機(jī)泵節(jié)能技術(shù)在延遲焦化裝置中的應(yīng)用

機(jī)泵節(jié)能技術(shù)在延遲焦化裝置中的應(yīng)用

劉健1， 王燮理2， 黃永芳2， 宋曉峰1， 楊俊飛1

(1.中國(guó)石化 洛陽(yáng)分公司 ， 河南 洛陽(yáng)471012 ； 2.洛陽(yáng)石化工程設(shè)計(jì)有限公司 ， 河南 洛陽(yáng)471012)

摘要：合理運(yùn)用機(jī)泵節(jié)能技術(shù)提高機(jī)泵的設(shè)計(jì)或運(yùn)行效率是機(jī)泵節(jié)能的關(guān)鍵所在。本文從理論上闡述了切削葉輪外徑和變速調(diào)節(jié)的原理和應(yīng)用依據(jù)，介紹了以上兩種機(jī)泵節(jié)能技術(shù)在延遲焦化裝置中的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：機(jī)泵 ； 延遲焦化 ； 葉輪切削 ； 變頻

中圖分類號(hào)：TQ050.3

收稿日期：2015-03-21

作者簡(jiǎn)介：劉健(1987-)，男，助理工程師，從事渣油加工工藝工作，電話：15838896495。

0前言

延遲焦化裝置的能源消耗有水(包括新鮮水、循環(huán)水、除氧水、除鹽水)、電、蒸汽(0.4 MPa蒸汽、1.0 MPa蒸汽、3.5 MPa蒸汽)、燃料氣、氮?dú)?、儀表風(fēng)、工業(yè)風(fēng)等構(gòu)成，其中電的消耗約占到裝置總能耗的12%，機(jī)泵是延遲焦化裝置最重要的設(shè)備之一，其用電量占裝置總用電量的70%以上，因此做好機(jī)泵的運(yùn)行情況分析，抓好其節(jié)能改造，將會(huì)為企業(yè)創(chuàng)造很大的經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)泵研發(fā)單位側(cè)重設(shè)備的壽命、效率，使用單位側(cè)重于它的功率、揚(yáng)程， 只要省電就達(dá)到了節(jié)能的目的。機(jī)泵節(jié)能途徑主要包括泵本身的節(jié)能、系統(tǒng)節(jié)能、運(yùn)行節(jié)能和管理節(jié)能四個(gè)方面，作為生產(chǎn)裝置，只能在運(yùn)行節(jié)能和管理節(jié)能上下功夫。

1節(jié)能技術(shù)

在實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)泵常常在遠(yuǎn)離最佳工況點(diǎn)位置上運(yùn)行，能耗大、效率低。出現(xiàn)這種情況主要有以下兩種情況：一是設(shè)計(jì)單位在機(jī)泵的設(shè)計(jì)選型時(shí)所選的流量富余量過(guò)大，這必然會(huì)導(dǎo)致機(jī)泵在低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行，其運(yùn)行效率較低，同時(shí)為了滿足工藝要求又必須在機(jī)泵的出口管路上安裝節(jié)流調(diào)節(jié)裝置，造成很大一部分電能損耗在節(jié)流裝置上；二是機(jī)泵揚(yáng)程富裕量過(guò)大，導(dǎo)致機(jī)泵功耗大，尤其是在輸送減壓渣油等黏稠液體時(shí)，流體經(jīng)泵的阻力損耗隨黏度的增大而增大，并且泵的機(jī)械損耗功率中的輪阻損耗也隨黏度的增大而增大，導(dǎo)致泵的效率進(jìn)一步下降。要改變現(xiàn)狀，就需要運(yùn)用機(jī)泵節(jié)能技術(shù)來(lái)改善機(jī)泵的運(yùn)行工況，使其處于高效工況下運(yùn)行。常用的機(jī)泵節(jié)能技術(shù)有切削葉輪外徑和變速調(diào)節(jié)。

1.1切削葉輪外徑

對(duì)于工藝參數(shù)基本穩(wěn)定，泵選用過(guò)大，現(xiàn)場(chǎng)采用關(guān)小閥門來(lái)調(diào)節(jié)流量，造成泵的工作流量遠(yuǎn)低于額定流量，工作壓力遠(yuǎn)高于額定壓力的情況，可以采用切割葉輪外徑的方式調(diào)節(jié)。將離心泵葉輪外徑變小，可使在同一轉(zhuǎn)速下泵的特性曲線改變，從而改變泵的工作點(diǎn)。根據(jù)機(jī)泵的葉輪切削公式：

Q1/Q=D1/D

(1)

H1/H=(D1/D)2

(2)

N1/N=(D1/D)3

(3)

其中，D1、Q1、H1、N1分別為切削后的葉輪直徑、流量、揚(yáng)程、電機(jī)功率；D、Q、H、N分別為切削前的葉輪直徑、流量、揚(yáng)程、電機(jī)功率。

通過(guò)公式(1)(2)(3)可以計(jì)算出不同改造目的下的葉輪切削量。切削定律是建立在大量感性實(shí)驗(yàn)資料的基礎(chǔ)之上，當(dāng)切削量控制在一定限度內(nèi)時(shí)，機(jī)泵的效率被視為不變。而切削的限度與機(jī)泵的比轉(zhuǎn)速有關(guān)，根據(jù)公式(4)可以計(jì)算出機(jī)泵的比轉(zhuǎn)速，

ns=3.65nQ0.5H0.75

(4)

其中ns是比轉(zhuǎn)速，n是轉(zhuǎn)速，Q是流量，H是揚(yáng)程。常用的葉輪切削量如表1所示[1]。

表1　常用的葉輪切削量

1.2變速調(diào)節(jié)

變速調(diào)節(jié)是在管路特性曲線不變的情況下，通過(guò)變速來(lái)改變泵的性能曲線，從而改變工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)方式。變速調(diào)節(jié)范圍不宜太大，通常最低轉(zhuǎn)速不宜小于額定轉(zhuǎn)速的50%，一般為70%～100%，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于泵額定轉(zhuǎn)速50%時(shí)，泵本身效率下降明顯，是不經(jīng)濟(jì)的。選擇變速調(diào)節(jié)裝置時(shí)要考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)諸方面的因素，綜合分析比較，擇優(yōu)而行，以求最大的經(jīng)濟(jì)效益。煉廠常用的變速調(diào)節(jié)裝置為交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)不但具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便、操作簡(jiǎn)化、機(jī)械特性硬、調(diào)速范圍寬、過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且能使機(jī)泵啟動(dòng)電流大大降低，實(shí)行軟啟動(dòng)，緩解對(duì)電網(wǎng)的沖擊。因此交流變頻調(diào)速系統(tǒng)是交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)的最佳選擇。

機(jī)泵的軸功率N=pQ，其中p為泵出口壓力，Q為泵出口流量，即泵的軸功率與泵的出口壓力和泵的出口流量成正比關(guān)系，泵的出口流量越大，泵的軸功率越大，泵消耗的電能就越多。泵的流量Q、泵的出口壓力p均與泵的葉輪轉(zhuǎn)速n有關(guān)，對(duì)于同一臺(tái)泵有如下關(guān)系：

Q∝n，H∝n2

(5)

因此，泵的功率與轉(zhuǎn)速n3成正比，如果泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速n如果成比例地下降，此時(shí)軸輸出功率P就會(huì)成立方關(guān)系下降，即泵電機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方關(guān)系的下降[1]。而交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與供電頻率有關(guān)：

n=60f(1-s)/p′

(6)

其中：f是供電頻率，s是轉(zhuǎn)差率，p′是電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。如果均勻地改變供電頻率，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)均勻地改變，因此可以通過(guò)降低供電頻率使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，進(jìn)而達(dá)到降低電能消耗的目的。

2節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

2.1加熱爐進(jìn)料泵的葉輪切削

加熱爐進(jìn)料泵P1102A/B是輸送渣油和循環(huán)油混合物的關(guān)鍵設(shè)備，加熱爐進(jìn)料泵主要性能參數(shù)：介質(zhì)，減壓渣油+循環(huán)油；腐蝕/磨蝕成分，含焦粉，硫含量2.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；入口壓力，0.42 MPa(G)；揚(yáng)程，400 m；葉輪直徑，5.5 mm；操作溫度，308.5 ℃；額定流量，273.2 m3/h；泵軸功率，347 kW；額定轉(zhuǎn)速，2 985 r/min；額定電壓，6 000 V。進(jìn)料泵工作介質(zhì)性質(zhì)如表2、表3所示。

該泵操作條件苛刻，操作溫度高，主泵國(guó)外生產(chǎn)，電機(jī)國(guó)產(chǎn)。備泵全部國(guó)產(chǎn)，兩臺(tái)泵均由電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)，泵組采用聯(lián)合底座。泵及電機(jī)軸承均為自潤(rùn)滑，泵組不設(shè)潤(rùn)滑油站。兩臺(tái)泵材質(zhì)均為API610C-6級(jí)，P1102A泵型為垂直剖分型單殼體離心泵，首級(jí)雙吸，中心線支撐，三級(jí)葉輪；P1102B泵型為垂直剖分雙殼體多級(jí)離心泵，中心線支撐，五級(jí)葉輪。兩臺(tái)泵的機(jī)械密封均為單端面機(jī)械密封。

表2　減壓混合渣油的性質(zhì)

注：表中涉及含量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

隨著裝置的不斷技術(shù)攻關(guān)，裝置循環(huán)比從設(shè)計(jì)的0.3降低至0.2以下，在實(shí)際生產(chǎn)中加熱爐進(jìn)料泵的出口流量為170～220 m3/h，流量富余量較大，四路進(jìn)料調(diào)節(jié)閥開度在15%～30%，調(diào)節(jié)閥節(jié)流造成的壓頭損失較大，泵運(yùn)行效率低。在加熱爐實(shí)現(xiàn)定期機(jī)械清焦或蒸汽在線剝離清焦后，渣油在加熱爐爐管內(nèi)的壓頭損失可控制在0.7～1.2 MPa，加熱爐出口壓力為0.3 MPa左右，加熱爐分支進(jìn)料壓力達(dá)到1.0～1.5 MPa即可，從操作數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)泵的揚(yáng)程不小于340 m時(shí)，即可滿足工藝需要，遠(yuǎn)小于泵的正常揚(yáng)程。為了進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)，綜合考慮改造成本和安全因素，焦化裝置對(duì)加熱爐進(jìn)料泵P1102B進(jìn)行了葉輪切削改造。

根據(jù)公式(4)計(jì)算出P1102B的比轉(zhuǎn)速為33.56 r/min，根據(jù)表1計(jì)算可知，該泵的最大允許切削量為61.8 mm。為保證泵留有一定的操作余量以適應(yīng)裝置處理劣質(zhì)渣油或者超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的工藝需要，揚(yáng)程按350 m進(jìn)行改造。根據(jù)公式(2)計(jì)算出切削后的葉輪尺寸為289 mm，確定切削量定為20 mm，小于最大允許切削量，符合要求。P1102B葉輪切削后，運(yùn)行工況穩(wěn)定，能夠滿足工藝生產(chǎn)的需要。又公式(3)可以計(jì)算出葉輪切削后的電機(jī)功率約為284 kW，一年運(yùn)行時(shí)間按180天計(jì)，電的單價(jià)按0.48元/kW·h計(jì)算，每年可節(jié)約用電成本13萬(wàn)余元。

2.2電機(jī)增設(shè)變頻控制

根據(jù)機(jī)泵現(xiàn)狀和生產(chǎn)實(shí)際，焦化裝置對(duì)頂循回流泵(P1104A)、中段回流泵(P1106A)、接觸冷卻塔底泵(P1111A)和冷焦水泵(P1422A)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)增設(shè)了變頻控制。這四臺(tái)泵的流量隨生焦節(jié)點(diǎn)的變化而變化，且變化幅度大，符合設(shè)置變頻控制的條件。由于普通電機(jī)為直接啟動(dòng)或Y/D啟動(dòng)，啟動(dòng)電流為4～7倍額定電流， 這樣會(huì)給機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會(huì)對(duì)電網(wǎng)容量要求過(guò)高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)對(duì)泵體和閥門的損害極大，對(duì)設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。采用變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著電機(jī)的加速相應(yīng)提高頻率和電壓， 啟動(dòng)電流被限制在150%額定電流以下(根據(jù)機(jī)種不同，為125%～200%)，傳動(dòng)可以平滑地啟動(dòng)(啟動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng))。啟動(dòng)電流為額定電流的1.2～1.5 倍，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為70%～120%額定轉(zhuǎn)矩；對(duì)于帶有轉(zhuǎn)矩自動(dòng)增強(qiáng)功能的變頻器，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為100%以上，可以帶全負(fù)載啟動(dòng)，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求，延長(zhǎng)了設(shè)備和閥門的使用壽命，節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用[2-3]。

為了驗(yàn)證直觀節(jié)電效果，選取2014年1～6月各機(jī)泵運(yùn)行參數(shù)的均值來(lái)計(jì)算，如表3所示。其中頂循回流泵(P1104A)、中段回流泵(P1106A)和冷卻塔底泵(P1111A)為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，每年使用時(shí)間為180天；冷焦水泵(P1422A)為間歇使用，換算成連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為45天；電單價(jià)按0.48元/kW·h計(jì)算，每年可減少用電成本電共計(jì)31萬(wàn)余元。另外，使用變頻裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，cosφ約等于1，從而減少了無(wú)功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。

表3　變頻機(jī)泵節(jié)能效果

3結(jié)論

葉輪切削和變頻控制兩種機(jī)泵節(jié)能技術(shù)在延遲焦化裝置得到了成功應(yīng)用。其中對(duì)加熱爐進(jìn)料泵(P1102B)進(jìn)行葉輪外徑切削改造；對(duì)頂循回流泵(P1104A)、中段回流泵(P1106A)、接觸冷卻塔底泵(P1111A)和冷焦水泵(P1422A)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)增設(shè)變頻控制。事實(shí)證明，節(jié)能技術(shù)改造后，各機(jī)泵運(yùn)行平穩(wěn)，能夠滿足安全生產(chǎn)需要，有效提高了機(jī)泵的運(yùn)行效率，每年可為裝置減少用電成本電44萬(wàn)余元。

參考文獻(xiàn)：

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