基于变频运行的循环水系统能耗分析与节能调度

基于变频运行的循环水系统能耗分析与节能调度

循环水系统是工艺生产的生命线，也是整个工业生产的主要行业。2009年，循环水系统的能耗约为4.35:1012kgh。作为循环水系统的主要能耗设备，循环水泵站的能耗约为2.00:1012kgh。虽然循环水泵系统的能耗很大，但其效率很低。与国外先进水平相比，产品效率低2%4%，系统运行效率低近20%。目前，基于环水系统的能耗评价方法不足，该公司的节能意识较差，改造比例较低。重建措施主要是单一节能，没有制定整个系统的总体规划，也没有改善效率。文中从当前能源浪费最为严重的中小型企业着手,针对循环水系统特点,建立一套循环水系统能耗评估方法,并根据评测出的节能空间,通过对工艺生产过程和循环水系统的运行情况进行详细的现场调研,从化工生产的整个系统出发同时结合水泵单体节能,制定基于工艺需求的循环水系统节能运行策略.1水泵及流量调节方式该化工厂南、北生产区循环水系统泵总装机容量为150kW,此次改造对象为北厂区循环水系统,其组成如图1所示.该供水泵站由2台水泵组成(1台备用),水泵型号IS150-125-315,扬程H=32m,额定转速n=1450r/min,额定流量Q=200m3/h,配套功率P=37kW.供水泵站常年工频状态下运行,流量调节方式为阀门节流,年耗电量约2.0×105kW·h.2环水系统的能源研究2.1变流量泵的工作原理现有的循环水系统流量调节方式多为管路阀门节流的调节方式,泵的电动机转速不变,其实质是通过改变管路特性来改变流量,如图2所示.当流量需求由Q1减为Q2时,阀门开度减小,管路特性曲线由R0变为R1,系统运行工况点由a变为b,扬程上升为H1.在变频调速运行情况下,通过将泵的转速n0调为n1,泵的H-Q曲线由N0变为N1,系统运行工况点由a变为d,此时不但流量为Q2满足系统需求,而且扬程为H3,避免了H3到H1的扬程浪费.2.2泵外特性曲线及泵配套电机负载特性曲线针对该厂循环水系统的基本情况和现有测量工具,可测量和可搜集信息分别为泵配套电动机电压、电流,泵出口、管网典型点压力,循环水系统相关几何参数,泵外特性曲线,泵配套电动机负载特性曲线等.根据这些数据,首先由泵外特性曲线得到泵的P-Q方程和H-Q方程.结合各工况点压力表示数,得到各工况点流量.再结合相似抛物线方程,可以得到各工况下的相似比,从而得到变频后的P-Q曲线.通过对比变频前后P-Q曲线计算可得节能空间.具体流程如图3所示.2.3完整生产周期数据采集依据能源调查程序,现场进行数据采集,该厂1个完整的生产周期,采集数据分别为泵出口压力pout、管网典型点压力pc和电动机输入电流I,采集方式为3个数据同时测量.测得数据如表1所示.2.4循环水系统泵对图4泵特性曲线进行拟合,可得到H-Q曲线的方程为H=-7×10-7Q3+7×10-5Q2-1.05×10-2Q+36.078,(1)P-Q曲线的方程为P=-1.287×10-6Q3+5×10-4Q2+1.11×10-2Q+10.413.(2)根据泵的安装尺寸及管道的相关阻力系数,由伯努利方程可得H=679.7Q2+pout9800+2.2,(3)Η=679.7Q2+pout9800+2.2,(3)结合式(1)即可得pout和Q的关系为pout=-7×10-7Q3+1.7554×10-5Q2-1.05×10-2Q+33.87.(4)由式(4)可得所测的13个工况点的流量.测得供水最高点为15m,泵的出口测压点高度为2m.工艺需求压力最低为20kPa,但是考虑到控制系统的惯性,为保证生产安全和稳定,将工艺需求压力测点压力提高5kPa,使工艺压力恒定在25kPa,结合图1相关尺寸由面A-A到面B-B列伯努利方程,得到循环水系统管网压力与流量的关系,即装置需求方程为H=20.55+1230(Q/3600)2.(5)设泵的相似抛物线方程为H=KQ2,(6)将式(5)和(6)联立并代入Q1,Q2,…,Q13,可得所测13个工况下的系数K1,K2,…,K13,即⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪H=−7×10−7Q3+7×10−5Q2−1.05×10−2Q+36.078‚H=KQ2‚K=K1‚K2‚⋯‚K13‚(7){Η=-7×10-7Q3+7×10-5Q2-1.05×10-2Q+36.078‚Η=ΚQ2‚Κ=Κ1‚Κ2‚⋯‚Κ13‚(7)将K1,K2,…,K13分别代入方程组(7)中并与式(2)联立得到13个相似工况点的消耗功率和扬程,并求出相似比k1,k2,…,k13,这样就求出调速后实际需求工况下的功率消耗,即Px=k3xx3P.根据比例定律,得到变频运行下泵功率流量关系为P=8.285×10-8Q3+1.768×10-4Q2+2.719×10-2Q+3.893.(8)将变频前后P-Q曲线绘于图5,对比可以看出,流量小于220m3/h时,节能空间高于20%.通过调研得知该泵的年流量小于210m3/h,所以该泵的节能空间高于20%.另外在调研过程中发现该泵轴功率全年均在25kW以下,配套电动机37kW,能源浪费严重.3系统改造后的系统1)按电动机配套的安全系数标准(1.05～1.20)和电动机功率系列圆整,为该泵配备30kW电动机.2)化工生产工况复杂多变,阀门节流的调节方式使大部分的能量浪费在管网阀门,造成不必要的能量浪费.改造选用的变频器为三菱FR-F740-30K,在原有控制柜基础上添加1套控制系统,变频器内置PID,设定值设为工艺需求压力25kPa,利用压力传感器测得管网压力传送给变频器负反馈点,然后通过PID比例、积分、微分作用,输出控制电动机转速,从而调节管网压力到需求压力.同时,当变频器频率达到50Hz时,变频器的工频/变频切换功能进行切换,以避免变频器的能耗浪费.系统改造后采用闭环控制实现管网最不利点恒压供水,水泵运行状态由工艺需求决定,避免了恒速运行中能量浪费在管网阀门.图6为控制系统框图.4电机、压力传感器项目改造投资中,变频器1台,14690元;电动机1台,7500元;压力传感器1台,2000元;设备改造费1000元,管线800元,共需投入资金约25990元.4.1电动系统节电量的计算该生产线1个生产周期为13h,每天24h连续工作.根据2.3节得到的13个工况下的流量,拟合日Q-t方程为Q=4.3×10-3t4-1.87×10-1t3+1.8376t2+9.6913t+64.3.(9)厂方提供的该电动机负载特性如图7所示.由图7可得电动机的效率和轴功率Pa的关系为η=1.0×10-4Pa3-1.84×10-2Pa2+7.586×10-1Pa+81.608,(10)将式(9)分别代入式(2)和(8)可得P1=f(t),(11)P2=g(t),(12)分别将式(11)和(12)代入式(10)可得η=h(t).(13)调速前电动机的输入功率为P1=Paη=f(t)h(t),(14)Ρ1=Ρaη=f(t)h(t),(14)调速后电动机的输入功率为P1=Paη=g(t)h(t),(15)Ρ1=Ρaη=g(t)h(t),(15)则电动机的日节省功率为Pd=∫(P1-P2).(16)代入相应数值计算可得日节省电能约为179.6kW·h,据此,考虑变频器的效率,可推算1个月的节电量约为5300kW·h.4.2节电量验证该厂对泵站进行节能改造后,计量显示其月节电量为5520kW·h,符合节能估算的结果,节电比例高33%,1a即可收回改造成本,达到了节能改造的预期效果.5循环水系统能源审计方法的应用1)针对某化工循环水系统,通过能耗分析与评估,找出节能空间,采用单体节能和系统节能相结合的方法,针对水泵配套优