應(yīng)用三元流技術(shù)實施循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能改造

中國石化上海石油化工股份有限公司 楊勝宇 車永軍

1 項目背景

中國石化上海石油化工股份有限公司化工事業(yè)部（以下簡稱化工部）成立于1998年11月，位于金山區(qū)金一路700號，占地面積90余公頃。化工部主要以乙烯、丙烯為原料，生產(chǎn)乙二醇、環(huán)氧乙烷、聚乙烯醇、醋酸乙烯、丙烯腈、氰化鈉、化學(xué)助劑等50余種產(chǎn)品。

化工部供1＃乙二醇裝置的冷卻循環(huán)水系統(tǒng)改造前，其用水高峰期運行時,流量在11500m3/h左右，主要由P402、P404、P406、P407并聯(lián)運行；低谷期：流量為9300m3/h，主要由P405、P406、P407并聯(lián)運行。冷卻循環(huán)水系統(tǒng)具體的運行方式根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)的需求而定，系統(tǒng)的主要工藝指標(biāo)是控制系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。

2 循環(huán)水系統(tǒng)高能耗和節(jié)能改造方法分析

2.1 影響水泵高能耗的主要因素

1)正常老化影響。化工部循環(huán)水泵已經(jīng)運行近20年，過流部件的表面經(jīng)過長期運行磨損沖刷，部件表面變得凹凸不平，從而降低了水泵的運行效率；

2）沿程阻力影響。系統(tǒng)管路配置等因素造成“流程阻力”而增加的能耗。如整個流程中的“沿程阻力”和集中在很短流程內(nèi)的流體收縮，擴大和拐流等急劇變化的造成的能量損失；

3）閥門開度影響。水管出口閥門開度的大小，會直接影響水泵的耗能。如出口節(jié)流閥開度大（超過工況額定點），也會降低泵的運行效率。能耗會增高（若采用調(diào)節(jié)吸入閥，會使吸入壓力降低，因而產(chǎn)生氣蝕）；

4）泵型落后：水泵本身的運行效率低；

5）偏離工況：水泵的額定性能參數(shù)與實際工況所需的性能參數(shù)有較大偏離。

2.2 水泵節(jié)能改造方法比較

水泵節(jié)能改造的方法很多，通常采用以下幾種方法：

1）葉輪切削。糾正水泵的額定性能參數(shù)與實際工況所需要的性能的偏離現(xiàn)象，而采取葉輪切削，這是最簡單的“治標(biāo)”節(jié)能改進方法；

2）變頻調(diào)速。采用對電機進行變頻調(diào)速，這是“成本高，對電網(wǎng)有干擾”的節(jié)能方法；

3）更換為高效水泵。將以前運行效率較低的水泵，改為高效水泵。這種方法在一般情況下需要變動原有管路、電機和水泵安裝基礎(chǔ)，需要投入的成本較大；

4）三元流葉輪改造。保持原來水泵主體、管路和電機，根據(jù)水泵實際運行工況、性能等要求，更換“高效三元流葉輪”，這是“花費少，省錢多”的最佳節(jié)能方法。

化工部通過綜合考慮和認(rèn)真分析，最終決定對循環(huán)系統(tǒng)水泵采用“三元流葉輪改造技術(shù)”，在原水泵上進行改造，力求獲得改造周期短、節(jié)能收益快的效果。

3 三元流技術(shù)節(jié)能原理

三元流葉輪改造技術(shù)是依據(jù)三維葉輪設(shè)計理論、國際先進的流體動力學(xué)技術(shù)（CFD）。“江蘇大學(xué)流體機械工程技術(shù)研究中心”引進世界先進的流體動力學(xué)分析軟件FLUENT、CFX-TASCflow等，通過對水泵內(nèi)部流動性能優(yōu)化、預(yù)測技術(shù)進行研究，同時還配備了相應(yīng)的硬件，18CPU Linux操作系統(tǒng)并行機群以及美國的SGI Octance V10圖形工作站，結(jié)合多年在循環(huán)水泵系統(tǒng)節(jié)能改造的經(jīng)驗，并通過生命周期成本分析（LCC），提供最佳葉輪改造方案，實現(xiàn)系統(tǒng)改造投資的最小化，最低的運行成本和最佳的節(jié)能效果。

葉輪機械三元流動理論，是把葉輪內(nèi)部的三元立體空間無限地分割，通過對葉輪流道內(nèi)各工作點的分析，建立起完整、真實的葉輪內(nèi)流體流動的數(shù)學(xué)模型。依據(jù)三元流動理論設(shè)計出來的葉片形狀為不規(guī)則曲面形狀，葉輪葉片的結(jié)構(gòu)可適應(yīng)流體的真實流態(tài)，能夠控制葉輪內(nèi)部全部流體質(zhì)點的速度分布。因此，應(yīng)用三元流動理論設(shè)計的水泵，運行效率得以顯著提高。

化工部本次循環(huán)水泵改造,就是通過與節(jié)能技術(shù)服務(wù)公司合作，采用了“江蘇大學(xué)流體機械工程技術(shù)研究中心”三元流技術(shù)的葉輪改造方案。根據(jù)現(xiàn)場系統(tǒng)管路及泵的安裝布置，對系統(tǒng)中泵的實際運行參數(shù)進一步核算，實施最有效而簡捷，又不影響系統(tǒng)現(xiàn)場運行的實施方案，就是在原泵主體、系統(tǒng)管路、電機等不作改動的前提下，對系統(tǒng)中的七臺泵葉輪均進行水力改進，利用先進的CFD流體設(shè)計軟件，及三元流葉輪設(shè)計方法，重新設(shè)計高效三元流葉輪（見圖1），使泵的運行效率大幅度提高，從而降低系統(tǒng)運行能耗。

4 項目主要改造內(nèi)容

化工部循環(huán)水泵三元流節(jié)能改造項目，自2010年3月15～20日，先對1#循環(huán)水泵房的（P-401）水泵進行改造、測試，獲得滿意效果后，于2010年10月對其余6臺進行改造，至2010年12月全部完成改造安裝。主要改造內(nèi)容為：

1）對1#乙二醇裝置循環(huán)水系統(tǒng)現(xiàn)有的水泵(共7臺、3個型號)的運行情況進行效率評估，并對泵腔體的實際尺寸進行測繪（測繪3臺泵）；

2）利用先進的流體設(shè)計CFD軟件及三元流葉輪設(shè)計方法，重新設(shè)計高效的三元流葉輪；根據(jù)設(shè)計結(jié)果，制造水泵的三元流葉輪；

3）調(diào)換現(xiàn)有循環(huán)水泵的普通葉輪為三元流葉輪（共7臺）。

5 項目改造前后水泵運行用電情況

5.1 按照水泵電機額定功率來計算節(jié)電量

1）項目改造前用電情況：

根據(jù)流量和揚程對應(yīng)關(guān)系對每臺泵對應(yīng)的流量和運行效率做了評估，高峰期和低谷期電耗統(tǒng)計如表1、表2。

表1 高峰期電耗統(tǒng)計

表2 低谷期電耗統(tǒng)計

按照高峰期年運行4800h，低谷期年運行3600h分析。

改造前系統(tǒng)年電耗為：

2555.9 KW×4800h+2017KW×3600h=1952.952（萬kWh/a）

2）項目改造后用電情況：

對1＃乙二醇裝置循環(huán)水系統(tǒng)水泵改造后運行工況與改造前相同，根據(jù)流量和揚程對應(yīng)關(guān)系對每臺泵對應(yīng)的流量和運行效率做了評估，高峰期和低谷期能耗統(tǒng)計如表3、表4。

表3 改造后高峰期能耗統(tǒng)計

表4 改造后低谷期能耗統(tǒng)計

同樣按照高峰期年運行4800h，低谷期年運行3600h分析，改造后循環(huán)水系統(tǒng)年電耗為：

2189.3 KW×4800h+1754.4KW×3600h=1682.448萬kWh/a

3）項目改造后節(jié)電量計算：

年節(jié)電量=改造前能耗-改造后能耗

=1952.952－1682.448=270.504萬kWh/a

節(jié)電率=年節(jié)電量/改造前能耗×100%

=270.504/1952.952×100%=13.85%

5.2 按照水泵實際電耗計算節(jié)電量

1）2010年12月與2009年12月比較：

因2009年12月初裝置有停車檢修，泵房是從2009年12月5日開始運行的，故12月份對比的有效時間為27天。運行狀況是：7臺泵開4臺備3臺。4臺累計運行時間為2496h，用電量為140.67萬kWh。

2010年12月份，對比相同的27天。運行狀況是：7臺泵開4臺備3臺。4臺累計運行時間為2496h，用電量為120.87萬kWh。

節(jié)約電量節(jié)約19.8萬kWh，節(jié)電率為14.08%；

2）2011年1月與2010年1月比較：

2010年1月，全月對比時間為31天，運行狀況是：7臺泵開4臺備3臺。4臺累計運行時間為2976h，用電量為168.70萬kWh；

2011年1月，全月對比時間為31天，運行狀況是：7臺泵開4臺備3臺。4臺累計運行時間為2976h，用電量為145.51萬kWh。

節(jié)約電量23.20萬kWh，節(jié)電率為13.75%。

3）2011年2月與2010年2月比較：

2010年2月，全月對比時間為28天，運行狀況是：7臺泵開4臺備3臺。4臺累計運行時間為2688h，用電量為152.24萬kWh；

2011年2月，全月對比時間為28天，運行狀況是：7臺泵開4臺備3臺。4臺累計運行時間為2688h，用電量為133.44萬kWh。

節(jié)約電量18.80萬度，節(jié)電率為12.36%。

改造前7臺泵開4臺備3臺每月平均用電量為153.87萬度，改造后7臺泵開4臺備3臺平均每月用電量為133.27萬度，平均每月節(jié)約用電20.60萬kWh，節(jié)電率為13.4%。

5.3 經(jīng)濟、社會效益計算

化工部1#乙二醇裝置循環(huán)水系統(tǒng)改造后，按照每月節(jié)電量20.6萬kWh來計算，每年實際節(jié)約用電為：

20.6 萬KWh/月×12月=247.2萬kWh/a

1）經(jīng)濟效益計算

按照目前電費價格0.71元/kWh計算，化工部1#乙二醇裝置循環(huán)水系統(tǒng)改造后，年節(jié)電247.2萬kWh，可降低運行成本175.5萬元/a。

2）社會效益計算

根據(jù)專家計算口徑，每節(jié)約綜合能耗1t標(biāo)準(zhǔn)煤，將減少二氧化碳排放2.46t。按化工部循環(huán)水系統(tǒng)改造后年實際節(jié)約用電為247.2萬kWh折合標(biāo)準(zhǔn)煤（按當(dāng)量值計算）為303.8t，相當(dāng)于減少二氧化碳排放747.4t。

6 結(jié)論

化工部通過1#乙二醇裝置循環(huán)水系統(tǒng)進行三元流節(jié)能技術(shù)改造后，獲得的經(jīng)濟效益、社會效益明顯，三元流節(jié)能技術(shù)近年來已在石化系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好的效果，值得在循環(huán)水場系統(tǒng)推廣應(yīng)用。