鍋爐上水泵變頻改造效果評(píng)價(jià)

景 元，高好潔，錢偉彬，王德龍，趙乃鵬，高 欣

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 718100）

蒸汽鍋爐是米脂天然氣處理廠生產(chǎn)過程中的重要?jiǎng)恿υO(shè)備，其任務(wù)是給甲醇再生及暖氣系統(tǒng)提供蒸汽，以滿足生產(chǎn)需求。鍋爐上水系統(tǒng)為鍋爐提供優(yōu)質(zhì)軟化水，保證鍋爐的正常運(yùn)行，因此鍋爐上水系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行是決定蒸汽鍋爐以及天然氣處理廠正常生產(chǎn)的重要因素。

1 鍋爐上水系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

1.1 蒸汽鍋爐運(yùn)行現(xiàn)狀

米脂天然氣處理廠采用功率為6 t/h的蒸汽鍋爐，產(chǎn)生壓力為0.40~0.52 MPa的高溫蒸汽，為廠區(qū)生產(chǎn)裝置及暖氣系統(tǒng)供熱。換熱后的高溫凝結(jié)水與除氧軟化水混合后由鍋爐上水泵輸送至三臺(tái)鍋爐再次利用。

1.2 上水系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

混合后的軟化水通過鍋爐上水泵輸送至鍋爐，當(dāng)鍋爐液位到達(dá)高限時(shí)，上水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，軟化水不再進(jìn)入鍋爐，上水管線內(nèi)壓力升高，當(dāng)壓力達(dá)到0.6 MPa時(shí)，凝結(jié)水回收器回流調(diào)節(jié)閥將打開，使得鍋爐上水回流至凝結(jié)水回收器，達(dá)到降壓的目的。

圖1 鍋爐供熱系統(tǒng)工藝流程圖

圖2 鍋爐上水系統(tǒng)工藝流程圖

2 運(yùn)行存在問題及原因分析

2.1 控制柜存在操作風(fēng)險(xiǎn)

米脂處理廠目前在用三臺(tái)上水泵，而上水泵控制柜容量有限，只有兩組電源來控制兩臺(tái)上水泵，無(wú)法同時(shí)控制三臺(tái)泵，上水泵倒運(yùn)時(shí)必須先進(jìn)行倒線，不僅不利于操作，同時(shí)增加安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 現(xiàn)有降壓工藝效果不佳

現(xiàn)有的利用回水調(diào)節(jié)閥的降壓工藝效果不明顯，鍋爐上水的管徑為DN65，而回水管線的管徑為DN25，無(wú)法回收大部分軟化水，導(dǎo)致管線壓力無(wú)法明顯下降，造成上水管路和閥門長(zhǎng)期憋壓。

2.3 上水泵工頻運(yùn)行造成能源浪費(fèi)

現(xiàn)有鍋爐上水泵電機(jī)額定功率為18.5 kW，鍋爐運(yùn)行時(shí)鍋爐上水泵24 h工頻運(yùn)行，當(dāng)鍋爐處于高液位，進(jìn)水量小或不需進(jìn)水時(shí)，電能利用率低，造成電能大量浪費(fèi)，不符合節(jié)能降耗的理念與要求。

2.4 上水泵故障率高，維修成本大

目前的生產(chǎn)工藝，造成鍋爐上水泵長(zhǎng)期憋壓工頻運(yùn)行，不利于機(jī)泵的維護(hù)保養(yǎng)，上水泵故障率高，增加維修成本。

3 優(yōu)化改造措施

通過對(duì)國(guó)內(nèi)先進(jìn)上水系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研分析得知：供水系統(tǒng)的變頻應(yīng)用越來越廣泛，目前國(guó)內(nèi)采用的水泵變頻控制有三種：變流變壓控制，恒壓控制和恒流控制。其中恒壓供水控制系統(tǒng)，會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)不同用水需求量而調(diào)節(jié)變頻泵的轉(zhuǎn)速以保證供水壓力滿足用水需求，實(shí)現(xiàn)“按需供應(yīng)”，是更節(jié)能、安全的變頻供水方式。

3.1 變頻控制原理分析

工程設(shè)計(jì)中，水泵選型一般根據(jù)最高設(shè)計(jì)流量和揚(yáng)程選定的，在實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)耗水量不斷變化，絕大部分實(shí)際耗水量小于最高設(shè)計(jì)流量，水泵運(yùn)行時(shí)往往效率低下及揚(yáng)程過剩，造成浪費(fèi)。變頻泵根據(jù)需水量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，而泵的功率根據(jù)轉(zhuǎn)速而改變。其比例率函數(shù)公式為：

表1 目前國(guó)內(nèi)三種變頻控制原理對(duì)比

其中：Q1、Q2分別為水泵調(diào)速前后流量；n1、n2分別為水泵調(diào)速前后轉(zhuǎn)速；H1、H2分別為水泵調(diào)速前后揚(yáng)程；N1、N2分別為水泵調(diào)速前后功率。

從（1）式看出，轉(zhuǎn)速變化，揚(yáng)程比流量的響應(yīng)更為靈敏，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)壓力信號(hào)更容易采集，所以采用壓力信號(hào)作為反饋信號(hào)控制水泵轉(zhuǎn)速。當(dāng)變頻控制器獲取超壓信號(hào)時(shí)，降低水泵轉(zhuǎn)速，當(dāng)獲取低壓信號(hào)時(shí)，提高水泵轉(zhuǎn)速。

3.2 最終改造方案

經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)外變頻供水系統(tǒng)的調(diào)研分析，最終確定米脂處理廠鍋爐上水系統(tǒng)改造方案：更換一臺(tái)恒壓變頻控制柜，控制三臺(tái)鍋爐上水泵為鍋爐進(jìn)水，在泵出口管線設(shè)置壓力反饋信號(hào)，當(dāng)上水壓力高于設(shè)定壓力時(shí)，上水泵降頻運(yùn)行，當(dāng)上水壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，上水泵升頻運(yùn)行，若鍋爐需水量大時(shí)，控制柜還可以自動(dòng)啟動(dòng)第二臺(tái)泵。

本次改造方案采取PID調(diào)節(jié)對(duì)上水泵進(jìn)行恒壓控制。采用西門子PLC控制器及ABB ACS510變頻器對(duì)上水泵進(jìn)行變頻控制，PLC控制器通過控制柜上觸摸屏對(duì)水泵出口壓力和轉(zhuǎn)速進(jìn)行信號(hào)采集（模擬量4~20 mA），按照工藝要求計(jì)算后把相應(yīng)速度給定值通過模擬量輸出給變頻器，變頻器通過調(diào)節(jié)頻率驅(qū)動(dòng)水泵進(jìn)行調(diào)速，可調(diào)速范圍為0~50 Hz。

3.2.1 變頻泵調(diào)速控制原理 如圖3所示，PD為壓力差分界點(diǎn)，KK為快速響應(yīng)斜率，KN為正常響應(yīng)斜率；當(dāng)實(shí)際壓力與設(shè)置壓力之差大于PD時(shí)，采用正常響應(yīng)斜率；當(dāng)實(shí)際壓力與設(shè)置壓力之差小于PD時(shí)，采用快速響應(yīng)斜率。PD可根據(jù)實(shí)際的工藝要求進(jìn)行調(diào)整。

圖3 變頻泵變頻調(diào)速控制原理圖

啟泵初期，變頻器采用快速響應(yīng)斜率，迅速提升上水泵轉(zhuǎn)速，將出水壓力提升至設(shè)定值；當(dāng)上水泵運(yùn)行基本穩(wěn)定時(shí)，變頻器采用正常響應(yīng)斜率，運(yùn)行較為緩和，有利于恒壓控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3.2.2 變頻泵投切控制原理 本次改造后三臺(tái)變頻上水泵（P1，P2，P3）可根據(jù)上水壓力自動(dòng)切換啟停。P1運(yùn)行速度達(dá)到最大時(shí)，供水壓力仍然低于設(shè)置值，此時(shí)P1在最大轉(zhuǎn)速恒速運(yùn)行，自動(dòng)啟動(dòng)P2調(diào)速運(yùn)行，如壓力仍然較低，將啟動(dòng)P3調(diào)速運(yùn)行。反之，上水泵最小轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，供水壓力仍高于設(shè)定值，則上水泵依次自動(dòng)停運(yùn)。

3.2.3 變頻泵最佳壓力確定 鍋爐額定蒸汽壓力為1.25 MPa，正常工作蒸汽壓力為0.40~0.52 MPa，鍋爐上水泵額定揚(yáng)程為135 m，功率為18.5 kV。為達(dá)到最佳的運(yùn)行效果，對(duì)變頻泵運(yùn)行壓力進(jìn)行分析對(duì)比（見表2）。

表2 變頻泵最佳壓力運(yùn)行分析表

經(jīng)過試驗(yàn)分析，確定變頻泵最佳運(yùn)行壓力，夏季單臺(tái)鍋爐運(yùn)行時(shí)，設(shè)置出口壓力0.7 MPa，冬季采暖期兩臺(tái)鍋爐運(yùn)行時(shí)，設(shè)置出口壓力為0.9 MPa，既保證正常生產(chǎn)，又避免能源浪費(fèi)，達(dá)到最佳運(yùn)行效果。

4 運(yùn)行效果分析

鍋爐上水泵變頻改造后，上水泵運(yùn)行正常，鍋爐上水壓力平穩(wěn)，蒸汽鍋爐運(yùn)行正常，改造效果顯著。

4.1 安全性

改造后變頻控制柜可同時(shí)控制三臺(tái)機(jī)泵啟停，避免改造前因機(jī)泵倒運(yùn)切換電纜帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。徹底消除鍋爐用水量小時(shí)，上水管路長(zhǎng)期憋壓帶來的安全隱患。

4.2 節(jié)能性

上水泵采用變頻運(yùn)行，杜絕了上水泵長(zhǎng)期工頻運(yùn)行的電能浪費(fèi)，同時(shí)明顯減少上水泵故障維修頻次，有效延長(zhǎng)設(shè)備管線的使用壽命。

4.3 實(shí)用性

變頻泵可采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式，均可在觸摸屏上直接操作，控制系統(tǒng)具備自動(dòng)切換、定期倒運(yùn)、故障檢測(cè)等功能，方便日常生產(chǎn)操作。

4.4 經(jīng)濟(jì)性

4.4.1 節(jié)約電能費(fèi)用

工頻運(yùn)行：功率P=IU=22×380=8.4 kW

變頻運(yùn)行：功率P1=I1U1=19.8×325=6.4 kW（變頻運(yùn)行穩(wěn)定頻率45.6 Hz時(shí)，所測(cè)得平均值電壓325 V、電流值19.8 A），每天節(jié)約電量2×24=48度，若按照電量?jī)r(jià)格0.7元/度，鍋爐每年運(yùn)行240天計(jì)算：

每臺(tái)泵每年節(jié)約電費(fèi)=48×240×0.7=8 064元。

4.4.2 節(jié)約維修費(fèi)用 平均每月進(jìn)行1次上水泵維修，每次維修更換零部件費(fèi)用約300元，人工費(fèi)300元，則每年節(jié)約維修費(fèi)=（300+300）×1×8=4 800 元。

5 認(rèn)識(shí)結(jié)論

（1）鍋爐上水泵變頻改造對(duì)上水系統(tǒng)高效合理運(yùn)行具有重要的意義，通過出水壓力控制上水泵轉(zhuǎn)速，既能合理供水，又消除了過剩揚(yáng)程，延長(zhǎng)鍋爐上水泵的工作壽命，在保證鍋爐進(jìn)水系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行情況下達(dá)到節(jié)能降耗目的。

（2）鍋爐上水泵變頻改造不僅使上水系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中更加安全環(huán)保，且每年能為米脂天然氣處理廠帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。

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