高压变频器在脱硫循环水泵工艺上的应用

【关键词】：高压大功率变频器、单元串联多电平、循环水泵、恒压供水、节能。

一、引言

　　中石油西南油气田分公司川西北气矿净化厂座落在四川省江油市，以四川江油中坝气田雷口坡气藏天然气为原料，对天然气进行净化加工，日处理量达50万立方米，是四川省重点企业。主要产品有：硫磺、石油液化气、天然气等，生产的化工产品远销国内外。西北气矿净化厂属于典型的石油化工行业，设备品种多、价值高、对设备完好率及连续运转可利用率要求较高。

　　川西北气矿净化厂脱硫分厂有1#、2#两台循环水泵，正常运行时“一用一备”，两台电机均为直接工频启动，启动电流大，既影响设备寿命又对电网产生较大冲击。脱硫工艺中,昼夜循环水温度变化较大,对循环水量要作出相应的调节。但原设备工频定速运行时，只能靠调节阀门的开度来调节循环水量的大小，通过人为改变管网的阻力，增加管网损耗来调节水量，造成相当大的一部分能量浪费在阀门上，致使电费居高不下。使用阀门调节流量，不仅不能够经济运行，而且增加了工人的工作量，调节不及时还会造成管网压力过高或过低，流量过大或过小，影响生产工艺及设备的安全运行。为了降低脱硫生产经济成本，提高工艺精度及工作效率，迫切需要对1#、2#循环水泵进行调速节能将耗改造。

　　经多次调研、考察，综合比较目前市场上的调速设备，最终决定采用北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A直接高－高型变频器对两台循环水泵进行节能改造。

二、工况特点

（一）工艺流程

　　川西北天然气净化厂脱硫循环水系统主要由以下五个部分组成：冷却塔、中间池、循环水泵、溢流泵、脱硫装置。自脱硫装置排出的循环热水，经冷却塔冷却后流入中间池储存；其中大部分水经循环水泵供脱硫装置再度利用，多余部分则由溢流管道溢出。简单工艺流程如下：

 
图1 脱流工艺流程 

（二）工艺要求

1、进出冷却塔的温差恒定
　　要求温差范围恒定（4℃<△t<8℃）；如循环水泵阀门开大,水量增大,则冷却水温差减小，水量减小则温差增大。

2、最低压力钳位控制
　　要求变频器在保证脱硫装置入口水压（大于0.45Mpa）前提下，尽可能的节约循环水用水量，找到满足脱硫工艺生产要求的压力最低临界点。

（三）场地状况:

　　变频器室长7200mm,宽3000mm。（场地长度有限,无法并列摆放两台HARSVERT-A型变频器。）

（四）现场仪器仪表状况

　　压力变送器一块:单路输出4～20mA电流,负载能力300Ω（两线制）.
　　温差变送器一块:单路输出4～20mA电流,负载能力300Ω（四线制）.

（五）电机及水泵参数

三、现场调试及问题解决方案：

（一）场地问题

　　考虑到现场安装条件有限，现场决定将变频装置与手动旁路柜分开摆放：将1#、2#变频装置（单台外型尺寸（mm）（W×H×D）： 3300×2574×1200）并排摆放在变频器室内，而旁路柜则置于循环水泵现场。这样摆放的结果既解决了场地问题，又方便操作人员在循环水泵现场就能观察到变频器送电情况，两全其美。

（二）压力临界点

　　参考脱硫装置工艺要求，得出“压力”是保证脱硫生产的充分条件，即压力达到0.46Mpa，才能保证脱硫装置正常运行。泵出口压力过低则无法克服水的势能，无法将循环水送至冷却塔；压力过高则泵出水量增大，经冷却循环水的效率不高。因此决定采用“恒压”闭环控制方法，调整变频装置给定频率，找到工艺所需的压力最低临界点，使其即满足工艺所需压力又能保证循环水需求量，使进出冷却塔的温差△t稳定在4℃～8℃之间。经反复试验论证，当给定频率为43Hz 时，水泵的压力（0.51 MPa）满足工艺要求，温差4.92℃ ，因此定43Hz为压力临界点。
调试参数表格如下：

 

（三）变送器负载能力

　　由于现场只有一块单路输出的压力变送器，且带载能力只有300Ω，而变频器内置S7-200型PLC的模拟量输入模块EM235的输入电阻为 250Ω；如将两台变频器的模拟输入回路串联，两个EM235的输入电阻即为500Ω，单台压力变送器无法带动两个EM235模块，此方案不可行。因此现场将压力变送器接入单台变频装置的EM235模块，利用S7-200的模拟量输出模块EM232实时输出一路现场压力，用此输出信号作为另一台变频器 EM235的模拟输入。原理框图如图2：

图2

　　此方法在不增加投入成本（硬件）的情况下，通过改写PLC程序，使1#变频器PLC的EM232模块实时输入一路压力反馈信号，解决了压力变送器负载能力不够的问题，实现了单台压力变送器拖动两台变频器的“闭环”控制。

四、节能计算

（一）水泵变频调速的节能原理

根据流体力学原理：

图3 

　　图3为挡板调节流量和变频调节水量的能量比较图，H2-B-C-H3组成的区域为变频较挡板调节水量节省的功率。

　　当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变水量的性能曲线，使水泵的额定参数满足工艺要求，根据水泵的相似定律，变速前后水量、水压、功率与转速之间关系为：

　　Q1/Q2=n1/n2
　　H1/H2=（n1/n2）2
　　P1/P2=（n1/n2）3
　　P=H×Q
　　Q1 、H1、P1—风机在n1转速时的水量、水压、功率；
　　Q2、H2、P2—风机在n2转速时相似工况条件下的水量、水压、功率。

　　假如转速降低一半，即：n2/n1=1/2，则P2/P1=1/8，可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。

　　水泵功率为315KW，年运行时间8000小时，水泵流量Q和压力H在采用阀门调节流量时近似满足如下关系：H=A-（A-1）Q2，其中A为水泵出口封闭时的出口压力，约为140%。 

（二）HARSVERT-A高压变频调速节能分析及计算

改造前电机及水泵参数 改造后电机及水泵参数（43Hz） 
电机输入电压 6000V 电机输入电压 4880V 
电机输入电流 28A 电机输入电流 23.76A 
功率因数 0.86 功率因数 0.96 
阀门开度 75％～90％ 阀门开度 100％ 
水量 约950 m3 /h 水量 - 
水压 0.6MPa 水压 0.5MPa 
采用阀门调节流量时，功耗等于流量Q和压力H的乘积。各种流量的功耗计算如下：
　　P70%=315×0.75×（1.4-0.4×0.75×0.75）=277.6KW
采用变频调速时所消耗功率
　　P变频=1.732×4880×23.76×0.96=192.8 kW
节电率为（277.6-192.8）/277.6=30.5%
　　按循环水泵年运行时间为8000小时，电费0.70元/度，单台循环水泵年节电费为（277.6-192.8）×8000×0.70=47.5万元。

五、节水方面

　　由于脱硫工艺的特殊要求，冷却塔出入口温差的大小决定了循环水量的多少：变频改造前，冬天出入冷却塔温差较大，需水量较小，多余的循环水从溢流泵排出，造成了水量的浪费；变频改造后通过调节给定频率，即减小了循环水量又能保证脱硫工艺对水温的要求，水泵工作在高效区，溢流损失得到很好的控制。

六、结束语

　　实践证明：HARSVERT-A06/040型高压变频器在川西北循环水泵上的应用是成功的。使用变频器后，节能效果明显；出入口阀门全开，减少了阀门能耗损失；实现了电机的软启动，延长了电机的使用寿命；内置PLC通过采集现场的水压数据（4～20mA信号），根据其设定值和实际值的变化情况，自动调节变频器输出频率，控制水泵转速，实现恒压供水，大大提高了脱硫工艺的自动化水平，具有良好的使用价值。