空分制氧系统预冷水泵节能改造

李伟华（天津盈达气体有限公司，天津300301）

空分制氧系统预冷水泵节能改造

李伟华
（天津盈达气体有限公司，天津300301）

根据天津盈达气体有限公司空分设备运行现状，采用变频技术对预冷系统水泵进行节能改造。通过为水泵加装变频器，可通过改变频率来调节电机转速，从而调节预冷水流量与压力，有效地降低了能耗，减少了设备维护成本，取得了显著的经济效益。

变频调速；制氧；预冷

1　引言

随着电力电子及自动化控制技术的飞速发展，交流调速取代直流调速已成为现代自动控制技术的主要发展方向之一。异步电动机交流变频调速技术是当今节能降耗，改善工艺环境并提高产品质量，推动技术发展的重要手段，它以其优越的调速和起制动性能、高效率、高功率因数和显著的节电节能效果而广泛应用于风机、水泵等的大、中型笼型感应电动机，它被公认为最有发展前途的调速方式。其作用是改变交流电机供电的幅值和频率，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器加交流感应电动机组合替代了原来只能用直流电机完成的工作，缩小了设备体积，减少了占用空间，降低了设备维修率，提高了使用效率，使传动技术发展到一个新的阶段。

2　生产现状及节能改造

2.1设备运行现状分析

盈德气体集团大邱庄分厂天津盈达气体30 000 Nm3空分制氧于2013年5月建成投产，由于大功率电气设备比较多，因此空分制氧系统历来就是耗电大户，这也就为变频等节能技术提供了应用空间。本文主要介绍了空分预冷系统常低温水泵运行情况。空分第一道工序空气经空压机压缩后排出，压缩后的空气温度达80℃以上，需要经预冷系统空冷塔的常温水与低温水2次换热降温才能进入下一步分子筛流程。预冷系统共有常低温水泵四台，其中额定功率为110 kW常温水泵2台（位号WP1101/2），额定功率为75 kW低温水泵2台（位号WP1103/4），以上均2台，互为备用。大电流设备直起会对电器和机械部件造成一定冲击，影响设备寿命。另外，根据设计需要水泵选型都是按常用水量再至少加20%余量选型采购，而实际进入空冷塔水流量是通过PID整定调节阀来实现的，水泵则是长期满负荷运行状态，正常运行出口节流调节阀开度在70%~80%之间波动，调节速度慢，波动大，不稳定，精度低，水泵负载不能全部被利用，更重要的是造成大量电能浪费。为了解决电流冲击和电能浪费的问题，我们改造常低温水泵，为其加装变频器，出口节流调节阀作为备用处于全开状态，通过变频器调节水泵转速来调节水流量（见图1）。

2.2变频节能改造

为节省成本，公司暂定先将4台水泵中的2台加装变频器，另两台作为备用泵暂时不加，变频器采用目前市场上比较流行的ABB品牌，为常温水泵WP1102与低温水泵WP1104装配，2台变频器加控制成套系统采购成本约为12万元，常温110 kW电机配套ACS800-01-0120-3+P901变频器，低温75 kW电机配套ACS800-01-0075-3+P901变频器。由于4台泵都是独立配电柜控制，因此2号与4号水泵变频器改造不会影响1号与3号水泵正常运行。变频器成套配电柜放在配电室内，与原水泵配电柜并排放置，原配电柜出线端电源线拆下后接在变频器控制柜进线端，变频器出线端连接水泵电机电源，变频器启停由DCS输出逻辑开关量使原配电柜接触器得失电来控制。变频器输出频率由设定流量PID调节，变频电源输送到水泵交流电机，使其转速随频率变化而变化，从而改变输出水流量。现场以变频泵运行为主，另一台非变频水泵作为备用，如果变频泵因为故障或检修停车，DCS逻辑自动切换另一台备用水泵启动，同时泵出口调节阀投入自动状态，来调节水流量（见图2）。

图1　改造前预冷系统水泵水流控制原理图

图2　改造后变频水流量控制原理图

3　节能与效益分析

3.1节能原理

自2014年6月常低温水泵变频改造正式投入运行到现在，变频泵运行1年多，变频泵运行比较稳定，节能效果比较明显，下面根据变频原理分析节能情况。水泵输出水流量大小是随交流电机转速变化而改变的，交流电动机的转速n与供电频率f关系如下：

式中，n为电动机的转速，r/min；f为电动机的频率，Hz；p为电动机磁极对数。

对于现有的工频泵变频调速，由于电动机磁极对数不变，要调节转速，只有改变频率，频率与转速成正比关系，平时的低电压时，频率不变，电机的转速不变，那么输出的功率一定，电压降低，电流会上升。当频率下降时，电机的转速下降，电流会下降，那么输出功率变小。另外，从水泵的负载考虑，水泵出口流量原来由调节阀控制调节，开度在70%~ 80%波动，加变频器后调节阀全开，使水泵的出口压力减小，负载相应降低，电机输出功率自然会下降。

从整体来说，预冷常低温水泵在加变频器后电机输出功率比之前降低15%以上，预冷常温泵WP1102额定功率110 kW，预冷低温泵WP1104额定功率75 kW，加变频器之前两电机运行功率分别约为95 kW和65 kW，加变频器之后两电机输出功率分别约为82 kW与53 kW，这样常温泵每小时节能约13 kW，低温泵每小时节能约12 kW，即2台泵每小时总共节能为25 kW。当前工业用电均价0.7元/kW·h，除去检修及倒换泵时间按变频泵实际运行时间为300天计算，一年总共节省电费如下：

25 kW×24 h×300天×0.7元/kW·h=126 000元

由此可以看出，常低温水泵加变频器后运行一年节省的电费就等同于收回设备成本，其它电机设备也可以增加变频器节能，既可以降低企业运营成本，又可以保护环境。

3.2效益分析

预冷系统常低温水泵加装变频器不仅可以变频节能，还能够保护电机设备。

（1）2台常温水泵额定电流达230 A，启动瞬时电流达上千安，对配电设备及电网都会产生冲击，而通过变频启动则对此有很大改善。

（2）变频器进出线接线端子足够大，便于与进线电缆连接，在各分接头位置时，能承受接线端突发短路的动、热不稳定而不产生任何损伤、变形及紧固件松动。

（3）每个功率单元带两相输入熔断器保护，起过电流保护作用，系统内也可根据实际情况设定电机额定电压与额定电流的保护值，实现过电压或者欠电压保护，运行过程中检测每个功率模块的直流母线电压，如果超过或者低于额定电压的设定值一定比例，则变频器保护。

（4）变频器还能提供过载和过热保护，电机运行电流超过额定电流的一定时间，或者当环境温度及相关发热元件超过预先设置值时则保护。

变频器的这些优点使电机与水泵设备得到了保护，减少了维护和维修量，延长了使用寿命，间接降低了企业运营成本。另外变频调速后，电机速度明显减慢，有效降低了设备运行时的噪音，优化了操作员工的工作环境。

4　结束语

通过1年多的运行可以看出，盈德气体成功的将变频技术应用于预冷系统常低温水泵的节能改造，既利用了变频安全可靠的优点，又为节能环保做了贡献，大大地提高了工作效率，为企业节省了成本。特别是当今各大城市被雾霾笼罩，节能降耗已成为全社会关注的话题，节能效果显著的变频器必将被广泛使用，变频调速系统也会在更多的领域发挥重要的作用，因此推广变频节能有着可观的经济效益和显著的社会效益。

[1]国家电网公司营销部.能效管理与节能技术[M].北京：中国电力出版社，2011.

[2]咸庆信.变频器原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3]黄威.变频器的使用与节能改造[M].北京：化学工业出版社，2011.

M odification of Pre-cooling W ater Pump for Energy Saving

LIWei-hua
(Tianjin Yingda Gas Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

According to the current running conditions of air separation equipment at Tianjin Yingda Gas Company Limited,frequency conversion technology was adopted to themodification of water pump for energy saving.A set of frequency converter was added at the water pump so that pre-cooling water flow and pressure could be regulated according to the rotation speed of frequency controlmotor.Consequently energy consumption was effectively lowered and equipmentmaintenance cost reduced.Remarkable economic benefitwas achieved.

frequency control;oxygen generation;pre-cooling

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.01.010

2015-10-13

2015-11-02

李伟华（1980—），男，本科，工程师，主要从事电仪自动化管理工作。