高压变频技术在循环冷却水系统中的节能控制应用

牟 建 马 进 曹长义

（1.兖矿国宏化工有限责任公司，山东 济宁 273512； 2.山东科技大学，山东 青岛 266590； 3.济南聚展电器有限公司，济南 250107）

目前，化工、电力及钢铁企业规模越来越大，对精细化要求也越来越高，循环水作为一个相对独立的系统，它的运行效果对生产起着至关重要的作用。一些企业因为个别换热器位置较高或距离较远，为达到换热效果而提高系统压力，无形之中既增加了设备维护维修费用又造成了能源损耗。因此，减少能量损耗，降低除尘设备维护维修费用成为目前企业亟待解决的重要问题之一。

1 循环水系统工艺节能改造的背景及意义

1）循环水系统配置情况

公司循环冷却水系统目前采用的是母管制多用户循环水供水方案，循环冷却水系统共4 台供水泵，两台电动泵，两台汽动泵，水泵配套功率为2500kW，泵的流量为12630m3/h，额定扬程为54m，一般情况下运行三台泵，一台电动泵和两台汽动泵，供水母管总流量约为 38000m3/h 左右，供水母管压力0.409MPa。

2）循环冷却水系统的主要用户情况

循环冷却供水系统用户主要有：合成车间、汽化车间、空分车间、热电车间和碳脂（DMC）车间等，这五个车间，循环水的主要冷却对象以换热器为主，空分主要是设备冷却，要冷却的设备都布置在地面，对冷却水压要求最低，每个车间都有多个换热器，并且每个换热器所安装的高度都不一样。碳脂车间和空分的空冷塔对水压要求高，目前水压不足以满足需要，公司都安装了增压泵，以保证工艺正常需求。循环冷却水主要用户及分布如图1所示。

3）循环冷却水主要用户的运行情况

图1 循环冷却水系统主要用户及分布图

因为循环水系统采用母管制供水，无法根据不同高度的用水需要，以不同的压力供水，为保证最高点用水需要， 整个供水系统都保持在0.409MPa。从换热器循环冷却水的最大设计需求量上看，安装位置较低的换热器需求循环冷却水流量大，安装位置较高的换热器的设计需求循环冷却水流量小；换热器越靠近循环冷却水供水端，接受的供水流量与压力越大，相对而言，供水距离越长，管损就越大，换热器越远离循环冷却水供水端，受到的供水流量与压力也相对减小。根据对循环冷却水系统实际运行、分布情况和参照设计要求进行了详细调查研究，发现，循环冷却水系统总供水量为 38000 ～40000m3，供水压力为0.409MPa，但是10～15m 高度换热器设计循环水量7680m3，占目前总水量的20%； 20m 以上换热器设计循环水量1600m3,不足目前总水量5%。从以上数据分析，循环冷却水系统母管压力0.409MPa 的，约75%的水量给低于10m以下的换热器进行循环冷却，为了满足20m 以上高点换热器对循环水压力的要求，使循环冷却水系统以不低于0.4MPa 的压力运行。

2 循环冷却水系统工艺节能改造

1）循环冷却水系统节能改造措施

循环冷却水系统中只能在电动泵上安装一台高压变频器，如果单靠一台变频器调节系统压力空间有限，节能效果不明显，因此采用上海卫能能源科技有限公司专门针对循环冷却水集中供水制系统的系统节能改造方案——等高线供水制方案，根据循环冷却水集中供水制系统中不同用户对供水压力需求的不同，提供不同的供水压力方式，对供水压力要求高的用户采用局部增压方式，满足其压力需求，然后降低循环冷却水系统供水压力，实现整个循环冷却系统节能。在同等供水压力下，处在较低位置的换热器和靠近供水端的换热器，循环冷却水的流量远远大于设计流量。循环冷却水系统采用等高供水节能方案，根据用户所安装位置及高度的不同，大致可以分为三个等级：第一个等级，安装位置高度小于10m 的换热器；第二个等级，安装高度大于10m 但小于15m 的换热器；第三个等级，安装位置大于20m 以上的换热器。如果循环冷却水系统降压后只能满足第一个等级高度的换热器，那么，第二个等级和第三个等级高度的换热器都得加装管道增压泵，循环冷却水系统节能效果最大，虽然第二个等级高度的换热器设计循环冷却水需求只占总水量的20%，但是，第二等级的换热器系统小，其循环冷却水用量小，但是分布比较广，如果第二个等级的换热器也安装增压泵，其工程量巨大，施工时间长，系统在短时间内无法恢复运行，影响全厂的正常生产。第三个等级高度的换热器少，并且只有三个点，安装简单，在全厂检修时利用检修时间就可以安装完成，不影响正常生产。只要对循环冷却水压力通过高压变频将母管供水压力降到0.3MPa，保证并满足15m 以下换热器的正常生产，对处在20m以上的换热器加装循环冷却水管道增压泵，满足正常需求。

降低循环冷却水系统供水压力，必须降低水泵的出口压力，供水系统正常运行三台泵，两台汽动泵，一台电动泵，对其中一台电动泵安装高压变频器，降低该电动的出水压力与流量，为保证三台出水压力与流量平衡，调节两台汽动泵转速，使其出水压头与变频调节电动基本保持一致，实现“汽”、“电”双节能。

2）高压变频器节能原理

变频调速以其优异的调速、起动和制动性能、高效率、高功率因素和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为是最有发展前途的调速方式。

异步电动机的转速n与电源频率f、转差率s、电机极对数p有关，n=60f(1-s)/p，变频装置是通过改变电源频率f来调节电动机转速的，可以看出n与f间为线性关系，转速调节范围宽，不存在励磁滑差和节流作用等带来的功率损失。

水泵属平方转矩负载，而水属于流体，根据流体力学规律，那么轴功率、压力、转速、流量之间有以下关系：

（1）流量与转速的一次方成正比。

（2）压力与转速的二次方成正比。

（3）轴功率与转速的三次方成正比。

具体数据如表1所示。

表1 轴功率、压力、转速、流量数据对照表

3）管道增压泵的选型及安装

20m 以上的换热器共有3 个点，分别是：

（1）合成车间的甲醇净化工艺中的热闪气冷凝器，安装位置高度为23.66m，也是循环冷却水系统供水的最高点，设计最大循环冷却水流量为100m3/h。

（2）气化车间1#真空闪蒸冷凝器A#，安装位置高度为 21.4m，设计最大循环冷却水流量为500m3/h。

（3）为气化车间1#真空闪蒸冷凝器B#和C#两个换热器，安装位置高度为21.4m，设计最大循环冷却水流量共计为1000m3/h，循环冷却水供水系统压力降到0.25MPa。

为保证以后三个点换热器的安全运行和降压运行后母管压力的调整范围，所以考虑增压泵的额定压力选型为20m，额定流量按设计最大流量选型。

根据水泵轴功率计算公式：P=流量×扬程×9.81×介质比重÷3600÷泵的效率÷1000

合成车间热闪气冷凝器新增增压泵的轴功率 = 100m3/h×20m×9.81×1000kg/m3÷3600÷0.8÷1000 = 6.81kW

汽化车间1#真空闪蒸冷凝器A#新增增压泵的轴功率 =500m3/h×20m×9.81×1000kg/m3÷3600÷0.8÷1000 = 34.06kW

按以1#真空闪蒸冷凝器A#可计算得出，另外B#和C#换热器新增增压泵的轴功率=34.06kW×2 = 68.12kW。

根据电机功率选型公式：P=Ne×K（Ne为轴功率，K为系数）Ne值不同时，K值取值见表2。

表2 参数K 取值表

根据以上公式计算，汽化车间1#真空闪蒸冷凝器A#新增增压泵的电机选型功率为11kW，安装两台，运行方式为一用一备；汽化车间1#真空闪蒸冷凝器A#新增增压泵的电机选型功率为45kW，安装两台，运行方式为一用一备；考虑安装配电室电源空间和电机起动问题，汽化车间1#真空闪蒸冷凝器B#和C#系统新增增压泵的电机选型功率为45kW，安装三台，运行方式为两用一备。

3 节能改造运行效益分析

（1）循环冷却水系统工艺节能改造前后每小时能耗情况对照（见表3、表4、表5）。

表3 电泵动变频节能改造前后运行数据对照表

表4 汽动泵在系统工艺改造后运行数据对照表

表5 循环水系统节能改造后系统总能耗

（2）循环水系统节能改造后节能效益

节能改造后电耗节省效益=节能改造前系统每小时用电总耗-节能改造后系统每小时用电总耗

= 2272-(1337+9.9+121.5)=803.6(kW·h)

节能改造后蒸汽节省效益=节能改造前系统每小时用汽总耗-节能改造后系统每小时用汽总耗

=30-27.5= 3.5(t)

按照目前运行电价0.58 元/ kW·h，25kG 蒸汽120 元/t 计算，每年平均按8000h 计算，可节约费用为

(803.6×0.58+3.5×120)×8000=7088720（元）

从以上数据可知循环冷却水系统经过水泵变频改造和系统优化，每年可节约费用700 多万元，节能效果明显，循环冷却水系统压力降低使换热器的爆管和泄漏事故大大减少，减少因事故和检修造成的全厂停产的直接经济损失。

4 结论

变频技术目前已经很成熟，在很多行业都有很好的应用，通过变频技术和工艺改进、其他节能技术手段的配合应用，使变频器不单单是一个单体节能设备，而是使其构成一个节能系统，通过该节能系统使节能改造项目节能效果更明显。