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大慶煉化公司煉油二廠的180萬噸/年重油催化裂解裝置的油漿外甩槽子冷卻用水、余熱鍋爐外排污水、水封罐外排循環水及機泵冷卻用水使用后流入到地下水池,這些污水被提升泵升壓送往循環水系統回收利用。這部份污水的普遍特點是工藝變動時各處排水量變化大,其總量110t/h到320t/h之間波動,導致污水提泵工況變化大。隨著建設"節約型社會"和"清潔生產"意識的日益提高,該裝置對其轄屬的污水系統于2006年9月實施了以變頻技術為核心的節能和優化操作改造,達到節能、杜絕污染、降低維修費用以及優化操作的目的,在改造后,取得了可觀的經濟效益和社會效益。

1改造前系統狀態和存在問題

1.1提升泵的參數和流程

污水提升系統中核心的設備是三臺立式泵,泵體直接插入污水池內,污水池體積較小,泵插入水中的深度受泵的插入長度(1m)限制,可控操作液位僅有0.5m。且泵出口僅有一蝶閥現場手動進行流量和水池液位的控制。泵的主要參數見表1。

由于立式提升泵直接安裝有污水池上方的大跨度水泥梁上,基礎剛度相對較差,運行過程機泵會產生相對較大的振動。在泵抽空等不良運行狀態下,機泵會產生更為強烈的振動,加速了機泵故障的出現。

該系統的流程較為簡單(見圖1)。三臺提升泵一開兩備或兩開一備,隨水量的變化操作較為困難,稍處理不及時就會出現污水外溢事件發生,污染周圍環境。

1.2流量設計和水量調節方式不合理

污水流量變化大,且三臺泵設計流量匹配不合理。在水量較小時,3#泵不能滿足流量的要求,1#泵或2#泵單獨使用時也易出現抽空現象,導致設備損壞,造成維修次數和費用增加。

通過閥控制流量調節外排水量,系統功率損耗大,工人勞動量大。流量突增時,泵又不能滿足排水量的要求,易出現污水外溢事件,污染周邊環境。

2提升泵變頻調節排水技術

2.1節能原理

假設系統要求流量由Q1減少到Q2,兩種調節方式的特性曲線見圖2。

a、閥門調節(關小閥門)。閥門磨擦阻力增大,管網特性曲線由R移至R′、揚程從Ha上升至Hb、運行工況點從a移至b。

b、變速調節。管網特性曲線不變,泵的特性取決于轉速,泵特性曲線由(Q-H)移至(Q-H)′、揚程從Ha下降至Hb。運行工況點從a移至c。

根據離心泵特性曲線公式:

式中N——水泵工況點軸功率,Kw

Q——工況點的流量,m3/s

H——工況點的揚程,m

ρ——輸送介質密度,Kg/m

η——工況點的泵效率,%

得出泵運行在b、c點的軸功率和ΔN為:

可見調至同樣流量,閥門調節會損耗ΔN功率,形成能量損失,且隨著閥門不斷關小,ΔN還將增加,采用變頻調節轉速控制流量,可避免ΔN功率的損耗。在九江石化公司的變頻應用中證明,當電機在額定轉速運行80%時,節能可達到40%。[2]

2.2常用的污水泵變頻調速排水模式

變量恒壓模式。保持污水外排水管壓力不變,通過管網閥門控制、增減水泵臺數、泵出口打回流或者變頻調速調節泵的出水量。對于某一恒壓P,變頻調節泵的轉速(n1、n2、n3……),可得到不同流量(Q1、Q2、Q3……)以控制污水池的液位。這種變頻模式可節省泵出口閥節流限壓的能量消耗,較傳統排水方式節能20%,控制比較方便,管網壓力基本恒定。該模式適合水量波動幅度小、泵出口壓力要求穩定的污水系統。

變壓變量模式。由于裝置污水排放量變化較大。在原有的排水系統中投運水泵臺數和轉速不隨排水量變化而改變,負荷低峰時將浪費電能。根據排水量和水位的對應關系,用變頻器調整水泵工況點,調節水泵轉速(使其恰好位于管網特性曲線上),通過控制污水池的液位,實現其進水與排水的平衡。生產中對排水壓力的變化沒有過多要求,流量變化很大,這種模式更適合于煉油廠催化裂解裝置的污水回收系統。

3污水排放系統工程改造

3.1前期工作

為保證變頻調速技術在污水提升排放系統的可靠應用,采取有力措施治理泵P2的基礎,提高其備用的可靠性;選擇大流量的泵P1使用變頻技術;安裝45Kw西門子變頻器一臺;在裝置DCS上增設以污水池液位為控制目標的PID控制器;更換靈敏度較高的液位傳感器。

3.2污水提升排水自動化系統

系統結構及控制方式。改造后的系統是以污水池液位為控制對象,更換水池液位傳感器,水泵電源增設變頻器,在裝置的DCS上增加PID調節器構成的閉環的PID控制系統(見圖3)。系統通過控制泵P1的轉速,穩定污水池的液位,具有實時采集水位、液位異常報警的功能。同時,可在DCS的PID調節器上使用手動和自動兩種模式遠程控制,達到優化運行之目的。

運行方式。系統控制一臺水泵,采用一開二備的方式,泵P1作為主泵,變頻運行,泵P3作為第一備用泵備用,泵P2作為第二備用泵備用;通常情況變頻泵P1排水,泵的轉速以水位為控制目標,當該泵超過其功率時,先啟一臺小泵P3增加流量,此時,要求小泵P3滿負荷運轉,P1變頻進行適量調節;如流量繼續增加,兩臺泵均超負荷或長時間都達到滿負荷時,停小泵P3,啟運大功率泵P2。這種運行方式完全能滿足裝置最大工況運行,且在實際生產中未發生污水外溢事件。

4.運行效果

4.1保證了環保要求。改造前,當處于裝置不正常運行且操作不及時,就會發生污水外溢事件,污染裝置周邊場地,不完全統計每年都有3到6次。改造后,污水外溢事件再未發生。

4.2系統運行可靠。變頻啟動和調速,P1電機轉速明顯下降,運行狀況明顯改善,機泵完好率達到100%。水泵出口閥全開,消除了閥門節流產生的噪聲。運行中隨著壓力的變化,變頻器輸出頻率一般在30~40Hz,泵轉速下降了20-40%,水泵出口壓力保持在0.3MPa以下。同時,機泵的檢修費用每年可節省1.5萬元。

4.3節能效果顯著。對比分析設備正式投入使用前后20天的數據(見表2)。可見每年按運行330天計算,可節約電費9萬余元。

結束語

根據排水系統各自特點可選擇不同的形式實現節能降耗,工業污水排放系統宜采用變壓變流量方式,實踐證明采用變頻調速技術,不僅節約能源,而且對于提高系統的自動化水平,減少工人的勞動強度,降低維修費用,消除污水外溢對環境的污染,都有顯著的效果。該方法還可推廣到用水流量變化大、管網壓力要求不嚴格且需連續運行的生產用水及農業灌溉等方面。