【摘要】:本文结合川西北天然气净化厂实际工况,介绍了北京利德华福电气技术有限公司研制的单元串联多电平高压大功率变频器在脱硫循环水泵工艺中的应用。
【关键词】：高压大功率变频器、单元串联多电平、循环水泵、恒压供水、节能。
一、引言
中石油西南油气田分公司川西北气矿净化厂座落在四川省江油市，以四川江油中坝气田雷口坡气藏天然气为原料，对天然气进行净化加工，日处理量达50万立方米，是四川省重点企业。主要产品有：硫磺、石油液化气、天然气等，生产的化工产品远销国内外。西北气矿净化厂属于典型的石油化工行业，设备品种多、价值高、对设备完好率及连续运转可利用率要求较高。
川西北气矿净化厂脱硫分厂有1#、2#两台循环水泵，正常运行时“一用一备”，两台电机均为直接工频启动，启动电流大，既影响设备寿命又对电网产生较大冲击。脱硫工艺中,昼夜循环水温度变化较大,对循环水量要作出相应的调节。但原设备工频定速运行时，只能靠调节阀门的开度来调节循环水量的大小，通过人为改变管网的阻力，增加管网损耗来调节水量，造成相当大的一部分能量浪费在阀门上，致使电费居高不下。使用阀门调节流量，不仅不能够经济运行，而且增加了工人的工作量，调节不及时还会造成管网压力过高或过低，流量过大或过小，影响生产工艺及设备的安全运行。为了降低脱硫生产经济成本，提高工艺精度及工作效率，迫切需要对1#、2#循环水泵进行调速节能将耗改造。
经多次调研、考察，综合比较目前市场上的调速设备，最终决定采用北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A直接高－高型变频器对两台循环水泵进行节能改造。
二、工况特点
(一)工艺流程
川西北天然气净化厂脱硫循环水系统主要由以下五个部分组成：冷却塔、中间池、循环水泵、溢流泵、脱硫装置。自脱硫装置排出的循环热水，经冷却塔冷却后流入中间池储存；其中大部分水经循环水泵供脱硫装置再度利用，多余部分则由溢流管道溢出。简单工艺流程如下：
（二）工艺要求
1、进出冷却塔的温差恒定
要求温差范围恒定(4℃<△t<8℃)；如循环水泵阀门开大,水量增大,则冷却水温差减小，水量减小则温差增大。
2、最低压力钳位控制
要求变频器在保证脱硫装置入口水压(大于0.45Mpa)前提下，尽可能的节约循环水用水量，找到满足脱硫工艺生产要求的压力最低临界点。
（三）场地状况:
变频器室长7200mm,宽3000mm。(场地长度有限,无法并列摆放两台HARSVERT-A型变频器。)
（四）现场仪器仪表状况
压力变送器一块:单路输出4～20mA电流,负载能力300Ω（两线制）.
温差变送器一块:单路输出4～20mA电流,负载能力300Ω（四线制）.
（五）电机及水泵参数
三、现场调试及问题解决方案：
（一）场地问题
考虑到现场安装条件有限，现场决定将变频装置与手动旁路柜分开摆放：将1#、2#变频装置（单台外型尺寸(mm)(W×H×D)： 3300×2574×1200）并排摆放在变频器室内，而旁路柜则置于循环水泵现场。这样摆放的结果既解决了场地问题，又方便操作人员在循环水泵现场就能观察到变频器送电情况，两全其美。
（二）压力临界点
参考脱硫装置工艺要求，得出“压力”是保证脱硫生产的充分条件，即压力达到0.46Mpa，才能保证脱硫装置正常运行。泵出口压力过低则无法克服水的势能，无法将循环水送至冷却塔；压力过高则泵出水量增大，经冷却循环水的效率不高。因此决定采用“恒压”闭环控制方法，调整变频装置给定频率，找到工艺所需的压力最低临界点，使其即满足工艺所需压力又能保证循环水需求量，使进出冷却塔的温差△t稳定在4℃～8℃之间。经反复试验论证，当给定频率为43Hz时，水泵的压力（0.51 MPa）满足工艺要求，温差4.92℃ ，因此定43Hz为压力临界点。
调试参数表格如下：
（三）变送器负载能力
由于现场只有一块单路输出的压力变送器，且带载能力只有300Ω，而变频器内置S7-200型PLC的模拟量输入模块EM235的输入电阻为250Ω；如将两台变频器的模拟输入回路串联，两个EM235的输入电阻即为500Ω，单台压力变送器无法带动两个EM235模块，此方案不可行。因此现场将压力变送器接入单台变频装置的EM235模块，利用S7-200的模拟量输出模块EM232实时输出一路现场压力，用此输出信号作为另一台变频器EM235的模拟输入。原理框图如图2：
此方法在不增加投入成本(硬件)的情况下，通过改写PLC程序，使1#变频器PLC的EM232模块实时输入一路压力反馈信号，解决了压力变送器负载能力不够的问题，实现了单台压力变送器拖动两台变频器的“闭环”控制。
四、节能计算
(一)水泵变频调速的节能原理
根据流体力学原理：
图3为挡板调节流量和变频调节水量的能量比较图，H2-B-C-H3组成的区域为变频较挡板调节水量节省的功率。
当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变水量的性能曲线，使水泵的额定参数满足工艺要求，根据水泵的相似定律，变速前后水量、水压、功率与转速之间关系为：
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=（n1/n2）2
P1/P2=（n1/n2）3
P=H×Q
Q1 、H1、P1—风机在n1转速时的水量、水压、功率；
Q2、H2、P2—风机在n2转速时相似工况条件下的水量、水压、功率。
假如转速降低一半，即：n2/n1=1/2，则P2/P1=1/8，可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。
水泵功率为315KW，年运行时间8000小时，水泵流量Q和压力H在采用阀门调节流量时近似满足如下关系：H=A-(A-1)Q2，其中A为水泵出口封闭时的出口压力，约为140%。
(二)HARSVERT-A高压变频调速节能分析及计算
采用阀门调节流量时，功耗等于流量Q和压力H的乘积。各种流量的功耗计算如下：
P70%=315×0.75×（1.4-0.4×0.75×0.75）=277.6KW
采用变频调速时所消耗功率
P变频=1.732×4880×23.76×0.96=192.8 kW
节电率为（277.6-192.8）/277.6=30.5%
按循环水泵年运行时间为8000小时，电费0.70元/度，单台循环水泵年节电费为（277.6-192.8）×8000×0.70=47.5万元。
五、节水方面
由于脱硫工艺的特殊要求，冷却塔出入口温差的大小决定了循环水量的多少：变频改造前，冬天出入冷却塔温差较大，需水量较小，多余的循环水从溢流泵排出，造成了水量的浪费；变频改造后通过调节给定频率，即减小了循环水量又能保证脱硫工艺对水温的要求，水泵工作在高效区，溢流损失得到很好的控制。
六、结束语
实践证明：HARSVERT-A06/040型高压变频器在川西北循环水泵上的应用是成功的。使用变频器后，节能效果明显；出入口阀门全开，减少了阀门能耗损失；实现了电机的软启动，延长了电机的使用寿命；内置PLC通过采集现场的水压数据（4~20mA信号），根据其设定值和实际值的变化情况，自动调节变频器输出频率，控制水泵转速，实现恒压供水，大大提高了脱硫工艺的自动化水平，具有良好的使用价值。
