【摘要】:本文結合川西北天然氣凈化廠實際工況,介紹了北京利德華福電氣技術有限公司研制的單元串聯多電平高壓大功率變頻器在脫硫循環水泵工藝中的應用。
【關鍵詞】：高壓大功率變頻器、單元串聯多電平、循環水泵、恒壓供水、節能。
一、引言
中石油西南油氣田分公司川西北氣礦凈化廠座落在四川省江油市，以四川江油中壩氣田雷口坡氣藏天然氣為原料，對天然氣進行凈化加工，日處理量達50萬立方米，是四川省重點企業。主要產品有：硫磺、石油液化氣、天然氣等，生產的化工產品遠銷國內外。西北氣礦凈化廠屬于典型的石油化工行業，設備品種多、價值高、對設備完好率及連續運轉可利用率要求較高。
川西北氣礦凈化廠脫硫分廠有1#、2#兩臺循環水泵，正常運行時“一用一備”，兩臺電機均為直接工頻啟動，啟動電流大，既影響設備壽命又對電網產生較大沖擊。脫硫工藝中,晝夜循環水溫度變化較大,對循環水量要作出相應的調節。但原設備工頻定速運行時，只能靠調節閥門的開度來調節循環水量的大小，通過人為改變管網的阻力，增加管網損耗來調節水量，造成相當大的一部分能量浪費在閥門上，致使電費居高不下。使用閥門調節流量，不僅不能夠經濟運行，而且增加了工人的工作量，調節不及時還會造成管網壓力過高或過低，流量過大或過小，影響生產工藝及設備的安全運行。為了降低脫硫生產經濟成本，提高工藝精度及工作效率，迫切需要對1#、2#循環水泵進行調速節能將耗改造。
經多次調研、考察，綜合比較目前市場上的調速設備，最終決定采用北京利德華福電氣技術有限公司生產的HARSVERT-A直接高－高型變頻器對兩臺循環水泵進行節能改造。
二、工況特點
(一)工藝流程
川西北天然氣凈化廠脫硫循環水系統主要由以下五個部分組成：冷卻塔、中間池、循環水泵、溢流泵、脫硫裝置。自脫硫裝置排出的循環熱水，經冷卻塔冷卻后流入中間池儲存；其中大部分水經循環水泵供脫硫裝置再度利用，多余部分則由溢流管道溢出。簡單工藝流程如下：
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| 圖1 脫流工藝流程 |
（二）工藝要求
1、進出冷卻塔的溫差恒定
要求溫差范圍恒定(4℃<△t<8℃)；如循環水泵閥門開大,水量增大,則冷卻水溫差減小，水量減小則溫差增大。
2、最低壓力鉗位控制
要求變頻器在保證脫硫裝置入口水壓(大于0.45Mpa)前提下，盡可能的節約循環水用水量，找到滿足脫硫工藝生產要求的壓力最低臨界點。
（三）場地狀況:
變頻器室長7200mm,寬3000mm。(場地長度有限,無法并列擺放兩臺HARSVERT-A型變頻器。)
（四）現場儀器儀表狀況
壓力變送器一塊:單路輸出4～20mA電流,負載能力300Ω（兩線制）.
溫差變送器一塊:單路輸出4～20mA電流,負載能力300Ω（四線制）.
（五）電機及水泵參數
| 1#、2#電機參數 | 1#、2#循環水泵參數 | ||
| 電機型號 | Y3556-4/YKK400-4 | 水泵型號 | 14SH-9A |
| 額定功率 | 315kW | 額定功率 | 315kW |
| 額定電壓 | 6kV | 額定流量 | 1170m3/h |
| 額定電流 | 37.7A | 額定揚程 | 65m |
| 額定轉速 | 1475rpm | 額定轉速 | 1450rpm |
| 功率因數 | 0.86 | ||
三、現場調試及問題解決方案：
（一）場地問題
考慮到現場安裝條件有限，現場決定將變頻裝置與手動旁路柜分開擺放：將1#、2#變頻裝置（單臺外型尺寸(mm)(W×H×D)： 3300×2574×1200）并排擺放在變頻器室內，而旁路柜則置于循環水泵現場。這樣擺放的結果既解決了場地問題，又方便操作人員在循環水泵現場就能觀察到變頻器送電情況，兩全其美。
（二）壓力臨界點
參考脫硫裝置工藝要求，得出“壓力”是保證脫硫生產的充分條件，即壓力達到0.46Mpa，才能保證脫硫裝置正常運行。泵出口壓力過低則無法克服水的勢能，無法將循環水送至冷卻塔；壓力過高則泵出水量增大，經冷卻循環水的效率不高。因此決定采用“恒壓”閉環控制方法，調整變頻裝置給定頻率，找到工藝所需的壓力最低臨界點，使其即滿足工藝所需壓力又能保證循環水需求量，使進出冷卻塔的溫差△t穩定在4℃～8℃之間。經反復試驗論證，當給定頻率為43Hz時，水泵的壓力（0.51 MPa）滿足工藝要求，溫差4.92℃ ，因此定43Hz為壓力臨界點。
調試參數表格如下：
| 給定頻率 | 輸入電壓 | 輸入電流 | 輸出電壓 | 輸出電流 | 電機轉速 | 反饋壓力 |
| 20Hz | 6.02 kV | 4.68A | 2.24 V | 8.64 A | 592rpm | 0.15 MPa |
| 30 Hz | 5.98 kV | 9.6A | 3.48 V | 10.8 A | 888 rpm | 0.25 MPa |
| 40 Hz | 5.98 kV | 14.4A | 4.74 V | 19.4 A | 1184 rpm | 0.45 MPa |
| 45 Hz | 5.98 kV | 22.6A | 5.40 V | 25.92 A | 1332 rpm | 0.55 MPa |
| 50 Hz | 5.94 kV | 27.8A | 5.82 V | 31.2 A | 1480 rpm | 0.72 MPa |
| 43 Hz | 5.98 kV | 19.3 A | 4.84 V | 23.74 A | 1272.8 rpm | 0.51 MPa |
| 42.5 Hz | 5.98 kV | 17.5 A | 4.76 V | 22.32 A | 1258 rpm | 0.48 MPa |
| 42 Hz | 5.94 kV | 17.1 A | 4.72 V | 22.2 A | 1243.2 rpm | 0.46 MPa |
（三）變送器負載能力
由于現場只有一塊單路輸出的壓力變送器，且帶載能力只有300Ω，而變頻器內置S7-200型PLC的模擬量輸入模塊EM235的輸入電阻為250Ω；如將兩臺變頻器的模擬輸入回路串聯，兩個EM235的輸入電阻即為500Ω，單臺壓力變送器無法帶動兩個EM235模塊，此方案不可行。因此現場將壓力變送器接入單臺變頻裝置的EM235模塊，利用S7-200的模擬量輸出模塊EM232實時輸出一路現場壓力，用此輸出信號作為另一臺變頻器EM235的模擬輸入。原理框圖如圖2：
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| 圖2 |
四、節能計算
(一)水泵變頻調速的節能原理
根據流體力學原理：
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| 圖3 |
當采用變頻調速時，可以按需要升降電機轉速，改變水量的性能曲線，使水泵的額定參數滿足工藝要求，根據水泵的相似定律，變速前后水量、水壓、功率與轉速之間關系為：
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=（n1/n2）2
P1/P2=（n1/n2）3
P=H×Q
Q1 、H1、P1—風機在n1轉速時的水量、水壓、功率；
Q2、H2、P2—風機在n2轉速時相似工況條件下的水量、水壓、功率。
假如轉速降低一半，即：n2/n1=1/2，則P2/P1=1/8，可見降低轉速能大大降低軸功率達到節能的目的。
水泵功率為315KW，年運行時間8000小時，水泵流量Q和壓力H在采用閥門調節流量時近似滿足如下關系：H=A-(A-1)Q2，其中A為水泵出口封閉時的出口壓力，約為140%。
(二)HARSVERT-A高壓變頻調速節能分析及計算
| 改造前電機及水泵參數 | 改造后電機及水泵參數（43Hz） | ||
| 電機輸入電壓 | 6000V | 電機輸入電壓 | 4880V |
| 電機輸入電流 | 28A | 電機輸入電流 | 23.76A |
| 功率因數 | 0.86 | 功率因數 | 0.96 |
| 閥門開度 | 75％～90％ | 閥門開度 | 100％ |
| 水量 | 約950 m3 /h | 水量 | - |
| 水壓 | 0.6MPa | 水壓 | 0.5MPa |
P70%=315×0.75×（1.4-0.4×0.75×0.75）=277.6KW
采用變頻調速時所消耗功率
P變頻=1.732×4880×23.76×0.96=192.8 kW
節電率為（277.6-192.8）/277.6=30.5%
按循環水泵年運行時間為8000小時，電費0.70元/度，單臺循環水泵年節電費為（277.6-192.8）×8000×0.70=47.5萬元。
五、節水方面
由于脫硫工藝的特殊要求，冷卻塔出入口溫差的大小決定了循環水量的多少：變頻改造前，冬天出入冷卻塔溫差較大，需水量較小，多余的循環水從溢流泵排出，造成了水量的浪費；變頻改造后通過調節給定頻率，即減小了循環水量又能保證脫硫工藝對水溫的要求，水泵工作在高效區，溢流損失得到很好的控制。
六、結束語
實踐證明：HARSVERT-A06/040型高壓變頻器在川西北循環水泵上的應用是成功的。使用變頻器后，節能效果明顯；出入口閥門全開，減少了閥門能耗損失；實現了電機的軟啟動，延長了電機的使用壽命；內置PLC通過采集現場的水壓數據（4~20mA信號），根據其設定值和實際值的變化情況，自動調節變頻器輸出頻率，控制水泵轉速，實現恒壓供水，大大提高了脫硫工藝的自動化水平，具有良好的使用價值。