鍋爐上水泵變頻改造效果評價

景 元，高好潔，錢偉彬，王德龍，趙乃鵬，高 欣

（中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 718100）

蒸汽鍋爐是米脂天然氣處理廠生產過程中的重要動力設備，其任務是給甲醇再生及暖氣系統(tǒng)提供蒸汽，以滿足生產需求。鍋爐上水系統(tǒng)為鍋爐提供優(yōu)質軟化水，保證鍋爐的正常運行，因此鍋爐上水系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行是決定蒸汽鍋爐以及天然氣處理廠正常生產的重要因素。

1 鍋爐上水系統(tǒng)運行現(xiàn)狀

1.1 蒸汽鍋爐運行現(xiàn)狀

米脂天然氣處理廠采用功率為6 t/h的蒸汽鍋爐，產生壓力為0.40~0.52 MPa的高溫蒸汽，為廠區(qū)生產裝置及暖氣系統(tǒng)供熱。換熱后的高溫凝結水與除氧軟化水混合后由鍋爐上水泵輸送至三臺鍋爐再次利用。

1.2 上水系統(tǒng)運行現(xiàn)狀

混合后的軟化水通過鍋爐上水泵輸送至鍋爐，當鍋爐液位到達高限時，上水電動調節(jié)閥關閉，軟化水不再進入鍋爐，上水管線內壓力升高，當壓力達到0.6 MPa時，凝結水回收器回流調節(jié)閥將打開，使得鍋爐上水回流至凝結水回收器，達到降壓的目的。

圖1 鍋爐供熱系統(tǒng)工藝流程圖

圖2 鍋爐上水系統(tǒng)工藝流程圖

2 運行存在問題及原因分析

2.1 控制柜存在操作風險

米脂處理廠目前在用三臺上水泵，而上水泵控制柜容量有限，只有兩組電源來控制兩臺上水泵，無法同時控制三臺泵，上水泵倒運時必須先進行倒線，不僅不利于操作，同時增加安全風險。

2.2 現(xiàn)有降壓工藝效果不佳

現(xiàn)有的利用回水調節(jié)閥的降壓工藝效果不明顯，鍋爐上水的管徑為DN65，而回水管線的管徑為DN25，無法回收大部分軟化水，導致管線壓力無法明顯下降，造成上水管路和閥門長期憋壓。

2.3 上水泵工頻運行造成能源浪費

現(xiàn)有鍋爐上水泵電機額定功率為18.5 kW，鍋爐運行時鍋爐上水泵24 h工頻運行，當鍋爐處于高液位，進水量小或不需進水時，電能利用率低，造成電能大量浪費，不符合節(jié)能降耗的理念與要求。

2.4 上水泵故障率高，維修成本大

目前的生產工藝，造成鍋爐上水泵長期憋壓工頻運行，不利于機泵的維護保養(yǎng)，上水泵故障率高，增加維修成本。

3 優(yōu)化改造措施

通過對國內先進上水系統(tǒng)進行調研分析得知：供水系統(tǒng)的變頻應用越來越廣泛，目前國內采用的水泵變頻控制有三種：變流變壓控制，恒壓控制和恒流控制。其中恒壓供水控制系統(tǒng)，會根據(jù)實時不同用水需求量而調節(jié)變頻泵的轉速以保證供水壓力滿足用水需求，實現(xiàn)“按需供應”，是更節(jié)能、安全的變頻供水方式。

3.1 變頻控制原理分析

工程設計中，水泵選型一般根據(jù)最高設計流量和揚程選定的，在實際運行中，系統(tǒng)耗水量不斷變化，絕大部分實際耗水量小于最高設計流量，水泵運行時往往效率低下及揚程過剩，造成浪費。變頻泵根據(jù)需水量調節(jié)轉速，而泵的功率根據(jù)轉速而改變。其比例率函數(shù)公式為：

表1 目前國內三種變頻控制原理對比

其中：Q1、Q2分別為水泵調速前后流量；n1、n2分別為水泵調速前后轉速；H1、H2分別為水泵調速前后揚程；N1、N2分別為水泵調速前后功率。

從（1）式看出，轉速變化，揚程比流量的響應更為靈敏，同時現(xiàn)場壓力信號更容易采集，所以采用壓力信號作為反饋信號控制水泵轉速。當變頻控制器獲取超壓信號時，降低水泵轉速，當獲取低壓信號時，提高水泵轉速。

3.2 最終改造方案

經(jīng)過對國內外變頻供水系統(tǒng)的調研分析，最終確定米脂處理廠鍋爐上水系統(tǒng)改造方案：更換一臺恒壓變頻控制柜，控制三臺鍋爐上水泵為鍋爐進水，在泵出口管線設置壓力反饋信號，當上水壓力高于設定壓力時，上水泵降頻運行，當上水壓力低于設定壓力時，上水泵升頻運行，若鍋爐需水量大時，控制柜還可以自動啟動第二臺泵。

本次改造方案采取PID調節(jié)對上水泵進行恒壓控制。采用西門子PLC控制器及ABB ACS510變頻器對上水泵進行變頻控制，PLC控制器通過控制柜上觸摸屏對水泵出口壓力和轉速進行信號采集（模擬量4~20 mA），按照工藝要求計算后把相應速度給定值通過模擬量輸出給變頻器，變頻器通過調節(jié)頻率驅動水泵進行調速，可調速范圍為0~50 Hz。

3.2.1 變頻泵調速控制原理 如圖3所示，PD為壓力差分界點，KK為快速響應斜率，KN為正常響應斜率；當實際壓力與設置壓力之差大于PD時，采用正常響應斜率；當實際壓力與設置壓力之差小于PD時，采用快速響應斜率。PD可根據(jù)實際的工藝要求進行調整。

圖3 變頻泵變頻調速控制原理圖

啟泵初期，變頻器采用快速響應斜率，迅速提升上水泵轉速，將出水壓力提升至設定值；當上水泵運行基本穩(wěn)定時，變頻器采用正常響應斜率，運行較為緩和，有利于恒壓控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3.2.2 變頻泵投切控制原理 本次改造后三臺變頻上水泵（P1，P2，P3）可根據(jù)上水壓力自動切換啟停。P1運行速度達到最大時，供水壓力仍然低于設置值，此時P1在最大轉速恒速運行，自動啟動P2調速運行，如壓力仍然較低，將啟動P3調速運行。反之，上水泵最小轉速運行時，供水壓力仍高于設定值，則上水泵依次自動停運。

3.2.3 變頻泵最佳壓力確定 鍋爐額定蒸汽壓力為1.25 MPa，正常工作蒸汽壓力為0.40~0.52 MPa，鍋爐上水泵額定揚程為135 m，功率為18.5 kV。為達到最佳的運行效果，對變頻泵運行壓力進行分析對比（見表2）。

表2 變頻泵最佳壓力運行分析表

經(jīng)過試驗分析，確定變頻泵最佳運行壓力，夏季單臺鍋爐運行時，設置出口壓力0.7 MPa，冬季采暖期兩臺鍋爐運行時，設置出口壓力為0.9 MPa，既保證正常生產，又避免能源浪費，達到最佳運行效果。

4 運行效果分析

鍋爐上水泵變頻改造后，上水泵運行正常，鍋爐上水壓力平穩(wěn)，蒸汽鍋爐運行正常，改造效果顯著。

4.1 安全性

改造后變頻控制柜可同時控制三臺機泵啟停，避免改造前因機泵倒運切換電纜帶來的安全風險。徹底消除鍋爐用水量小時，上水管路長期憋壓帶來的安全隱患。

4.2 節(jié)能性

上水泵采用變頻運行，杜絕了上水泵長期工頻運行的電能浪費，同時明顯減少上水泵故障維修頻次，有效延長設備管線的使用壽命。

4.3 實用性

變頻泵可采用手動和自動兩種控制方式，均可在觸摸屏上直接操作，控制系統(tǒng)具備自動切換、定期倒運、故障檢測等功能，方便日常生產操作。

4.4 經(jīng)濟性

4.4.1 節(jié)約電能費用

工頻運行：功率P=IU=22×380=8.4 kW

變頻運行：功率P1=I1U1=19.8×325=6.4 kW（變頻運行穩(wěn)定頻率45.6 Hz時，所測得平均值電壓325 V、電流值19.8 A），每天節(jié)約電量2×24=48度，若按照電量價格0.7元/度，鍋爐每年運行240天計算：

每臺泵每年節(jié)約電費=48×240×0.7=8 064元。

4.4.2 節(jié)約維修費用 平均每月進行1次上水泵維修，每次維修更換零部件費用約300元，人工費300元，則每年節(jié)約維修費=（300+300）×1×8=4 800 元。

5 認識結論

（1）鍋爐上水泵變頻改造對上水系統(tǒng)高效合理運行具有重要的意義，通過出水壓力控制上水泵轉速，既能合理供水，又消除了過剩揚程，延長鍋爐上水泵的工作壽命，在保證鍋爐進水系統(tǒng)安全可靠運行情況下達到節(jié)能降耗目的。

（2）鍋爐上水泵變頻改造不僅使上水系統(tǒng)在生產過程中更加安全環(huán)保，且每年能為米脂天然氣處理廠帶來較大的經(jīng)濟效益。

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