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【化工行業(yè)】 高壓變頻器在脫硫循環(huán)水泵工藝中的應用

【化工行業(yè)】 高壓變頻器在脫硫循環(huán)水泵工藝中的應用

  一、引言

  上海新譽化工廠有1#、2#兩臺循環(huán)水泵,正常運行時“一用一備”,兩臺電機均為直接工頻啟動,啟動電流大,既影響設備壽命又對電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊。脫硫工藝中,晝夜循環(huán)水溫度變化較大,對循環(huán)水量要作出相應的調節(jié)。但原設備工頻定速運行時,只能靠調節(jié)閥門的開度來調節(jié)循環(huán)水量的大小,通過人為改變管網(wǎng)的阻力,增加管網(wǎng)損耗來調節(jié)水量,造成相當大的一部分能量浪費在閥門上,致使電費居高不下。使用閥門調節(jié)流量,不僅不能夠經(jīng)濟運行,而且增加了工人的工作量,調節(jié)不及時還會造成管網(wǎng)壓力過高或過低,流量過大或過小,影響生產(chǎn)工藝及設備的安全運行。為了降低脫硫生產(chǎn)經(jīng)濟成本,提高工藝精度及工作效率,迫切需要對1#、2#循環(huán)水泵進行調速節(jié)能將耗改造。   經(jīng)多次調研、考察,綜合比較目前市場上的調速設備,最終決定采用上海億思特電氣股份有限公司生產(chǎn)的IDrive系列變頻器對兩臺循環(huán)水泵進行節(jié)能改造。

  二、工況特

  ()工藝流程

  川西北天然氣凈化廠脫硫循環(huán)水系統(tǒng)主要由以下五個部分組成:冷卻塔、中間池、循環(huán)水泵、溢流泵、脫硫裝置。自脫硫裝置排出的循環(huán)熱水,經(jīng)冷卻塔冷卻后流入中間池儲存;其中大部分水經(jīng)循環(huán)水泵供脫硫裝置再度利用,多余部分則由溢流管道溢出。簡單工藝流程如下:

圖1 脫流工藝流程

  (二)工藝要求   1、進出冷卻塔的溫差恒定   要求溫差范圍恒定(4℃<< span="">△t<8< span="">℃);如循環(huán)水泵閥門開大,水量增大,則冷卻水溫差減小,水量減小則溫差增大。   2、最低壓力鉗位控制   要求變頻器在保證脫硫裝置入口水壓(大于0.45Mpa)前提下,盡可能的節(jié)約循環(huán)水用水量,找到滿足脫硫工藝生產(chǎn)要求的壓力最低臨界點。  ?。ㄈ﹫龅貭顩r:   變頻器室長7200mm,寬3000mm。(場地長度有限,無法并列擺放兩臺IDrive系列高壓變頻器。)

 

 

  (四)電機及水泵參數(shù)

1#、2#電機參數(shù)

1#、2#循環(huán)水泵參數(shù)

電機型號

Y3556-4/YKK400-4

水泵型號

14SH-9A

額定功率

315kW

額定功率

315kW

額定電壓

6kV

額定流量

1170m3/h

額定電流

37.7A

額定揚程

65m

額定轉速

1475rpm

額定轉速

1450rpm

功率因數(shù)

0.86

 

 

  三、現(xiàn)場調試及問題解決方案:  ?。ㄒ唬﹫龅貑栴}   考慮到現(xiàn)場安裝條件有限,現(xiàn)場決定將變頻裝置與手動旁路柜分開擺放:將1#、2#變頻裝置(單臺外型尺寸(mm)(W?H?D): 3200?1590?2620)并排擺放在變頻器室內,而旁路柜則置于循環(huán)水泵現(xiàn)場。這樣擺放的結果既解決了場地問題,又方便操作人員在循環(huán)水泵現(xiàn)場就能觀察到變頻器送電情況,兩全其美。   (二)壓力臨界點   參考脫硫裝置工藝要求,得出“壓力”是保證脫硫生產(chǎn)的充分條件,即壓力達到0.46Mpa,才能保證脫硫裝置正常運行。泵出口壓力過低則無法克服水的勢能,無法將循環(huán)水送至冷卻塔;壓力過高則泵出水量增大,經(jīng)冷卻循環(huán)水的效率不高。因此決定采用“恒壓”閉環(huán)控制方法,調整變頻裝置給定頻率,找到工藝所需的壓力最低臨界點,使其即滿足工藝所需壓力又能保證循環(huán)水需求量,使進出冷卻塔的溫差△t穩(wěn)定在4℃~8℃之間。經(jīng)反復試驗論證,當給定頻率為43Hz時,水泵的壓力(0.51 MPa)滿足工藝要求,溫差4.92℃ ,因此定43Hz為壓力臨界點。 調試參數(shù)表格如下:

 

給定頻率

輸入電壓

輸入電流

輸出電壓

輸出電流

電機轉速

反饋壓力

20Hz

6.05 kV

4.72A

2.26 V

8.62 A

592rpm

0.15 MPa

30 Hz

6.01 kV

9.8A

3.52 V

10.82 A

888 rpm

0.25 MPa

40 Hz

5.95 kV

14.6A

4.78 V

19.2A

1184 rpm

0.45 MPa

45 Hz

5.94 kV

22.8A

5.45 V

25.93 A

1332 rpm

0.55 MPa

50 Hz

5.98 kV

27.6A

5.80 V

31.22A

1480 rpm

0.72 MPa

43 Hz

5.95 kV

19.7 A

4.85 V

23.81 A

1272.8 rpm

0.51 MPa

42.5 Hz

5.99 kV

17.3 A

4.74 V

22.30 A

1258 rpm

0.48 MPa

42 Hz

5.96 kV

17.2 A

4.70 V

22.23 A

1243.2 rpm

0.46 MPa

  四、節(jié)能計算   ()水泵變頻調速的節(jié)能原理   根據(jù)流體力學原理:

3

  圖3為擋板調節(jié)流量和變頻調節(jié)水量的能量比較圖,H2-B-C-H3組成的區(qū)域為變頻較擋板調節(jié)水量節(jié)省的功率。   當采用變頻調速時,可以按需要升降電機轉速,改變水量的性能曲線,使水泵的額定參數(shù)滿足工藝要求,根據(jù)水泵的相似定律,變速前后水量、水壓、功率與轉速之間關系為:   Q1/Q2=n1/n2   H1/H2=n1/n22   P1/P2=n1/n23   P=H?Q   Q1、H1P1風機在n1轉速時的水量、水壓、功率;   Q2H2、P2風機在n2轉速時相似工況條件下的水量、水壓、功率。   假如轉速降低一半,即:n2/n1=1/2,則P2/P1=1/8,可見降低轉速能大大降低軸功率達到節(jié)能的目的。   水泵功率為315KW,年運行時間8000小時,水泵流量Q和壓力H在采用閥門調節(jié)流量時近似滿足如下關系:H=A-(A-1)Q2,其中A為水泵出口封閉時的出口壓力,約為140%   ()IDrive高壓變頻調速節(jié)能分析及計算

改造前電機及水泵參數(shù)

改造后電機及水泵參數(shù)(43Hz

電機輸入電壓

6000V

電機輸入電壓

4880V

電機輸入電流

28A

電機輸入電流

23.76A

功率因數(shù)

0.86

功率因數(shù)

0.96

閥門開度

75%~90

閥門開度

100

水量

950 m3 /h

水量

-

水壓

0.6MPa

水壓

0.5MPa

  采用閥門調節(jié)流量時,功耗等于流量Q和壓力H的乘積。各種流量的功耗計算如下:   P70%=315?0.75?1.4-0.4?0.75?0.75=277.6KW 采用變頻調速時所消耗功率   P變頻=1.732?4880?23.76?0.96=192.8 kW 節(jié)電率為(277.6-192.8/277.6?100%=30.5%   按循環(huán)水泵年運行時間為8000小時,電費0.70/度,單臺循環(huán)水泵年節(jié)電費為(277.6-192.8?8000?0.70=47.5萬元。

  五、客戶收益   1、直接收益:

序號

鍋爐機組

電機

負載

節(jié)電率

年節(jié)約電費

1

1#、2#

6kV/315kW

循環(huán)水泵

30.5%

47.5萬元

  2、間接效益:

1)     變頻改造后,實現(xiàn)電機軟啟動,啟動電流小于額定電流值,啟動更平滑;

2)     電機以及負載轉速下降,系統(tǒng)效率得到提高,取得節(jié)能效果;大大減少了對設備的維護量,節(jié)約了人力物力資源;

3)     由于電機以及負載采用轉速調節(jié)后,工作特性改變,設備工況得到改善,延長設備使用壽命;

4)     功率因數(shù)由原來的0.8左右提高到0.95以上,不僅省去了功率因數(shù)補償裝置,而且減少了線路損耗;

5)     廠房設備噪聲污染將降低;

6)     能提高整個系統(tǒng)的自動化水平和工藝水平;

7)     節(jié)能減排,減少了溫室氣體的排放,保護了環(huán)境;

8)     負載改變頻后,由于變頻器采用單元串聯(lián)多重化技術,因此在理論上可以消除31次以下諧波;由于實際制造工藝的限制,網(wǎng)側電壓諧波總含量可以控制在2%以內,電流諧波總含量小于2%,延長了電機的使用壽命;

9)     變頻輸出采用PWM技術控制,輸出電壓波形基本接近正弦波,諧波總含量小于2%,上述指標均滿足IEEE-519國際電能質量諧波標準要求;延長了電機的使用壽命。

10)   由于脫硫工藝的特殊要求,冷卻塔出入口溫差的大小決定了循環(huán)水量的多少:變頻改造前,冬天出入冷卻塔溫差較大,需水量較小,多余的循環(huán)水從溢流泵排出,造成了水量的浪費;變頻改造后通過調節(jié)給定頻率,即減小了循環(huán)水量又能保證脫硫工藝對水溫的要求,水泵工作在高效區(qū),溢流損失得到很好的控制。

  六、結束語

實踐證明:IDrive系列高壓變頻器在上海新譽化工廠循環(huán)水泵上的應用是成功的。使用變頻器后,節(jié)能效果明顯;出入口閥門全開,減少了閥門能耗損失;實現(xiàn)了電機的軟啟動,延長了電機的使用壽命;內置PLC通過采集現(xiàn)場的水壓數(shù)據(jù)(4~20mA信號),根據(jù)其設定值和實際值的變化情況,自動調節(jié)變頻器輸出頻率,控制水泵轉速,實現(xiàn)恒壓供水,大大提高了脫硫工藝的自動化水平,具有良好的使用價值。

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