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1 引言
中石油西南油氣田分公司川西北氣礦淨化廠坐落在四川省江油市，以四川江油中壩氣田雷口坡氣藏天然氣為原料，對天然氣進行淨化加工，日處理量達50萬m3，是四川省重點企業。主要產品有:硫磺、石油、天然氣等，生產的化工產品遠銷國內外。西北氣礦淨化廠屬於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。
川西北氣礦淨化廠脫硫分廠有1#、2#兩台水泵，正常運行時“一用一備”，兩台均為直接工頻啟動，啟動電流大，既影響設備壽命又對電網產生較大衝擊。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，隻能靠調節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降耗改造。
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公司生產的HARSVERT-A直接高－高型變頻器對兩台循環水泵進行節能改造。 2 工況特點
2.1 工藝流程
川西北天然氣淨化廠脫硫循環水係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，經冷卻塔冷卻後流入中間池儲存;其中大部分水經循環水泵供脫硫裝置再度利用，多餘部分則由溢流溢出。工藝流程簡圖如圖1所示。
2.2 工藝要求
(1) 進出冷卻塔的溫差恒定
要求溫差範圍恒定(4℃<Δt<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) 最低壓力鉗位控製
要求變頻器在保證脫硫裝置入口水壓(大於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。
2.3 場地狀況
變頻器室長7200mm,寬3000mm。
2.4 現場儀器狀況
壓力變送器一塊:單路輸出4～20mA電流,負載能力300Ω(兩線製)。
溫差變送器一塊:單路輸出4～20mA電流,負載能力300Ω(四線製)。
2.5 電機及水泵參數
電機及水泵參數如表1所示。 表1 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 1475r/min 額定轉速 1450r/min
功率因數 0.86 3 現場調試及問題解決方案
3.1 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櫃分開擺放:將1#、2#變頻裝置(單台外型尺寸(mm)(W×H×D): 3300×2574×1200)並排擺放在變頻器室內，而旁路櫃則置於循環水泵現場。這樣擺放的結果既解決的場地問題，又方便操作人員;使其在循環水現場即能觀察到變頻器送電情況，兩全其美。
3.2 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,效率不高。因此決定采用“恒壓”閉環控製方法，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Δt穩定在4℃～8℃之間。經反複試驗論證，當給定頻率為43Hz時，水泵的壓力(0.51MPa)滿足工藝要求，溫差4.92℃，因此定43Hz為壓力臨界點。
調試參數表格如表2所示。 表2 調試參數表格 3.3 變送器負載能力
由於現場隻有一塊單路輸出的壓力變送器，且帶載能力隻有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;如將兩台變頻器的模擬輸入回路串聯的話，兩個EM235的輸入電阻即為500Ω，單台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台變頻裝置的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台變頻器EM235的模擬輸入。原理框圖如圖2所示。 此方法在不增加投入成本(硬件)的情況下，通過改寫PLC程序，使1#變頻器PLC的EM232模塊實時輸入一路壓力反饋信號，解決了壓力變送器負載能力不夠的問題，實現了單台壓力變送器拖動兩台變頻器的“閉環”控製。 4 節能計算
4.1 水泵變頻調速的節能原理
如圖3所示，根據流體力學原理:
圖3為擋板調節流量和變頻調節水量的能量比較圖，H2-B-C-H3組成的區域為變頻較擋板調節水量節省的功率。
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，變速前後水量、水壓、功率與轉速之間關係為:
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=(n1/n2)2
P1/P2=(n1/n2)3
P=H×Q
式中:Q1、H1、P1―水泵在n1轉速時的水量、水壓、功率;
Q2、H2、P2―水泵在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8000h，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係:H=A-(A-1)Q2，其中A為水泵出口封閉時的出口壓力，約為140%。
4.2 HARSVERT-A高壓變頻調速節能分析及計算由表3可以看出采用HARSVERT-A高壓變頻調速節能的情況采用閥門調節流量時，功耗等於流量Q和壓力H的乘積。各種流量的功耗計算如下:
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
率為(277.6-192.8)/277.6=30.5%
按循環水泵年運行時間為8000h，電費為0.70元/kWh，單台循環水泵年節電費為(277.6-192.8)×8000×0.70=47.5萬元。 5 節水方麵
由於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，多餘的循環水從溢流泵排出，造成了水量的浪費;變頻改造後通過高壓變頻器調節給定頻率，既減小了循環水量，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製。 6 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。使用變頻器後，節能效果明顯;出入口閥門全開，減少了閥門損失;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，控製水泵轉速，實現恒壓供水，大大提高了脫硫工藝的水平，具有良好的推廣價值。
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