一、引言

　　中石油西南油氣田分公司川西北氣礦凈化廠(chǎng)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，對天然氣進(jìn)行凈化加工，日處理量達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)品遠銷(xiāo)國內外。西北氣礦凈化廠(chǎng)屬于典型的石油化工行業(yè)，設備品種多、價(jià)值高、對設備完好率及連續運轉可利用率要求較高。

　　川西北氣礦凈化廠(chǎng)脫硫分廠(chǎng)有1#、2#兩臺循環(huán)水泵，正常運行時(shí)“一用一備”，兩臺電機均為直接工頻啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大，既影響設備壽命又對電網(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,對循環(huán)水量要作出相應的調節。但原設備工頻定速運行時(shí)，只能靠調節閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)調節循環(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)調節水量，造成相當大的一部分能量浪費在閥門(mén)上，致使電費居高不下。使用閥門(mén)調節流量，不僅不能夠經(jīng)濟運行，而且增加了工人的工作量，調節不及時(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)工藝及設備的安全運行。為了降低脫硫生產(chǎn)經(jīng)濟成本，提高工藝精度及工作效率，迫切需要對1#、2#循環(huán)水泵進(jìn)行調速節能將耗改造。

　　經(jīng)多次調研、考察，綜合比較目前市場(chǎng)上的調速設備，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－高型變頻器對兩臺循環(huán)水泵進(jìn)行節能改造。

二、工況特點(diǎn)

    (一)工藝流程

　　川西北天然氣凈化廠(chǎng)脫硫循環(huán)水系統主要由以下五個(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，盡可能的節約循環(huán)水用水量，找到滿(mǎn)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(cháng)7200mm,寬3000mm。(場(chǎng)地長(cháng)度有限,無(wú)法并列擺放兩臺HARSVERT-A型變頻器。)

    （四）現場(chǎng)儀器儀表狀況

　　壓力變送器一塊:單路輸出4～20mA電流,負載能力300Ω（兩線(xiàn)制）.

　　溫差變送器一塊:單路輸出4～20mA電流,負載能力300Ω（四線(xiàn)制）.

（五）電機及水泵參數

1#、2#電機參數		1#、2#循環(huán)水泵參數
電機型號	Y3556-4/YKK400-4	水泵型號	14SH-9A
額定功率	315kW	額定功率	315kW
額定電壓	6kV	額定流量	1170m3/h
額定電流	37.7A	額定揚程	65m
額定轉速	1475rpm	額定轉速	1450rpm
功率因數	0.86

三、現場(chǎng)調試及問(wèn)題解決方案：

   （一）場(chǎng)地問(wèn)題

　　考慮到現場(chǎng)安裝條件有限，現場(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（單臺外型尺寸(mm)(W×H×D)： 3300×2574×1200）并排擺放在變頻器室內，而旁路柜則置于循環(huán)水泵現場(chǎng)。這樣擺放的結果既解決了場(chǎng)地問(wèn)題，又方便操作人員在循環(huán)水泵現場(chǎng)就能觀(guān)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，即壓力達到0.46Mpa，才能保證脫硫裝置正常運行。泵出口壓力過(guò)低則無(wú)法克服水的勢能，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(mǎn)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穩定在4℃～8℃之間。經(jīng)反復試驗論證，當給定頻率為43Hz時(shí)，水泵的壓力（0.51 MPa）滿(mǎn)足工藝要求，溫差4.92℃ ，因此定43Hz為壓力臨界點(diǎn)。

調試參數表格如下：

給定頻率	輸入電壓	輸入電流	輸出電壓	輸出電流	電機轉速	反饋壓力
20Hz	6.02 kV	4.68A	2.24 V	8.64 A	592rpm	0.15 MPa
30 Hz	5.98 kV	9.6A	3.48 V	10.8 A	888 rpm	0.25 MPa
40 Hz	5.98 kV	14.4A	4.74 V	19.4 A	1184 rpm	0.45 MPa
45 Hz	5.98 kV	22.6A	5.40 V	25.92 A	1332 rpm	0.55 MPa
50 Hz	5.94 kV	27.8A	5.82 V	31.2 A	1480 rpm	0.72 MPa
43 Hz	5.98 kV	19.3 A	4.84 V	23.74 A	1272.8 rpm	0.51 MPa
42.5 Hz	5.98 kV	17.5 A	4.76 V	22.32 A	1258 rpm	0.48 MPa
42 Hz	5.94 kV	17.1 A	4.72 V	22.2 A	1243.2 rpm	0.46 MPa

   （三）變送器負載能力

　　由于現場(chǎng)只有一塊單路輸出的壓力變送器，且帶載能力只有300Ω，而變頻器內置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。因此現場(chǎng)將壓力變送器接入單臺變頻裝置的EM235模塊，利用S7-200的模擬量輸出模塊EM232實(shí)時(shí)輸出一路現場(chǎng)壓力，用此輸出信號作為另一臺變頻器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，解決了壓力變送器負載能力不夠的問(wèn)題，實(shí)現了單臺壓力變送器拖動(dòng)兩臺變頻器的“閉環(huán)”控制。

四、節能計算

   (一)水泵變頻調速的節能原理

    根據流體力學(xué)原理：

圖3

　　圖3為擋板調節流量和變頻調節水量的能量比較圖，H2-B-C-H3組成的區域為變頻較擋板調節水量節省的功率。

　　當采用變頻調速時(shí)，可以按需要升降電機轉速，改變水量的性能曲線(xiàn)，使水泵的額定參數滿(mǎn)足工藝要求，根據水泵的相似定律，變速前后水量、水壓、功率與轉速之間關(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)機在n1轉速時(shí)的水量、水壓、功率；

　　Q2、H2、P2—風(fēng)機在n2轉速時(shí)相似工況條件下的水量、水壓、功率。

　　假如轉速降低一半，即：n2/n1=1/2，則P2/P1=1/8，可見(jiàn)降低轉速能大大降低軸功率達到節能的目的。

　　水泵功率為315KW，年運行時(shí)間8000小時(shí)，水泵流量Q和壓力H在采用閥門(mén)調節流量時(shí)近似滿(mǎn)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高壓變頻調速節能分析及計算

改造前電機及水泵參數		改造后電機及水泵參數（43Hz）
電機輸入電壓	6000V	電機輸入電壓	4880V
電機輸入電流	28A	電機輸入電流	23.76A
功率因數	0.86	功率因數	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)調節流量時(shí)，功耗等于流量Q和壓力H的乘積。各種流量的功耗計算如下：

　　P70%=315×0.75×（1.4-0.4×0.75×0.75）=277.6KW

    采用變頻調速時(shí)所消耗功率

　　P變頻=1.732×4880×23.76×0.96=192.8 kW

    節電率為（277.6-192.8）/277.6=30.5%

　　按循環(huán)水泵年運行時(shí)間為8000小時(shí)，電費0.70元/度，單臺循環(huán)水泵年節電費為（277.6-192.8）×8000×0.70=47.5萬(wàn)元。

五、節水方面

　　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；變頻改造后通過(guò)調節給定頻率，即減小了循環(huán)水量又能保證脫硫工藝對水溫的要求，水泵工作在高效區，溢流損失得到很好的控制。

六、結束語(yǔ)

　　實(shí)踐證明：HARSVERT-A06/040型高壓變頻器在川西北循環(huán)水泵上的應用是成功的。使用變頻器后，節能效果明顯；出入口閥門(mén)全開(kāi)，減少了閥門(mén)能耗損失；實(shí)現了電機的軟啟動(dòng)，延長(cháng)了電機的使用壽命；內置PLC通過(guò)采集現場(chǎng)的水壓數據（4~20mA信號），根據其設定值和實(shí)際值的變化情況，自動(dòng)調節變頻器輸出頻率，控制水泵轉速，實(shí)現恒壓供水，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。