【化工行业】高压变频器在脱硫循环水泵工艺中的应用_高压变频器_单元串联多电平

【化工行业】高压变频器在脱硫循环水泵工艺中的应用

2013/9/25 11:44:01

　　一、引言

　　上海新誉化工厂有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，最终决定采用上海亿思特电气股份有限公司生产的IDrive系列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℃<< span="">△t<8< span="">℃)；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IDrive系列高压变频器。)

　　（四）电机及水泵参数

1#、2#电机参数		1#、2#循环水泵参数
电机型号	Y3556-4/YKK400-4	水泵型号	14SH-9A
额定功率	315kW	额定功率	315kW
额定电压	6kV	额定流量	1170m3/h
额定电流	37.7A	额定扬程	65m
额定转速	1475rpm	额定转速	1450rpm
功率因数	0.86

　　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)： 3200�1590�2620）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：

给定频率	输入电压	输入电流	输出电压	输出电流	电机转速	反馈压力
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、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)IDrive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：　　P_70%=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�100%=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、客户收益 　　1、直接收益：

序号	锅炉机组	电机	负载	节电率	年节约电费
1	1#、2#	6kV/315kW	循环水泵	30.5%	47.5万元

　　2、间接效益：

1) 　　变频改造后，实现电机软启动，启动电流小于额定电流值，启动更平滑；

2) 　　电机以及负载转速下降，系统效率得到提高，取得节能效果；大大减少了对设备的维护量，节约了人力物力资源；

3) 　　由于电机以及负载采用转速调节后，工作特性改变，设备工况得到改善，延长设备使用寿命；

4) 　　功率因数由原来的0.8左右提高到0.95以上，不仅省去了功率因数补偿装置，而且减少了线路损耗；

5) 　　厂房设备噪声污染将降低；

6) 　　能提高整个系统的自动化水平和工艺水平；

7) 　　节能减排，减少了温室气体的排放，保护了环境；

8) 　　负载改变频后，由于变频器采用单元串联多重化技术，因此在理论上可以消除31次以下谐波；由于实际制造工艺的限制，网侧电压谐波总含量可以控制在2%以内，电流谐波总含量小于2%，延长了电机的使用寿命；

9) 　　变频输出采用PWM技术控制，输出电压波形基本接近正弦波，谐波总含量小于2%，上述指标均满足IEEE-519国际电能质量谐波标准要求；延长了电机的使用寿命。

10) 　　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：IDrive系列高压变频器在上海新誉化工厂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。