石化企業循環水系統的節能優化與應用

劉鈞(長嶺煉化岳陽工程設計有限公司，湖南 岳陽 414000)

0 引言

為了響應國家有關節能減排、保護環境的號召，結合石化企業中大型循環水系統現狀，目前有多種新型的節能設備及技術工藝有針對性的對老系統進行節能改造，以實現提升企業生產效率，節能降耗的目的。

以某石化企業循環水場為例，該循環水場采用開式循環水系統，有兩臺逆流式機械通風冷卻塔，采用兩臺水輪機驅動風機。總設計循環水量8000m3/h，目前總用水量53003/h，主要配置見表1。

表1 循環水系統主要配置情況表

1 系統存在的主要問題

1.1 系統溫差小、流量大，設計流量大于實際使用流量。

循環水冷卻塔供回水溫差設計為10℃，但根據對生產裝置的主要換熱設備進行調研后發現，目前循環水場整體供回水溫差僅為3℃，換熱器進出口溫差差異性較大，部分裝置換熱器進出口溫差明顯偏小，且流量存在較大調整空間。

1.2 水輪機冷驅動方式存在的問題

水輪機本身作為一種節能機械設備，近年來常運用于冷卻塔上代替電機作為風機的驅動裝置，但并不是在所有循環水系統中都適用。水輪機冷卻塔必須要保證在運轉過程中有不斷穩定壓力的循環回水作為動力來源，若水壓達不到要求時，風機轉速低，風量小，從而導致降溫效果不理想。在水動力不足的情況下，需要加大水泵揚程來增加水動力，增加了水泵的耗電量。

1.3 循環水泵效率存在優化空間

水泵效率指泵的有效功率和軸功率之比：Η=Pe/P。

泵的功率通常指輸入功率，即原動機傳到泵軸上的功率，又稱軸功率，用P 表示。有效功率即：泵的揚程和質量流量及重力加速度的乘積。

由上述公式計算出：循環水泵A 效率約為66.594%，循環水泵B 效率約為67.712%，兩組水泵效率均低于70%，水泵能耗存在較大的優化空間。

2 節能改造基本方案

2.1 加裝末端換熱器監測系統對供水系統合理優化

目前各個裝置的最高點沒有用于檢測負荷端壓力和溫度的設備，無法確定最高點的揚程需求，因而不能根據負荷端實際使用需求對水泵揚程進行精準校核，致使水泵揚程浪費嚴重。水輪機的運行消耗了水泵的部分揚程。導致水泵無功功率變大。加裝末端換熱器監測系統：用于檢測各高點負荷端的壓力和溫度，確定最高點的揚程需求，根據負荷端實際使用需求對水泵揚程進行精準校核。達到實時監控、定時記錄數據、統計能耗等效果。

2.2 更換高效水泵并使用無刷雙饋調速電機降低循環水泵能耗

通過系統各工藝流程點的溫度、壓力范圍等參數，根據系統實際使用需求進行水泵和電機的重新選型。將原效率低的立式軸流泵更換為高效節能水泵，水泵效率可增高至85%左右，既能滿足生產的調整需求，又可以有效的減少能耗。

另外，監控預警安全平臺通過對負荷端獲得的反饋數據進行分析計算，系統將實時對水泵的運行參數進行調整匹配。變頻技術可通過調節水泵電機的輸出功率從而切實降低電機在運行過程中產生的無功能耗。但由于本項目循環水泵為高壓電機，若使用高壓變頻技術，其設備復雜、造價高、占地面積大、且高壓變頻器自身也需要一定的電能消耗，其性價比并不高。因此本項目應用一種具有調速功能的無刷雙饋電機及控制系統，這種無刷雙饋電機采用低壓控制方式，在負載變化時，能夠進行轉差率調速，使電機運行功率下降，達到調速、節能的目的。本次改造將其中一臺高效循環水泵電機配置為無刷雙饋電機。新型無刷雙饋電機采用電網電源和變頻電源同時饋電的方式，功率因數可調，可靠性高，運行時不要求變頻器提供全功率，而只要求提供“轉差功率”，不僅變頻器容量小，也可采用較低電壓。兩套繞組的接入方式為：三相高壓定子繞組直接與高壓外電網并聯；三相低壓定子繞組，通過一臺智能調速器與低壓電源連接。當流量變化時，改變調速器輸出的頻率與幅值，就可以降低電機輸出功率。

2.3 使用冷卻塔模塊化能效控制柜，對冷卻塔群進行聯合變頻控制

根據實際情況分析，將循環水場的2 臺水輪機改為200kW電機，可節約循環泵揚程。并在電機增加變頻裝置，可滿足高、中、低負荷時段的不同需求，也可大大的節約冷卻塔的能耗。安裝能效控制柜，并按照下述技術原理對冷卻塔群進行聯合變頻控制，使冷卻塔以最低的能耗，產生最理想的冷卻效果。通過冷卻塔模塊化能效控制柜，對環境溫度和濕度、濕球溫度、進出水溫度進行采集，采用近濕球溫度控制技術，計算出當前冷卻塔系統的最大冷卻能力和可以冷卻到的最大溫度值，再利用變頻技術對冷卻塔群進行聯合控制，使冷卻塔群在風電比的高效區運行，以達到節能目的。冷卻塔風機功率利用率與風量產生率隨風機頻率變化。由圖1 可知，風機功率利用率隨頻率上升而增大，同時風量發生率也增大，但兩者不是線性關系。在頻率為25～42Hz 時，冷卻塔風機功率利用率在13%～51%之間，而這時風量可達到55%～86%，該區間的平均電風比例為1:2.218。該區間兩側的平均電、風比均比此值低。由此得出：頻率25～42Hz 的區間是冷卻塔風機的高效區。所以，在滿足溫度需求的前提下，使冷卻塔風機運行在高效區時，節能效果最明顯。

圖1 風機功率與風量關系圖

隨著冷卻塔風量的上升，冷卻塔出水溫度下降，在達到一定風量后，即使再繼續增大風量，出水溫度也幾乎不再變化，這也印證了“出水溫度始終不會低于環境的濕球溫度”的理論。近濕球溫度控制技術采用了圖形分辨技術，分別對布水量變化、室外溫度變化、濕球變化、大氣壓變化進行分辨，盡量使冷卻塔的出水溫度接近濕球溫度。在本項目中，通過安裝能效控制柜對冷卻塔群進行控制后，系統將根據環境的濕球溫度找到冷卻塔風機運行的最佳頻率點，將風機運行頻率自動鎖定在風機高效運行的頻率范圍內，實現節能目的。

3 經濟效益分析

改造前循環水場年耗電量約為967 萬kW·h，節能改造后，雖然由于將水輪機改為電機增加了用電負荷，但通過提升水泵效率，重新匹配水泵流量及揚程，冷卻塔及水泵電機的變頻調節技術，預估年耗電量可降至668kW·h，循環水系統能耗下降幅度約為原電耗的30%。

4 結語

循環水系統節能改造有多種途徑，應根據實際工況分析尋求更適合原有系統的改造方案，利用現階段多種科學有效的節能技術使循環水系統達到最佳工況點，促進設備作業效率和化工生產效益的共同提升。