馬慶峰（中國石化齊魯石化股份有限公司供排水廠）

1 存在問題

1.1 第三循環(huán)水場主要用電設(shè)備

乙烯水務(wù)車間循環(huán)水量設(shè)計(jì)值為17 500 m3/h，共有5 臺(tái)單級(jí)雙吸離心式循環(huán)水泵，另有6 臺(tái)冷卻塔冷卻風(fēng)機(jī)。循環(huán)水泵和冷卻風(fēng)機(jī)皆為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，原循環(huán)水泵主要性能參數(shù)見表1，冷卻風(fēng)機(jī)主要性能參數(shù)見表2。

表1 三循原循環(huán)水泵主要性能參數(shù)

表2 三循冷卻風(fēng)機(jī)主要性能參數(shù)

循環(huán)水泵和冷卻風(fēng)機(jī)是循環(huán)水場大型的用電設(shè)備。循環(huán)水泵用于將冷卻塔水池中的冷卻水加壓后供給生產(chǎn)裝置換熱設(shè)備循環(huán)使用，是循環(huán)水系統(tǒng)的“動(dòng)力心臟”，其功率大，耗電最多。冷卻風(fēng)機(jī)是循環(huán)水場耗電量僅次于循環(huán)水泵的重要設(shè)備，為冷卻塔提供穩(wěn)定的空氣流，將回塔熱水冷卻后，把濕熱空氣及時(shí)排除塔外，以確保冷卻塔始終保持穩(wěn)定的冷卻效果[1]。

1.2 用電生產(chǎn)成本

循環(huán)水生產(chǎn)成本主要包括電量、補(bǔ)水量、排污水量、藥劑消耗量等形成的相應(yīng)費(fèi)用（未包括設(shè)備折舊及人工費(fèi)用等）。由于循環(huán)水量大，造成循環(huán)水泵和冷卻風(fēng)機(jī)耗電量居高不下，高居各項(xiàng)費(fèi)用之首[2]。三循節(jié)能改造前的耗電費(fèi)用在總成本中的占比情況見表3。

表3 2014 年三循耗電費(fèi)用在總成本中的占比統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，三循月度電量費(fèi)用平均值在循環(huán)水成本中占比高達(dá)83.1%，最大值85.7%，最小值79.3%，用電生產(chǎn)成本高已成為影響三循經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平的主要問題。

1.3 耗電量大

三循耗電量大原因分析如下：

1）循環(huán)水泵及供水管路設(shè)計(jì)不合理。通過對三循循環(huán)水泵出口壓力、供水總管壓力的檢測發(fā)現(xiàn)，循環(huán)水泵P-1 出口壓力為0.55 MPa， P-7 出口壓力為0.60 MPa， 循環(huán)水供水總管壓力為0.49～0.54 MPa，泵出口閥均未全開，有節(jié)流現(xiàn)象。另外，各臺(tái)循環(huán)水泵進(jìn)出口均存在90°蝦米彎管。這說明設(shè)計(jì)和運(yùn)行工況存在明顯不合理，從而造成水流損失能量較大[3]。

2） 循環(huán)水泵實(shí)際運(yùn)行效率低。實(shí)際測試顯示，三循循環(huán)水泵的運(yùn)行效率只有65%左右。雖然泵銘牌標(biāo)稱效率為90%左右，但由于國家標(biāo)準(zhǔn)在泵流量、效率方面制定的允許偏差較大，造成泵實(shí)際運(yùn)行效率很難達(dá)到標(biāo)稱效率。水泵實(shí)際運(yùn)行工作點(diǎn)偏離最佳工況點(diǎn)，導(dǎo)致運(yùn)行效率降低。循環(huán)水系統(tǒng)富余壓力大。三循供水生產(chǎn)裝置中只有極少數(shù)換熱器高度在25 m，其余換熱器標(biāo)高均較低，而循環(huán)水供水壓力為0.49～0.54 MPa，可判斷系統(tǒng)存在較大的富余壓力，如果對極少數(shù)的高位換熱器進(jìn)行單獨(dú)加壓處理（如在換熱器前增設(shè)管道加壓泵），則可以降低循環(huán)水整個(gè)系統(tǒng)壓力，從而降低循環(huán)水泵運(yùn)行電耗。

3）三循供水用戶多。三循所供循環(huán)冷卻水用戶共有4 套化工生產(chǎn)裝置，由于其工藝流程復(fù)雜、換熱器類型繁多、生產(chǎn)工況差異性大，造成循環(huán)水系統(tǒng)水量調(diào)整難以協(xié)調(diào)一致，運(yùn)行工況較差。

綜合以上原因分析，說明三循具有較大的節(jié)能可行性和優(yōu)化空間。乙烯水務(wù)車間在公司和廠部的大力支持下，于2015 年啟動(dòng)三循循環(huán)水整體優(yōu)化節(jié)電改造項(xiàng)目，以改善高耗電現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、降本增效的目標(biāo)。

2 循環(huán)水整體優(yōu)化節(jié)電改造方案

2.1 原循環(huán)水泵更換為高效率節(jié)能型泵

1）節(jié)能型泵設(shè)計(jì)。葉輪是循環(huán)水泵的核心部件，在很大程度上決定了整臺(tái)泵的性能優(yōu)劣。三循節(jié)能型泵采用先進(jìn)的三維CAD-CFD 葉片泵整體優(yōu)化技術(shù)，以遺傳算法為優(yōu)化工具，以葉片形狀參數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行精確設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)包含4 個(gè)模塊，其基本結(jié)構(gòu)及功能見圖1。

2） 節(jié)能型泵性能[4]。根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行壓力、流量等參數(shù)，利用“基于NSGA-Ⅱ的CADCFD 聯(lián)合整體優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)”對三循原5 臺(tái)循環(huán)水泵進(jìn)行量身定做，全部更換為節(jié)能型泵，其中3 臺(tái)循環(huán)水泵P-7A/B/C 額定流量由原來3 168 m3/h 降為3 000 m3/h，循環(huán)水泵P-1B 額定揚(yáng)程由原62 m 降為61 m。同時(shí)，用特制節(jié)能型彎頭代替原各臺(tái)循環(huán)水泵進(jìn)出口90°蝦米彎管，以減低水流動(dòng)能量損失。泵葉輪和蝸殼做防汽蝕噴涂。泵軸承采用SKF，軸封采用機(jī)械密封。其主要性能及運(yùn)行參數(shù)如下：

◇泵運(yùn)行效率大于88%；

◇泵與電動(dòng)機(jī)軸承溫升不超過40 ℃，最高溫度不超過75℃；

◇泵標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)噪聲不大于80 dB（A）；

◇泵軸承振動(dòng)值不大于2.8 mm/s。

2.2 采用高壓變頻裝置實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制

根據(jù)離心泵相似定律可知，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，轉(zhuǎn)速下降，則功率隨之減小。而泵轉(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)交流電頻率成正比，交流電頻率降低，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨之下降。循環(huán)水泵及冷卻風(fēng)機(jī)的變頻節(jié)電皆是根據(jù)這一變頻原理來實(shí)現(xiàn)的。

圖1 “基于NSGA-Ⅱ的CAD-CFD 聯(lián)合整體優(yōu)化技術(shù)”的功能模塊

另外，離心式循環(huán)水泵在額定工況下運(yùn)行的效率最高，如偏離額定工況，效率將會(huì)下降，而泵運(yùn)行的最佳工況點(diǎn)是由泵特性曲線和管路特性曲線共同確定的[5-6]。系統(tǒng)的循環(huán)水量時(shí)常需要根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷、工藝條件、設(shè)備運(yùn)行狀況及水質(zhì)條件等因素進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，這也就使得水泵運(yùn)行工況點(diǎn)處于不斷變化中。為了始終在最佳工況下高效運(yùn)行，水泵須具備無級(jí)調(diào)節(jié)功能。因此采用變頻調(diào)速來控制泵的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速，確保水泵在較高效率點(diǎn)運(yùn)行，是一個(gè)較為理想的選擇。最終，三循確定選用ZINVERT型智能高壓變頻器對P-1B 進(jìn)行變頻調(diào)速，以實(shí)現(xiàn)節(jié)電、高效運(yùn)行。

ZINVERT 系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用功率單元串聯(lián)技術(shù)，主控制器采用最新電動(dòng)機(jī)控制專用雙數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），以超大規(guī)模集成電路可編程器件（CPLD 和FPGA）為核心，配合數(shù)據(jù)采集、單元控制和光纖通信回路以及內(nèi)置的可編程邏輯控制器構(gòu)成系統(tǒng)控制部分。該設(shè)備由旁路柜、移相變壓器柜、功率單元柜及控制柜組成，具有頻率設(shè)定、斷電恢復(fù)再啟動(dòng)、旁路應(yīng)用、單元直流電壓顯示、參數(shù)設(shè)定、故障報(bào)警、保護(hù)配置等多項(xiàng)功能，是較為先進(jìn)的變頻設(shè)備。

冷卻風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制優(yōu)化內(nèi)容如下：

1） 利用變頻器對1#冷卻風(fēng)機(jī)實(shí)施轉(zhuǎn)速調(diào)控，根據(jù)季節(jié)及水溫變化情況調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

2） 增設(shè)冷卻風(fēng)機(jī)檢測元件，測量結(jié)果傳入DCS 系統(tǒng)中顯示。

2.3 生產(chǎn)裝置換熱器運(yùn)行工況優(yōu)化

對三循所供循環(huán)冷卻水的4 套生產(chǎn)裝置換熱器工藝運(yùn)行工況進(jìn)行現(xiàn)場檢測，根據(jù)檢測結(jié)果建立熱力計(jì)算模型，對供回水溫差，流量、壓力、管網(wǎng)阻力及水泵運(yùn)行效率等進(jìn)行建模分析，計(jì)算出極限工況條件下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和管網(wǎng)水力優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，確定總管網(wǎng)最優(yōu)循環(huán)水量。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行特征進(jìn)行優(yōu)化，在確保生產(chǎn)安全的前提下，多次調(diào)整生產(chǎn)裝置循環(huán)水閥門開度及裝置內(nèi)用水量大的換熱器閥門開度，降低整個(gè)系統(tǒng)供水量。現(xiàn)系統(tǒng)供水壓力已從改造前的0.56 MPa 降至0.48 MPa，循環(huán)水量也由原來的16 000 m3/h 降至14 500 m3/h。

3 節(jié)電改造效果

3.1 節(jié)能改造前后耗電量對比

三循2017 年上半年完成節(jié)能改造優(yōu)化項(xiàng)目并投入試運(yùn)行， 正常情況下，運(yùn)行3 臺(tái)小泵P-7A/B/C及1 臺(tái)大泵P-1B（變頻調(diào)速控制），備用泵為大泵P-1A。經(jīng)過再調(diào)整、穩(wěn)定運(yùn)行等階段，于2017 年11 月正式達(dá)到穩(wěn)定節(jié)電運(yùn)行狀態(tài)，稱為節(jié)電運(yùn)行模式。

三循節(jié)電優(yōu)化改造前后耗電量及節(jié)電量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表4，改造前后耗電量對比情況見圖2。

表4 三循節(jié)電改造后耗電量及節(jié)電量統(tǒng)計(jì)

改造前的耗電量數(shù)據(jù)采用的是2013 年11 月、12 月及2014 年1—10 月數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。改造后的耗電量數(shù)據(jù)采用的是2017 年11 月、12 月及2018年1—9 月節(jié)電模式運(yùn)行期間的數(shù)據(jù)。

圖2 三循節(jié)電優(yōu)化改造前后耗電量對比變化趨勢

2018 年4 月24 日，由于循環(huán)水泵P-7C 電動(dòng)機(jī)故障需要下線維修，而改為P-1A、P-1B 共2 臺(tái)大泵運(yùn)行，節(jié)電量有所減少。夏季，由于水溫較高，為了確保安全生產(chǎn)，需要增加循環(huán)水量來保證生產(chǎn)裝置換熱器的冷卻效果，所以，三循根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)工藝調(diào)整，運(yùn)行3 臺(tái)小泵P-7A/B/C 及1 臺(tái)大泵P-1A，變頻泵P-1B 停用而作為備用，從而造成節(jié)電效果不顯著。8 月份立秋后，循環(huán)水泵恢復(fù)原節(jié)電運(yùn)行模式，耗電量當(dāng)即明顯下降。所以，圖2 中4—7 月的節(jié)電改造后耗電量曲線有靠近改造前耗電量曲線的趨勢，兩條曲線相距較近，說明節(jié)電量較少，而其它月份兩條曲線上下相距較大，說明節(jié)電量較多。

2017 年11 月至2018 年9 月數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，三循實(shí)施節(jié)電優(yōu)化改造后，平均每月節(jié)電率為19.2%，如果排除2018 年4—7 月P-7C 泵故障及夏季高溫因素，真正發(fā)揮節(jié)電效能的月度節(jié)電率平均值為23.9%，節(jié)電效果比較顯著。

3.2 節(jié)電改造后耗電費(fèi)用成本

三循節(jié)能改造后的耗電費(fèi)用在循環(huán)水生產(chǎn)成本中的占比情況見表5。

表5 節(jié)能改造后耗電費(fèi)用在生產(chǎn)成本中的占比統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，三循節(jié)能改造后的月度電量費(fèi)用平均值在循環(huán)水成本中已降至78.1%，比原來減少5.0%，取得了較為明顯的成效。

4 結(jié)論

三循自實(shí)施節(jié)能優(yōu)化改造并正式投入運(yùn)行11個(gè)月以來，節(jié)電量共計(jì)545.7×104kWh，按照電單價(jià)0.591 1 元/kWh 計(jì)算，節(jié)電效益為322.5 萬元，平均每月節(jié)電29.3 萬元，節(jié)電效益十分顯著，循環(huán)水經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平大幅提高，可認(rèn)為三循節(jié)能改造比較成功。

由于三循節(jié)能改造后運(yùn)行時(shí)間較短，需要繼續(xù)關(guān)注實(shí)際運(yùn)行工況及節(jié)電效果。同時(shí)，應(yīng)對循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)電與安全保供之間的協(xié)調(diào)配合繼續(xù)進(jìn)行有益探索，對生產(chǎn)異常用電及生產(chǎn)負(fù)荷波動(dòng)情況制定應(yīng)急預(yù)案，做到在安全保供的前提下最大化節(jié)約用電，努力降低生產(chǎn)成本，不斷提高循環(huán)水經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。