑為863 mm，故直徑切割到939 mm是允許的。

由前面計算知起始段管道阻力較?。ā苃f＜0.5 m），當(dāng)泵的流量是 5 867 m3/h、揚程為 68.2 m時，根據(jù)式（1）可以估算泵出口壓力pd=0.66 MPa。目前pd=0.78 MPa，閥門開度為30%，系統(tǒng)所需的最大壓力為0.61 MPa，因此改造后不需要完全打開閥門，就可以滿足需要。原調(diào)節(jié)閥仍然具有節(jié)流作用，但閥門開度應(yīng)增大，以降低調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失。根據(jù)切割定律，隨著葉輪的切割，泵軸功率將變小，因此切割改造的方案是可行的。

4 葉輪切割改造經(jīng)濟性核算

水泵葉輪切割以后，單泵的工作點為流量qV=5 867 m3/h、揚程 H=68.2 m、功率 N=1 180 kW、效率η=90%。水泵所配電機是南陽防爆集團公司生產(chǎn)的YKK710-8W型電機，電機效率η電機=0.952，傳動效率η傳動取為0.99，則可以通過泵軸功率計算出電機所消耗的功率P輸入。

對單臺水泵進(jìn)行切割前后的節(jié)能效果對比，見表1。由表1可知，切割后單臺水泵電機功率節(jié)約了 307.7kW，節(jié)能率為 307.7/1 559.7=19.7%。以年工作實際8 000 h、用電單價0.6元/（kW·h）計算，一年可節(jié)約電費 147.7萬元。4臺循環(huán)水泵全部改造后，按照3開1備投用，每年可以節(jié)約443萬元。

表1 單臺水泵葉輪切割前后功耗對比

5 改造效果

循環(huán)水水泵具體改造工作包括拆下轉(zhuǎn)子、葉輪車削、轉(zhuǎn)子裝備與動平衡、轉(zhuǎn)子回裝、閥門調(diào)節(jié)以及試運行。改造后，調(diào)節(jié)閥開度加大，能夠滿足夏季大水量要求，改造圓滿成功。改造前泵配電柜電流平均為192 A，改造后電流平均為160 A，已知現(xiàn)場電壓為6 200 V，電機功率因數(shù)為0.9，單泵相應(yīng)節(jié)約功率309.3 kW?？梢?，經(jīng)濟性核算正確，采用葉輪切割改造方案進(jìn)行節(jié)能改造的經(jīng)濟效益明顯。