炼化能量系统优化技术培训讲义(泵节能技术及典型案例)

锦州石化公司泵的节能技术及典型案例霍建炼化能量系统优化技术培训讲义锦州石化公司1.泵的工作原理简述2.泵的节能技术3.典型节能技术及案例讲义大纲锦州石化公司1.泵的工作原理简述泵的分类炼油厂各类泵的应用范围离心泵的典型结构与工作原理离心泵的性能参数与特性曲线离心泵的工况点及调节离心泵调速方法的效能浅析锦州石化公司1.泵的工作原理简述泵是把机械能转换成液体的能量，用来增压输送液体的机械。根据泵的工作原理和结构形式，把泵简单分为如下几类。1、容积式（正位移式）泵，包括往复式、旋转式，是利用活塞或转子的挤压使液体升压以获得能量。2、动力式（叶轮式）泵，包括离心式、轴流式，它们是籍高速旋转的叶轮使液体获得能量的。3、其他类型，如喷射泵、水锤泵、真空泵等。1.1泵的分类锦州石化公司1.泵的工作原理简述1.1泵的分类泵容积式泵动力式泵其他类型泵：喷射泵，水锤泵，真空泵往复泵：活塞泵，柱塞泵，隔膜泵回转泵：齿轮泵，螺杆泵，滑片泵离心泵轴流泵混流泵旋涡泵锦州石化公司1.泵的工作原理简述容积式泵１、往复泵炼油厂中应用的往复泵主要包括活塞（柱塞）泵及隔膜泵两类。主要应用于下列场合：a排量较低（小于4.5m3/h，扬程较高）。b扬程特别高（大于1500m）。c需要比例高的场合。d黏度大的流体，如沥青。e间断操作，输送排量变化范围较宽和种类不同的液体。f容许脉动性流动。1.2炼油厂各类泵的应用范围锦州石化公司1.泵的工作原理简述隔膜泵多用于需精确的按比例调节流量的场合，是往复泵的特殊种类。２、旋转泵炼油厂中应用的旋转泵主要是转子泵、螺杆泵、齿轮泵三种。旋转泵一般用于输送高黏度的液体，由于依靠精密的内部间隙来达到可靠的运行，通常不适用于输送含固体颗粒及磨蚀性的介质。1.2炼油厂各类泵的应用范围锦州石化公司1.泵的工作原理简述动力式泵１、离心泵离心泵是炼油厂中应用最为广泛的泵，通常是指径流式和混流式离心泵。离心泵几乎可用于炼油厂除上述往复泵应用的特殊场合以外的各种介质和各种场合，可以输送含有固体、杂质、砂砾和腐蚀性化合物的液体，可输送低温、高温及各种易燃易爆的介质。２、轴流泵轴流泵在炼油厂中应用较少。1.2炼油厂各类泵的应用范围锦州石化公司1.泵的工作原理简述1.3离心泵的典型结构与工作原理离心泵的典型结构离心泵的主要部件有叶轮、转轴、吸入室、蜗壳、轴承箱和密封等，如右图所示。锦州石化公司1.泵的工作原理简述1.4离心泵的典型结构与工作原理离心泵的工作原理右图为离心泵的一般装置示意图。离心泵在启动之前，应关闭出口阀门，泵内应灌满液体，此过程称为灌泵。工作时启动原动机使叶轮旋转，叶轮中的叶片驱使液体一起旋从而产生离心力，使液体沿叶片流道甩向叶轮出口，经蜗壳送入打开出口阀门的排出管。液体从叶轮中获得机械能使压力能和动能增加，依靠此能量使液体达到工作地点。锦州石化公司1.泵的工作原理简述1.5离心泵的性能参数与特性曲线离心泵的主要性能参数离心泵的主要性能有流量Ｑ、扬程H、轴功率n、效率η等。其中效率通常用来反映离心泵在输送液体过程中的能量损失。离心泵的能量损失包括以下几项。１、容积损失容积损失是指泵的液体泄漏所造成的损失。离心泵可能发生泄漏的地方很多，例如密封环、平衡孔及密封压盖等。这样，一部分已获得能量的高压液体通过这些部位被泄漏，使泵排送到管路系统的液体流量少于吸入流量，并多消耗了部分能量。容积损失主要与泵的结构及液体在泵进、出口处的压强差有关。容积损失可由容积效率来表示。锦州石化公司1.泵的工作原理简述1.5离心泵的性能参数与特性曲线２、机械损失由泵轴与轴承之间、泵轴与填料函、机械密封之间以及叶轮盖板外表面与液体之间产生摩擦而引起的能量损失称为机械损失。可用机械效率来反映这种损失。３、水力损失黏性液体流经叶轮通道和蜗壳时产生的摩擦阻力以及在泵局部处因流速和方向改变引起的环流和冲击而产生的局部阻力，统称为水力损失。水力损失与泵的结构、流量及液体的性质等有关。水力损失可用水力效率来表示。锦州石化公司1.泵的工作原理简述1.5离心泵的性能参数与特性曲线离心泵的特性曲线离心泵性能间的关系由实验测得，通常用特性曲线来表示，由泵的制造厂提供，并附于泵样本或说明书中，供使用部门选泵和操作时参考。离心泵的特性曲线一般由H-Q、N-Q及η-Q三条曲线所组成，如图所示。特性曲线随泵的转速而变，故特性曲线图上或说明书中一定要标出测定时的转速。由图可知，离心泵在一定转速下有一最高效率点，通常称为设计点。锦州石化公司1.泵的工作原理简述1.5离心泵的性能参数与特性曲线泵在最高效率相对应的流量及扬程下工作最为经济，所以最高效率点对应的Q、H、N值称为最佳工况参数。离心泵铭牌上标出的性能参数，就是指该泵在运行时效率最高点的性能参数。根据输送条件的要求，离心泵往往不可能正好在最佳工况下运转，因此一般只能规定一个工作范围，称为泵的高效工作区，通常为最高效率的92%左右。选用离心泵时，应尽可能使泵在此范围内工作。锦州石化公司1.泵的工作原理简述1.6离心泵的工况点及调节管路特性与离心泵的工况点当离心泵安装在特定的管路系统中工作时，实际的工作压头和流量不仅与离心泵本身的性能有关，还与管路的特性有关，即在输送液体的过程中，泵和管路是相互制约的。管路特性可用管路特性曲线来表达，它表示管路中流量（或流速）与扬程的关系，如图中He-Qe所示。此线的形状由管路布局与操作条件来确定，而与泵的性能无关。锦州石化公司1.泵的工作原理简述1.6离心泵的工况点及调节离心泵在管路中运行时，泵所能提供的流量及扬程与管路所需要的数值应一致。此时安装在管路中的离心泵的工作点必须同时满足泵的特性方程和管路的特性方程，即泵特性方程H=f(Q)管路特性方程He=f(Qe)联解上述方程，得到的解即为泵的工况点。或将泵的特性曲线与管路特性曲线标绘在同一图上，两曲线的交点Ｍ即为泵的工况点。锦州石化公司1.泵的工作原理简述1.6离心泵的工况点及调节调节方法含义特点图示改变管路特性曲线出口阀调节出口管路上安装调节阀，靠阀的开启度调节流量方法简单，但功率损失大，不经济旁路调节利用旁路分流调节流量可解决泵在小流量下连续运转的问题，但功率损失和管线增加锦州石化公司1.泵的工作原理简述1.6离心泵的工况点及调节调节方法含义特点图示改变泵特性曲线转速调节调节泵轴的转速调节流量功率损失很小，但需增加调速机构或选用调速电机改变转速的方法最适用于汽轮机、内燃机和直流电机驱动的泵，也可用变频调节来改变电动机转速堵死几个叶轮流道堵死几个叶轮流道（偶数）减少泵的流量相当于节流调节，但比调节阀节流节能锦州石化公司1.泵的工作原理简述1.6离心泵的工况点及调节调节方法含义特点图示改变泵特性曲线切割叶轮外径切割叶轮外径调节泵的流量功率损失小，但叶轮切割后不能恢复且叶轮的切割量有限。适用于需长期在较小流量下工作且流量改变不大的场合更换叶轮更换不同直径的叶轮调节泵的流量功耗损失小，但需备各种直径的叶轮，调节流量的范围有限锦州石化公司2.泵的节能技术2.1变频器国内外研究概况20世纪80年代后半期开始,美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器巳投入市场并广泛应用。近10年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。我国电气传动产业始建于1954年，现在我国已有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。虽然取得很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性严重。锦州石化公司2.泵的节能技术2.1变频器国内外研究概况在大功率交-交变频（循环变流器）调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万kW的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6万kW的设备用于抽水蓄能电站。在小功率交流变频调速技术方面，日本富士BJT变频器最大单机容量可达700kVA，IGBT变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。锦州石化公司2.泵的节能技术2.2变频器的特点变频调速的特点是效率高，没有因调速带来的附加转差损耗，调速的范围大，精度高、无级调速。容易实现协调控制和闭环控制，由于可以利用原鼠笼式电动机，所以特别适合于对旧设备的技术改造，它既保持了原电动机结构简单、可靠耐用、维护方便的优点，又能达到节电的显著效果，是风机水泵节能的较理想的方法。锦州石化公司2.泵的节能技术2.3变频器实现的作用和功能高效节能。实现代替调节阀的控制作用。软起动、软停车、低转速的功能极大地减小了对电机本身和机泵的冲击，从而降低了机泵和电机的维修工作量。消除了电机额定转速的机械噪声和阀门挡板控制流量时的滞流噪声。锦州石化公司2.泵的节能技术由此看出，流量和转速是１对１的变化（Ｑ∝ｎ），但扬程受转速影响很大（Ｈ∝n2）。也就是说：转速的下降很快会使扬程下降到一定的幅值，往往满足不了工艺，这样的离心泵很难用变频降速来代替阀门挡板憋压。因此只有那些流量较大、扬程较小、或者对扬程变化不很苛刻的工艺和泵类，在进行变频控制后，降低一点转速成倍节约动能。2.4变频器最适宜的泵类锦州石化公司2.泵的节能技术理论上流量降一半，功率降7/8。实际上，我们找不到一套节能7/8的调速系统，因为阀门挡板控制在低流量时的功率也远低于额定功率，电机在空载时的电流基本是额定电流的1/3左右。但是我们可以找到变频调速的最优控制点，使其达到节能最优化。2.5变频器的最佳节能点暂定一台电机没带变频器，带泵时空载容量为额定容量的40%，那么其运行曲线类似线形一次方直线，经验方程式:y1=0.6x+0.4。当电机带变频器，考虑到启动频率很小的情况下其运行曲线是三次方曲线，方程式为y2=x3,如下图坐标系中的线1、线2。锦州石化公司2.泵的节能技术2.5变频器的最佳节能点YOy1y244.7%100%负荷X因此使用变频器后，节约能量为ｙ=ｙ1－ｙ2＝0.6x+0.4–x3，对其进行一次求导，可以得出y值最大时的x值，即：x≈0.447也就是说当负荷为额定负荷44.7%时，节能效果最佳。此时y≈0.579，即最大可节能额定容量的57.9%。锦州石化公司2.泵的节能技术2.6传统调节阀控制方式的缺点传统的机泵控制系统中，电机和泵是连续恒速满转运行的，并且流量的控制是通过调节管道中调节阀的开度和回流支路实现的。这两种方法都存在明显的缺陷。采用调节阀调节时，由于阀门的开度的减小，泵出口的压力会上升，阀门两边的压差将增大。这样会带来以下弊端：⑴首先造成电机和泵传输能量的浪费。⑵造成电机和泵的振动和磨损加大，进而缩短机泵本体寿命以及轴承和密封的寿命。⑶处于闭环调节中的调节阀是始终处于微动状态的，压差的增大会增加阀门挡板的阻力和磨损。⑷采用回流支路调整时，大量的介质回流也同样造成能量的消耗。⑸需要外置的DC24V直流电源，或需要配置PID调节器。锦州石化公司3.典型节能技术及案例3.1锦州石化公司变频器的应用现状通过2012-2104两年多时间，通过对具有较大节能潜力的能源及耗能装备进行技术改造，较大幅度地提升设备运行效率，实现大幅节能减排的目标。高耗能机泵节能技术改造方面：累计投资3000万元，对机泵负荷变化大和运行工况偏离设计点的共77台套机泵增上高压及低压变频调节系统，合计变频改造功率38072千瓦。上述变频系统投用后，机泵实际运行转速降幅明显，不但在设备平稳运行上收效明显，还大幅提升了机泵运行效率，实现节电8783万度/年，实现经济效益超过4800万元/年。相当于节约标煤3.51万吨，减少对大气的烟气排放量3.51标亿立方米。锦州石化公司3.典型节能技术及案例2012-2014年石化公司部分装置高、低压变频器完成统计及节能标定序号车间装置机泵位号电机功率kW变频器功率kW电压V投用时间工频电流(A)变频电流(A)节约电量（万度）1苯乙烯苯乙烯干气压缩