【摘要】：本文結(jié)合川西北天然氣凈化廠實(shí)際工況,介紹了北京利德華福電氣技術(shù)有限公司研制的單元串聯(lián)多電平高壓大功率變頻器在脫硫循環(huán)水泵工藝中的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】：高壓大功率變頻器、單元串聯(lián)多電平、循環(huán)水泵、恒壓供水、節(jié)能。
一、引言
中石油西南油氣田分公司川西北氣礦凈化廠座落在四川省江油市，以四川江油中壩氣田雷口坡氣藏天然氣為原料，對(duì)天然氣進(jìn)行凈化加工，日處理量達(dá)50萬(wàn)立方米，是四川省重點(diǎn)企業(yè)。主要產(chǎn)品有：硫磺、石油液化氣、天然氣等，生產(chǎn)的化工產(chǎn)品遠(yuǎn)銷(xiāo)國(guó)內(nèi)外。西北氣礦凈化廠屬于典型的石油化工行業(yè)，設(shè)備品種多、價(jià)值高、對(duì)設(shè)備完好率及連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)可利用率要求較高。
川西北氣礦凈化廠脫硫分廠有1#、2#兩臺(tái)循環(huán)水泵，正常運(yùn)行時(shí)“一用一備”，兩臺(tái)電機(jī)均為直接工頻啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大，既影響設(shè)備壽命又對(duì)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(duì)循環(huán)水量要作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。但原設(shè)備工頻定速運(yùn)行時(shí)，只能靠調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)循環(huán)水量的大小，通過(guò)人為改變管網(wǎng)的阻力，增加管網(wǎng)損耗來(lái)調(diào)節(jié)水量，造成相當(dāng)大的一部分能量浪費(fèi)在閥門(mén)上，致使電費(fèi)居高不下。使用閥門(mén)調(diào)節(jié)流量，不僅不能夠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，而且增加了工人的工作量，調(diào)節(jié)不及時(shí)還會(huì)造成管網(wǎng)壓力過(guò)高或過(guò)低，流量過(guò)大或過(guò)小，影響生產(chǎn)工藝及設(shè)備的安全運(yùn)行。為了降低脫硫生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)成本，提高工藝精度及工作效率，迫切需要對(duì)1#、2#循環(huán)水泵進(jìn)行調(diào)速節(jié)能將耗改造。
經(jīng)多次調(diào)研、考察，綜合比較目前市場(chǎng)上的調(diào)速設(shè)備，最終決定采用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A直接高－高型變頻器對(duì)兩臺(tái)循環(huán)水泵進(jìn)行節(jié)能改造。
二、工況特點(diǎn)
（一）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(gè)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(chǔ)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(jiǎn)單工藝流程如下：
圖1 脫流工藝流程
（二）工藝要求
1、進(jìn)出冷卻塔的溫差恒定
要求溫差范圍恒定（4℃<△t<8℃）；如循環(huán)水泵閥門(mén)開(kāi)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(diǎn)。
（三）場(chǎng)地狀況:
變頻器室長(zhǎng)7200mm,寬3000mm。（場(chǎng)地長(zhǎng)度有限,無(wú)法并列擺放兩臺(tái)HARSVERT-A型變頻器。）
（四）現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表狀況
壓力變送器一塊:單路輸出4～20mA電流,負(fù)載能力300Ω（兩線制）.
溫差變送器一塊:單路輸出4～20mA電流,負(fù)載能力300Ω（四線制）.
（五）電機(jī)及水泵參數(shù)
三、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及問(wèn)題解決方案：
（一）場(chǎng)地問(wèn)題
考慮到現(xiàn)場(chǎng)安裝條件有限，現(xiàn)場(chǎng)決定將變頻裝置與手動(dòng)旁路柜分開(kāi)擺放：將1#、2#變頻裝置（單臺(tái)外型尺寸（mm）（W×H×D）： 3300×2574×1200）并排擺放在變頻器室內(nèi)，而旁路柜則置于循環(huán)水泵現(xiàn)場(chǎng)。這樣擺放的結(jié)果既解決了場(chǎng)地問(wèn)題，又方便操作人員在循環(huán)水泵現(xiàn)場(chǎng)就能觀察到變頻器送電情況，兩全其美。
（二）壓力臨界點(diǎn)
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(dá)到0.46Mpa，才能保證脫硫裝置正常運(yùn)行。泵出口壓力過(guò)低則無(wú)法克服水的勢(shì)能，無(wú)法將循環(huán)水送至冷卻塔；壓力過(guò)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(diào)整變頻裝置給定頻率，找到工藝所需的壓力最低臨界點(diǎn)，使其即滿足工藝所需壓力又能保證循環(huán)水需求量，使進(jìn)出冷卻塔的溫差△t穩(wěn)定在4℃～8℃之間。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)論證，當(dāng)給定頻率為43Hz 時(shí)，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(diǎn)。
調(diào)試參數(shù)表格如下：
（三）變送器負(fù)載能力
由于現(xiàn)場(chǎng)只有一塊單路輸出的壓力變送器，且?guī)лd能力只有300Ω，而變頻器內(nèi)置S7-200型PLC的模擬量輸入模塊EM235的輸入電阻為 250Ω；如將兩臺(tái)變頻器的模擬輸入回路串聯(lián)，兩個(gè)EM235的輸入電阻即為500Ω，單臺(tái)壓力變送器無(wú)法帶動(dòng)兩個(gè)EM235模塊，此方案不可行。因此現(xiàn)場(chǎng)將壓力變送器接入單臺(tái)變頻裝置的EM235模塊，利用S7-200的模擬量輸出模塊EM232實(shí)時(shí)輸出一路現(xiàn)場(chǎng)壓力，用此輸出信號(hào)作為另一臺(tái)變頻器 EM235的模擬輸入。原理框圖如圖2：
圖2
此方法在不增加投入成本（硬件）的情況下，通過(guò)改寫(xiě)PLC程序，使1#變頻器PLC的EM232模塊實(shí)時(shí)輸入一路壓力反饋信號(hào)，解決了壓力變送器負(fù)載能力不夠的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)壓力變送器拖動(dòng)兩臺(tái)變頻器的“閉環(huán)”控制。
四、節(jié)能計(jì)算
（一）水泵變頻調(diào)速的節(jié)能原理
根據(jù)流體力學(xué)原理：
圖3
圖3為擋板調(diào)節(jié)流量和變頻調(diào)節(jié)水量的能量比較圖，H2-B-C-H3組成的區(qū)域?yàn)樽冾l較擋板調(diào)節(jié)水量節(jié)省的功率。
當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，可以按需要升降電機(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速之間關(guān)系為：
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=（n1/n2）2
P1/P2=（n1/n2）3
P=H×Q
Q1 、H1、P1—風(fēng)機(jī)在n1轉(zhuǎn)速時(shí)的水量、水壓、功率；
Q2、H2、P2—風(fēng)機(jī)在n2轉(zhuǎn)速時(shí)相似工況條件下的水量、水壓、功率。
假如轉(zhuǎn)速降低一半，即：n2/n1=1/2，則P2/P1=1/8，可見(jiàn)降低轉(zhuǎn)速能大大降低軸功率達(dá)到節(jié)能的目的。
水泵功率為315KW，年運(yùn)行時(shí)間8000小時(shí)，水泵流量Q和壓力H在采用閥門(mén)調(diào)節(jié)流量時(shí)近似滿足如下關(guān)系：H=A-（A-1）Q2，其中A為水泵出口封閉時(shí)的出口壓力，約為140%。
（二）HARSVERT-A高壓變頻調(diào)速節(jié)能分析及計(jì)算
改造前電機(jī)及水泵參數(shù) 改造后電機(jī)及水泵參數(shù)（43Hz）
電機(jī)輸入電壓 6000V 電機(jī)輸入電壓 4880V
電機(jī)輸入電流 28A 電機(jī)輸入電流 23.76A
功率因數(shù) 0.86 功率因數(shù) 0.96
閥門(mén)開(kāi)度 75％～90％ 閥門(mén)開(kāi)度 100％
水量 約950 m3 /h 水量 -
水壓 0.6MPa 水壓 0.5MPa
采用閥門(mén)調(diào)節(jié)流量時(shí)，功耗等于流量Q和壓力H的乘積。各種流量的功耗計(jì)算如下：
P70%=315×0.75×（1.4-0.4×0.75×0.75）=277.6KW
采用變頻調(diào)速時(shí)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=30.5%
按循環(huán)水泵年運(yùn)行時(shí)間為8000小時(shí)，電費(fèi)0.70元/度，單臺(tái)循環(huán)水泵年節(jié)電費(fèi)為（277.6-192.8）×8000×0.70=47.5萬(wàn)元。
五、節(jié)水方面
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(fèi)；變頻改造后通過(guò)調(diào)節(jié)給定頻率，即減小了循環(huán)水量又能保證脫硫工藝對(duì)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(jié)束語(yǔ)
實(shí)踐證明：HARSVERT-A06/040型高壓變頻器在川西北循環(huán)水泵上的應(yīng)用是成功的。使用變頻器后，節(jié)能效果明顯；出入口閥門(mén)全開(kāi)，減少了閥門(mén)能耗損失；實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命；內(nèi)置PLC通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)的水壓數(shù)據(jù)（4～20mA信號(hào)），根據(jù)其設(shè)定值和實(shí)際值的變化情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，控制水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水，大大提高了脫硫工藝的自動(dòng)化水平，具有良好的使用價(jià)值。