機泵節(jié)能技術在延遲焦化裝置中的應用

劉健1， 王燮理2， 黃永芳2， 宋曉峰1， 楊俊飛1

(1.中國石化 洛陽分公司 ， 河南 洛陽471012 ； 2.洛陽石化工程設計有限公司 ， 河南 洛陽471012)

摘要：合理運用機泵節(jié)能技術提高機泵的設計或運行效率是機泵節(jié)能的關鍵所在。本文從理論上闡述了切削葉輪外徑和變速調節(jié)的原理和應用依據(jù)，介紹了以上兩種機泵節(jié)能技術在延遲焦化裝置中的應用情況。

關鍵詞：機泵 ； 延遲焦化 ； 葉輪切削 ； 變頻

中圖分類號：TQ050.3

收稿日期：2015-03-21

作者簡介：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、氮氣、儀表風、工業(yè)風等構成，其中電的消耗約占到裝置總能耗的12%，機泵是延遲焦化裝置最重要的設備之一，其用電量占裝置總用電量的70%以上，因此做好機泵的運行情況分析，抓好其節(jié)能改造，將會為企業(yè)創(chuàng)造很大的經濟效益。機泵研發(fā)單位側重設備的壽命、效率，使用單位側重于它的功率、揚程， 只要省電就達到了節(jié)能的目的。機泵節(jié)能途徑主要包括泵本身的節(jié)能、系統(tǒng)節(jié)能、運行節(jié)能和管理節(jié)能四個方面，作為生產裝置，只能在運行節(jié)能和管理節(jié)能上下功夫。

1節(jié)能技術

在實際生產中，機泵常常在遠離最佳工況點位置上運行，能耗大、效率低。出現(xiàn)這種情況主要有以下兩種情況：一是設計單位在機泵的設計選型時所選的流量富余量過大，這必然會導致機泵在低負荷區(qū)運行，其運行效率較低，同時為了滿足工藝要求又必須在機泵的出口管路上安裝節(jié)流調節(jié)裝置，造成很大一部分電能損耗在節(jié)流裝置上；二是機泵揚程富裕量過大，導致機泵功耗大，尤其是在輸送減壓渣油等黏稠液體時，流體經泵的阻力損耗隨黏度的增大而增大，并且泵的機械損耗功率中的輪阻損耗也隨黏度的增大而增大，導致泵的效率進一步下降。要改變現(xiàn)狀，就需要運用機泵節(jié)能技術來改善機泵的運行工況，使其處于高效工況下運行。常用的機泵節(jié)能技術有切削葉輪外徑和變速調節(jié)。

1.1切削葉輪外徑

對于工藝參數(shù)基本穩(wěn)定，泵選用過大，現(xiàn)場采用關小閥門來調節(jié)流量，造成泵的工作流量遠低于額定流量，工作壓力遠高于額定壓力的情況，可以采用切割葉輪外徑的方式調節(jié)。將離心泵葉輪外徑變小，可使在同一轉速下泵的特性曲線改變，從而改變泵的工作點。根據(jù)機泵的葉輪切削公式：

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、揚程、電機功率；D、Q、H、N分別為切削前的葉輪直徑、流量、揚程、電機功率。

通過公式(1)(2)(3)可以計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驗資料的基礎之上，當切削量控制在一定限度內時，機泵的效率被視為不變。而切削的限度與機泵的比轉速有關，根據(jù)公式(4)可以計算出機泵的比轉速，

ns=3.65nQ0.5H0.75

(4)

其中ns是比轉速，n是轉速，Q是流量，H是揚程。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變速調節(jié)

變速調節(jié)是在管路特性曲線不變的情況下，通過變速來改變泵的性能曲線，從而改變工作點的調節(jié)方式。變速調節(jié)范圍不宜太大，通常最低轉速不宜小于額定轉速的50%，一般為70%～100%，當轉速低于泵額定轉速50%時，泵本身效率下降明顯，是不經濟的。選擇變速調節(jié)裝置時要考慮技術、經濟諸方面的因素，綜合分析比較，擇優(yōu)而行，以求最大的經濟效益。煉廠常用的變速調節(jié)裝置為交流變頻調速系統(tǒng)，該系統(tǒng)不但具有結構簡單、安裝維護方便、操作簡化、機械特性硬、調速范圍寬、過載能力強等優(yōu)點，而且能使機泵啟動電流大大降低，實行軟啟動，緩解對電網的沖擊。因此交流變頻調速系統(tǒng)是交流異步電動機調節(jié)的最佳選擇。

機泵的軸功率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均與泵的葉輪轉速n有關，對于同一臺泵有如下關系：

Q∝n，H∝n2

(5)

因此，泵的功率與轉速n3成正比，如果泵的效率一定，當要求調節(jié)流量下降時，轉速n如果成比例地下降，此時軸輸出功率P就會成立方關系下降，即泵電機的耗電功率與轉速近似成立方關系的下降[1]。而交流電動機的轉速與供電頻率有關：

n=60f(1-s)/p′

(6)

其中：f是供電頻率，s是轉差率，p′是電機磁極對數(shù)。如果均勻地改變供電頻率，電動機的轉速就會均勻地改變，因此可以通過降低供電頻率使電動機的轉速降低，進而達到降低電能消耗的目的。

2節(jié)能技術應用

2.1加熱爐進料泵的葉輪切削

加熱爐進料泵P1102A/B是輸送渣油和循環(huán)油混合物的關鍵設備，加熱爐進料泵主要性能參數(shù)：介質，減壓渣油+循環(huán)油；腐蝕/磨蝕成分，含焦粉，硫含量2.7%(質量分數(shù))；入口壓力，0.42 MPa(G)；揚程，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；額定轉速，2 985 r/min；額定電壓，6 000 V。進料泵工作介質性質如表2、表3所示。

該泵操作條件苛刻，操作溫度高，主泵國外生產，電機國產。備泵全部國產，兩臺泵均由電機通過聯(lián)軸器直接驅動，泵組采用聯(lián)合底座。泵及電機軸承均為自潤滑，泵組不設潤滑油站。兩臺泵材質均為API610C-6級，P1102A泵型為垂直剖分型單殼體離心泵，首級雙吸，中心線支撐，三級葉輪；P1102B泵型為垂直剖分雙殼體多級離心泵，中心線支撐，五級葉輪。兩臺泵的機械密封均為單端面機械密封。

表2　減壓混合渣油的性質

注：表中涉及含量均為質量分數(shù)。

隨著裝置的不斷技術攻關，裝置循環(huán)比從設計的0.3降低至0.2以下，在實際生產中加熱爐進料泵的出口流量為170～220 m3/h，流量富余量較大，四路進料調節(jié)閥開度在15%～30%，調節(jié)閥節(jié)流造成的壓頭損失較大，泵運行效率低。在加熱爐實現(xiàn)定期機械清焦或蒸汽在線剝離清焦后，渣油在加熱爐爐管內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，加熱爐分支進料壓力達到1.0～1.5 MPa即可，從操作數(shù)據(jù)分析可知，當泵的揚程不小于340 m時，即可滿足工藝需要，遠小于泵的正常揚程。為了進一步優(yōu)化生產，綜合考慮改造成本和安全因素，焦化裝置對加熱爐進料泵P1102B進行了葉輪切削改造。

根據(jù)公式(4)計算出P1102B的比轉速為33.56 r/min，根據(jù)表1計算可知，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裝置處理劣質渣油或者超負荷運行時的工藝需要，揚程按350 m進行改造。根據(jù)公式(2)計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，運行工況穩(wěn)定，能夠滿足工藝生產的需要。又公式(3)可以計算出葉輪切削后的電機功率約為284 kW，一年運行時間按180天計，電的單價按0.48元/kW·h計算，每年可節(jié)約用電成本13萬余元。

2.2電機增設變頻控制

根據(jù)機泵現(xiàn)狀和生產實際，焦化裝置對頂循回流泵(P1104A)、中段回流泵(P1106A)、接觸冷卻塔底泵(P1111A)和冷焦水泵(P1422A)的驅動電機增設了變頻控制。這四臺泵的流量隨生焦節(jié)點的變化而變化，且變化幅度大，符合設置變頻控制的條件。由于普通電機為直接啟動或Y/D啟動，啟動電流為4～7倍額定電流， 這樣會給機電設備和供電電網造成嚴重的沖擊，而且還會對電網容量要求過高，啟動時產生的大電流和震動對泵體和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。采用變頻器運轉，隨著電機的加速相應提高頻率和電壓， 啟動電流被限制在150%額定電流以下(根據(jù)機種不同，為125%～200%)，傳動可以平滑地啟動(啟動時間變長)。啟動電流為額定電流的1.2～1.5 倍，啟動轉矩為70%～120%額定轉矩；對于帶有轉矩自動增強功能的變頻器，啟動轉矩為100%以上，可以帶全負載啟動，減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命，節(jié)省了設備的維護費用[2-3]。

為了驗證直觀節(jié)電效果，選取2014年1～6月各機泵運行參數(shù)的均值來計算，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)運轉，每年使用時間為180天；冷焦水泵(P1422A)為間歇使用，換算成連續(xù)運轉時間為45天；電單價按0.48元/kW·h計算，每年可減少用電成本電共計31萬余元。另外，使用變頻裝置后，由于變頻器內部濾波電容的作用，cosφ約等于1，從而減少了無功損耗，增加了電網的有功功率。

表3　變頻機泵節(jié)能效果

3結論

葉輪切削和變頻控制兩種機泵節(jié)能技術在延遲焦化裝置得到了成功應用。其中對加熱爐進料泵(P1102B)進行葉輪外徑切削改造；對頂循回流泵(P1104A)、中段回流泵(P1106A)、接觸冷卻塔底泵(P1111A)和冷焦水泵(P1422A)的驅動電機增設變頻控制。事實證明，節(jié)能技術改造后，各機泵運行平穩(wěn)，能夠滿足安全生產需要，有效提高了機泵的運行效率，每年可為裝置減少用電成本電44萬余元。

參考文獻：

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