空分制氧系統預冷水泵節能改造

李偉華（天津盈達氣體有限公司，天津300301）

空分制氧系統預冷水泵節能改造

李偉華
（天津盈達氣體有限公司，天津300301）

根據天津盈達氣體有限公司空分設備運行現狀，采用變頻技術對預冷系統水泵進行節能改造。通過為水泵加裝變頻器，可通過改變頻率來調節電機轉速，從而調節預冷水流量與壓力，有效地降低了能耗，減少了設備維護成本，取得了顯著的經濟效益。

變頻調速；制氧；預冷

1　引言

隨著電力電子及自動化控制技術的飛速發展，交流調速取代直流調速已成為現代自動控制技術的主要發展方向之一。異步電動機交流變頻調速技術是當今節能降耗，改善工藝環境并提高產品質量，推動技術發展的重要手段，它以其優越的調速和起制動性能、高效率、高功率因數和顯著的節電節能效果而廣泛應用于風機、水泵等的大、中型籠型感應電動機，它被公認為最有發展前途的調速方式。其作用是改變交流電機供電的幅值和頻率，因而改變其運動磁場的周期，達到平滑控制電動機轉速的目的。變頻器的出現，使得復雜的調速控制簡單化，用變頻器加交流感應電動機組合替代了原來只能用直流電機完成的工作，縮小了設備體積，減少了占用空間，降低了設備維修率，提高了使用效率，使傳動技術發展到一個新的階段。

2　生產現狀及節能改造

2.1設備運行現狀分析

盈德氣體集團大邱莊分廠天津盈達氣體30 000 Nm3空分制氧于2013年5月建成投產，由于大功率電氣設備比較多，因此空分制氧系統歷來就是耗電大戶，這也就為變頻等節能技術提供了應用空間。本文主要介紹了空分預冷系統常低溫水泵運行情況。空分第一道工序空氣經空壓機壓縮后排出，壓縮后的空氣溫度達80℃以上，需要經預冷系統空冷塔的常溫水與低溫水2次換熱降溫才能進入下一步分子篩流程。預冷系統共有常低溫水泵四臺，其中額定功率為110 kW常溫水泵2臺（位號WP1101/2），額定功率為75 kW低溫水泵2臺（位號WP1103/4），以上均2臺，互為備用。大電流設備直起會對電器和機械部件造成一定沖擊，影響設備壽命。另外，根據設計需要水泵選型都是按常用水量再至少加20%余量選型采購，而實際進入空冷塔水流量是通過PID整定調節閥來實現的，水泵則是長期滿負荷運行狀態，正常運行出口節流調節閥開度在70%~80%之間波動，調節速度慢，波動大，不穩定，精度低，水泵負載不能全部被利用，更重要的是造成大量電能浪費。為了解決電流沖擊和電能浪費的問題，我們改造常低溫水泵，為其加裝變頻器，出口節流調節閥作為備用處于全開狀態，通過變頻器調節水泵轉速來調節水流量（見圖1）。

2.2變頻節能改造

為節省成本，公司暫定先將4臺水泵中的2臺加裝變頻器，另兩臺作為備用泵暫時不加，變頻器采用目前市場上比較流行的ABB品牌，為常溫水泵WP1102與低溫水泵WP1104裝配，2臺變頻器加控制成套系統采購成本約為12萬元，常溫110 kW電機配套ACS800-01-0120-3+P901變頻器，低溫75 kW電機配套ACS800-01-0075-3+P901變頻器。由于4臺泵都是獨立配電柜控制，因此2號與4號水泵變頻器改造不會影響1號與3號水泵正常運行。變頻器成套配電柜放在配電室內，與原水泵配電柜并排放置，原配電柜出線端電源線拆下后接在變頻器控制柜進線端，變頻器出線端連接水泵電機電源，變頻器啟停由DCS輸出邏輯開關量使原配電柜接觸器得失電來控制。變頻器輸出頻率由設定流量PID調節，變頻電源輸送到水泵交流電機，使其轉速隨頻率變化而變化，從而改變輸出水流量。現場以變頻泵運行為主，另一臺非變頻水泵作為備用，如果變頻泵因為故障或檢修停車，DCS邏輯自動切換另一臺備用水泵啟動，同時泵出口調節閥投入自動狀態，來調節水流量（見圖2）。

圖1　改造前預冷系統水泵水流控制原理圖

圖2　改造后變頻水流量控制原理圖

3　節能與效益分析

3.1節能原理

自2014年6月常低溫水泵變頻改造正式投入運行到現在，變頻泵運行1年多，變頻泵運行比較穩定，節能效果比較明顯，下面根據變頻原理分析節能情況。水泵輸出水流量大小是隨交流電機轉速變化而改變的，交流電動機的轉速n與供電頻率f關系如下：

式中，n為電動機的轉速，r/min；f為電動機的頻率，Hz；p為電動機磁極對數。

對于現有的工頻泵變頻調速，由于電動機磁極對數不變，要調節轉速，只有改變頻率，頻率與轉速成正比關系，平時的低電壓時，頻率不變，電機的轉速不變，那么輸出的功率一定，電壓降低，電流會上升。當頻率下降時，電機的轉速下降，電流會下降，那么輸出功率變小。另外，從水泵的負載考慮，水泵出口流量原來由調節閥控制調節，開度在70%~ 80%波動，加變頻器后調節閥全開，使水泵的出口壓力減小，負載相應降低，電機輸出功率自然會下降。

從整體來說，預冷常低溫水泵在加變頻器后電機輸出功率比之前降低15%以上，預冷常溫泵WP1102額定功率110 kW，預冷低溫泵WP1104額定功率75 kW，加變頻器之前兩電機運行功率分別約為95 kW和65 kW，加變頻器之后兩電機輸出功率分別約為82 kW與53 kW，這樣常溫泵每小時節能約13 kW，低溫泵每小時節能約12 kW，即2臺泵每小時總共節能為25 kW。當前工業用電均價0.7元/kW·h，除去檢修及倒換泵時間按變頻泵實際運行時間為300天計算，一年總共節省電費如下：

25 kW×24 h×300天×0.7元/kW·h=126 000元

由此可以看出，常低溫水泵加變頻器后運行一年節省的電費就等同于收回設備成本，其它電機設備也可以增加變頻器節能，既可以降低企業運營成本，又可以保護環境。

3.2效益分析

預冷系統常低溫水泵加裝變頻器不僅可以變頻節能，還能夠保護電機設備。

（1）2臺常溫水泵額定電流達230 A，啟動瞬時電流達上千安，對配電設備及電網都會產生沖擊，而通過變頻啟動則對此有很大改善。

（2）變頻器進出線接線端子足夠大，便于與進線電纜連接，在各分接頭位置時，能承受接線端突發短路的動、熱不穩定而不產生任何損傷、變形及緊固件松動。

（3）每個功率單元帶兩相輸入熔斷器保護，起過電流保護作用，系統內也可根據實際情況設定電機額定電壓與額定電流的保護值，實現過電壓或者欠電壓保護，運行過程中檢測每個功率模塊的直流母線電壓，如果超過或者低于額定電壓的設定值一定比例，則變頻器保護。

（4）變頻器還能提供過載和過熱保護，電機運行電流超過額定電流的一定時間，或者當環境溫度及相關發熱元件超過預先設置值時則保護。

變頻器的這些優點使電機與水泵設備得到了保護，減少了維護和維修量，延長了使用壽命，間接降低了企業運營成本。另外變頻調速后，電機速度明顯減慢，有效降低了設備運行時的噪音，優化了操作員工的工作環境。

4　結束語

通過1年多的運行可以看出，盈德氣體成功的將變頻技術應用于預冷系統常低溫水泵的節能改造，既利用了變頻安全可靠的優點，又為節能環保做了貢獻，大大地提高了工作效率，為企業節省了成本。特別是當今各大城市被霧霾籠罩，節能降耗已成為全社會關注的話題，節能效果顯著的變頻器必將被廣泛使用，變頻調速系統也會在更多的領域發揮重要的作用，因此推廣變頻節能有著可觀的經濟效益和顯著的社會效益。

[1]國家電網公司營銷部.能效管理與節能技術[M].北京：中國電力出版社，2011.

[2]咸慶信.變頻器原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2010.

[3]黃威.變頻器的使用與節能改造[M].北京：化學工業出版社，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

李偉華（1980—），男，本科，工程師，主要從事電儀自動化管理工作。