循环水整体优化节电项目的成功应用

马庆峰（中国石化齐鲁石化股份有限公司供排水厂）

1 存在问题

1.1 第三循环水场主要用电设备

乙烯水务车间循环水量设计值为17 500 m3/h，共有5 台单级双吸离心式循环水泵，另有6 台冷却塔冷却风机。循环水泵和冷却风机皆为电动机驱动，原循环水泵主要性能参数见表1，冷却风机主要性能参数见表2。

表1 三循原循环水泵主要性能参数

表2 三循冷却风机主要性能参数

循环水泵和冷却风机是循环水场大型的用电设备。循环水泵用于将冷却塔水池中的冷却水加压后供给生产装置换热设备循环使用，是循环水系统的“动力心脏”，其功率大，耗电最多。冷却风机是循环水场耗电量仅次于循环水泵的重要设备，为冷却塔提供稳定的空气流，将回塔热水冷却后，把湿热空气及时排除塔外，以确保冷却塔始终保持稳定的冷却效果[1]。

1.2 用电生产成本

循环水生产成本主要包括电量、补水量、排污水量、药剂消耗量等形成的相应费用（未包括设备折旧及人工费用等）。由于循环水量大，造成循环水泵和冷却风机耗电量居高不下，高居各项费用之首[2]。三循节能改造前的耗电费用在总成本中的占比情况见表3。

表3 2014 年三循耗电费用在总成本中的占比统计

统计数据显示，三循月度电量费用平均值在循环水成本中占比高达83.1%，最大值85.7%，最小值79.3%，用电生产成本高已成为影响三循经济运行水平的主要问题。

1.3 耗电量大

三循耗电量大原因分析如下：

1）循环水泵及供水管路设计不合理。通过对三循循环水泵出口压力、供水总管压力的检测发现，循环水泵P-1 出口压力为0.55 MPa， P-7 出口压力为0.60 MPa， 循环水供水总管压力为0.49～0.54 MPa，泵出口阀均未全开，有节流现象。另外，各台循环水泵进出口均存在90°虾米弯管。这说明设计和运行工况存在明显不合理，从而造成水流损失能量较大[3]。

2） 循环水泵实际运行效率低。实际测试显示，三循循环水泵的运行效率只有65%左右。虽然泵铭牌标称效率为90%左右，但由于国家标准在泵流量、效率方面制定的允许偏差较大，造成泵实际运行效率很难达到标称效率。水泵实际运行工作点偏离最佳工况点，导致运行效率降低。循环水系统富余压力大。三循供水生产装置中只有极少数换热器高度在25 m，其余换热器标高均较低，而循环水供水压力为0.49～0.54 MPa，可判断系统存在较大的富余压力，如果对极少数的高位换热器进行单独加压处理（如在换热器前增设管道加压泵），则可以降低循环水整个系统压力，从而降低循环水泵运行电耗。

3）三循供水用户多。三循所供循环冷却水用户共有4 套化工生产装置，由于其工艺流程复杂、换热器类型繁多、生产工况差异性大，造成循环水系统水量调整难以协调一致，运行工况较差。

综合以上原因分析，说明三循具有较大的节能可行性和优化空间。乙烯水务车间在公司和厂部的大力支持下，于2015 年启动三循循环水整体优化节电改造项目，以改善高耗电现状，实现节能降耗、降本增效的目标。

2 循环水整体优化节电改造方案

2.1 原循环水泵更换为高效率节能型泵

1）节能型泵设计。叶轮是循环水泵的核心部件，在很大程度上决定了整台泵的性能优劣。三循节能型泵采用先进的三维CAD-CFD 叶片泵整体优化技术，以遗传算法为优化工具，以叶片形状参数为优化目标进行精确设计。该设计系统包含4 个模块，其基本结构及功能见图1。

2） 节能型泵性能[4]。根据循环水系统运行压力、流量等参数，利用“基于NSGA-Ⅱ的CADCFD 联合整体优化设计技术”对三循原5 台循环水泵进行量身定做，全部更换为节能型泵，其中3 台循环水泵P-7A/B/C 额定流量由原来3 168 m3/h 降为3 000 m3/h，循环水泵P-1B 额定扬程由原62 m 降为61 m。同时，用特制节能型弯头代替原各台循环水泵进出口90°虾米弯管，以减低水流动能量损失。泵叶轮和蜗壳做防汽蚀喷涂。泵轴承采用SKF，轴封采用机械密封。其主要性能及运行参数如下：

◇泵运行效率大于88%；

◇泵与电动机轴承温升不超过40 ℃，最高温度不超过75℃；

◇泵标准点噪声不大于80 dB（A）；

◇泵轴承振动值不大于2.8 mm/s。

2.2 采用高压变频装置实现调速控制

根据离心泵相似定律可知，功率与转速的立方成正比，转速下降，则功率随之减小。而泵转速与电动机交流电频率成正比，交流电频率降低，则电动机转速随之下降。循环水泵及冷却风机的变频节电皆是根据这一变频原理来实现的。

图1 “基于NSGA-Ⅱ的CAD-CFD 联合整体优化技术”的功能模块

另外，离心式循环水泵在额定工况下运行的效率最高，如偏离额定工况，效率将会下降，而泵运行的最佳工况点是由泵特性曲线和管路特性曲线共同确定的[5-6]。系统的循环水量时常需要根据生产负荷、工艺条件、设备运行状况及水质条件等因素进行相应调整，这也就使得水泵运行工况点处于不断变化中。为了始终在最佳工况下高效运行，水泵须具备无级调节功能。因此采用变频调速来控制泵的实际运行转速，确保水泵在较高效率点运行，是一个较为理想的选择。最终，三循确定选用ZINVERT型智能高压变频器对P-1B 进行变频调速，以实现节电、高效运行。

ZINVERT 系列智能高压变频调速系统采用功率单元串联技术，主控制器采用最新电动机控制专用双数字信号处理器（DSP），以超大规模集成电路可编程器件（CPLD 和FPGA）为核心，配合数据采集、单元控制和光纤通信回路以及内置的可编程逻辑控制器构成系统控制部分。该设备由旁路柜、移相变压器柜、功率单元柜及控制柜组成，具有频率设定、断电恢复再启动、旁路应用、单元直流电压显示、参数设定、故障报警、保护配置等多项功能，是较为先进的变频设备。

冷却风机变频调速控制优化内容如下：

1） 利用变频器对1#冷却风机实施转速调控，根据季节及水温变化情况调整风机转速。

2） 增设冷却风机检测元件，测量结果传入DCS 系统中显示。

2.3 生产装置换热器运行工况优化

对三循所供循环冷却水的4 套生产装置换热器工艺运行工况进行现场检测，根据检测结果建立热力计算模型，对供回水温差，流量、压力、管网阻力及水泵运行效率等进行建模分析，计算出极限工况条件下的运行数据，建立换热网络优化和管网水力优化数学模型，确定总管网最优循环水量。根据系统运行特征进行优化，在确保生产安全的前提下，多次调整生产装置循环水阀门开度及装置内用水量大的换热器阀门开度，降低整个系统供水量。现系统供水压力已从改造前的0.56 MPa 降至0.48 MPa，循环水量也由原来的16 000 m3/h 降至14 500 m3/h。

3 节电改造效果

3.1 节能改造前后耗电量对比

三循2017 年上半年完成节能改造优化项目并投入试运行， 正常情况下，运行3 台小泵P-7A/B/C及1 台大泵P-1B（变频调速控制），备用泵为大泵P-1A。经过再调整、稳定运行等阶段，于2017 年11 月正式达到稳定节电运行状态，称为节电运行模式。

三循节电优化改造前后耗电量及节电量统计数据见表4，改造前后耗电量对比情况见图2。

表4 三循节电改造后耗电量及节电量统计

改造前的耗电量数据采用的是2013 年11 月、12 月及2014 年1—10 月数据作为基准数据。改造后的耗电量数据采用的是2017 年11 月、12 月及2018年1—9 月节电模式运行期间的数据。

图2 三循节电优化改造前后耗电量对比变化趋势

2018 年4 月24 日，由于循环水泵P-7C 电动机故障需要下线维修，而改为P-1A、P-1B 共2 台大泵运行，节电量有所减少。夏季，由于水温较高，为了确保安全生产，需要增加循环水量来保证生产装置换热器的冷却效果，所以，三循根据实际情况进行相应工艺调整，运行3 台小泵P-7A/B/C 及1 台大泵P-1A，变频泵P-1B 停用而作为备用，从而造成节电效果不显著。8 月份立秋后，循环水泵恢复原节电运行模式，耗电量当即明显下降。所以，图2 中4—7 月的节电改造后耗电量曲线有靠近改造前耗电量曲线的趋势，两条曲线相距较近，说明节电量较少，而其它月份两条曲线上下相距较大，说明节电量较多。

2017 年11 月至2018 年9 月数据统计，三循实施节电优化改造后，平均每月节电率为19.2%，如果排除2018 年4—7 月P-7C 泵故障及夏季高温因素，真正发挥节电效能的月度节电率平均值为23.9%，节电效果比较显著。

3.2 节电改造后耗电费用成本

三循节能改造后的耗电费用在循环水生产成本中的占比情况见表5。

表5 节能改造后耗电费用在生产成本中的占比统计

数据统计显示，三循节能改造后的月度电量费用平均值在循环水成本中已降至78.1%，比原来减少5.0%，取得了较为明显的成效。

4 结论

三循自实施节能优化改造并正式投入运行11个月以来，节电量共计545.7×104kWh，按照电单价0.591 1 元/kWh 计算，节电效益为322.5 万元，平均每月节电29.3 万元，节电效益十分显著，循环水经济运行水平大幅提高，可认为三循节能改造比较成功。

由于三循节能改造后运行时间较短，需要继续关注实际运行工况及节电效果。同时，应对循环水系统节电与安全保供之间的协调配合继续进行有益探索，对生产异常用电及生产负荷波动情况制定应急预案，做到在安全保供的前提下最大化节约用电，努力降低生产成本，不断提高循环水经济运行水平。