羅文憲 龔朝兵 王天宇

(中海油惠州石化有限公司,廣東 惠州 516086)

循環(huán)水系統(tǒng)是煉油廠的能耗大戶,尤其是電能消耗,在開展節(jié)能降耗的大趨勢下,有必要對其進行節(jié)能改造。循環(huán)水系統(tǒng)運行過程中能耗偏高的原因主要包括:設備與系統(tǒng)運行效率較低、部分管路配置不合理、系統(tǒng)阻力較大、冷卻塔冷卻效果較差、氣蝕現(xiàn)象嚴重、換熱溫差較低等[1-2]。某煉廠第三循環(huán)水場(以下簡稱三循)存在循環(huán)水泵的效率較低等問題,對此進行了深入分析并實施相應的技術改造,取得了較好的節(jié)能效果。

1 三循概況

三循主要供應常減壓蒸餾、催化裂化、氣體分餾、甲基叔丁基醚、延遲焦化、脫硫聯(lián)合、硫回收、酸性水汽提等裝置,安裝了5臺電動冷卻風機。設計循環(huán)水量為20 kt/h,實際運行循環(huán)水量為17～19 kt/h;循環(huán)水進出水冬季溫差約為7.8 K,夏季溫差約為6.5 K;系統(tǒng)供水與回水壓差約0.3 MPa。

三循循環(huán)水泵原設計揚程為50 m,目前為52 m左右。循環(huán)水泵效率為81%～82%,基本處于額定工況下運行,與高效率泵(泵效率≥89%)存在一定差距,有較大提升空間。三循水泵出口壓力為0.51 MPa,總管壓力為0.45 MPa,水泵出口至總管局部阻力較大,主要原因是出口閥門未全開,水力閥壓降較大,循環(huán)水冷卻風機葉片效能較低,需要進行改造加以強化。

2 節(jié)能改造措施

目前水泵節(jié)能常用的優(yōu)化方法包括:變頻改造、水泵整體更換、葉輪更新、葉輪切割、改造關鍵零件等[3]。對于大型離心水泵來說,其最好的節(jié)能措施是盡量提高水泵的工作效率,三循循環(huán)水泵效率相對較低,因此建議采用高效率水泵。由于管路水力閥壓降較大,導致水泵出口至總管局部阻力增大,使管網(wǎng)能量損失較大,因此需要將原水力閥改造為微阻閥,降低管網(wǎng)阻力;冷卻風機葉片散熱效果較差、效能較低,需更換新型葉片,減小葉片質量,提高風機葉片效能[4-5]。

本次對三循的技術改造包括3臺循環(huán)水大泵改造(不含3臺電動機)、5臺泵出口水力閥和5臺風機葉片的更換改造。主要改造內(nèi)容為:(1)根據(jù)現(xiàn)場實際工況,由廠家量身定制高效水泵替代現(xiàn)有水泵(電動機不更換,電機轉速745 r/min),高效水泵通過CFD軟件進行設計并加工制造,可以提高水泵的運行效率,其額定功率不小于90%,正常工作點(約5 200～5 800 m3/h)效率不低于89%;(2)水泵出口水力閥改造為微阻管力閥,閥門法蘭大小與現(xiàn)有閥門相同,減少閥門阻力損失及出口管線改造作業(yè)量,且管力閥在停泵時能自動分階段實現(xiàn)快關緩閉功能,閥體底部設有內(nèi)置阻尼液壓緩沖裝置,同時管力閥閥板慣性矩減少,閥門動作更靈活,采用斜置閥座,使閥門啟閉更平穩(wěn);(3)風機葉片采用新型材料制造的葉片,數(shù)量由6片變更為8片,新的葉片結構由玻璃鋼(FRP)+碳纖維復合材料制成,采用空腹結構,葉片角度可調(diào),可以減輕葉片質量,提高散熱效果和風機效能,達到節(jié)能目的。高效水泵由廣東肯富來泵業(yè)股份有限公司制造,微阻閥由株洲南方閥門有限公司制造,風機葉片由保定航技風機制造有限公司制造。

三循系統(tǒng)節(jié)能改造項目實施周期共兩個月,于2022年4月底實施完成并正常投用。

3 主要技術創(chuàng)新

3.1 高效水泵技術

水泵廠家應用國際先進的CFD軟件設計高效水力模型,運用流體仿真分析軟件,分析泵的流場、溫度場和強度、熱變形、斷裂、轉子動態(tài)等特性,保證泵的高效率和可靠性。激光成型機通過程序代碼控制實施操作,葉輪模型采用數(shù)控機床制作,保證模型和設計完全一致。根據(jù)現(xiàn)場工藝及管道等實際參數(shù)量身定制的水泵,其效率提高至89%以上。

高效水泵戶外安裝現(xiàn)場處于沿海濕熱帶氣候,空氣受海洋影響,濕度較大,同時含有較多的鹵素離子、鹽分等,因此水泵材質考慮了海洋大氣的腐蝕,適應現(xiàn)場氣候環(huán)境。泵的設計充分考慮了管路損失、進出口管路中心高、原有電機和新泵中心高、前置裝置損失、泵的汽蝕余量、介質氣化壓力等因素,確保泵達到工藝要求。

設備零部件采用先進可靠的加工工藝和制造技術,具有良好的表面集合形狀、粗糙度及合理的公差。泵設計和制造壽命符合API 610要求,至少為20 a,整機保證連續(xù)運行3 a(易損件除外)。

泵性能(Q-H)曲線平滑連續(xù)、無駝峰上升至關死點,泵的工作區(qū)位于安裝葉輪的最佳效率點流量的70%～120%,額定流量點位于安裝葉輪最佳效率點流量的80%～110%;正常工況下的關死點揚程不超過正常值的120%;額定點流量、揚程無負偏差(在現(xiàn)場工藝條件下);額定點功率不超過設計點的3%,振動值符合API 610標準;泵安裝葉輪的正常工作點不超過泵的最佳效率點。

在利舊原有電機(電機轉速745 r/min)的前提下,根據(jù)現(xiàn)場水泵實際運行參數(shù)優(yōu)化設計,量身定制高效水泵,確保高效水泵的額定效率不低于90%,高效水泵的正常工作點(5 200～5 800 m3/h)效率不低于90%;機械密封及系統(tǒng)執(zhí)行API 682第4版標準,且使用壽命不低于3 a;泵的軸承保證連續(xù)運轉25 000 h,泵質量檢查及試驗項目符合API 610標準要求。

3.2 微阻閥技術

原有多功能水力控制閥的阻力偏大(△P為3～4 m水頭),冬季氣溫低,為節(jié)能而降低循環(huán)水量,泵出口閥限位40%～50%,能量損失大。

微阻管力閥的設備及部件先進、可靠、完整,組合布置合理,零件或組件具有良好的互換性。管力閥為蝶式結構,具有體積與質量小、閥板動作靈活、閥板慣性矩小、阻力系數(shù)小等優(yōu)勢。通過將阻力偏高的多功能水力閥更換為微阻緩閉止回閥(管力閥),將泵出口管路壓降從3～4 m下降至1 m。管力閥可以先在停泵時自動關閉,也可以在關泵出口電動閥(泵-管力閥-電動閥)后停泵時自動關閉。管力閥水平安裝,露天布置,閥體面采用環(huán)氧樹脂防腐,注明介質流向。管力閥緩開時間和緩閉時間均可在3～120 s內(nèi)進行調(diào)整,配帶調(diào)節(jié)閥門及過濾器等相關組件。啟、閉運行最低工作壓力為0.02 MPa,水錘峰值不大于1.3倍的水泵出口額定壓力,水泵最高反轉速度不大于1.2倍的水泵額定轉速。水力控閥閥板采用流線型結構并傾斜置于閥體內(nèi),過流面積大,水損低,管力閥閥門在全開時的最大水損不超過0.003 MPa,可以滿足多臺并聯(lián)工作。

施工、監(jiān)理和業(yè)主單位要對施工設計進行消化熟悉，并與現(xiàn)場對照，是否符合實際情況，若發(fā)現(xiàn)與實際情況不符或者有矛盾沖突，或者不利于施工，不是最佳設計方案，要作出符合實際的最優(yōu)調(diào)整方案，科學、合理地布置安裝管道，要考慮既經(jīng)濟合理，又安全可靠，結合實際情況調(diào)整和優(yōu)化管道細部結構和管道連接件，減少不必要的鎮(zhèn)支墩和管道連接件。調(diào)整和變更的手續(xù)要完善。

緩閉閥板采用硬密封形式,主閥板與閥板座采用金屬硬密封與丁晴橡膠軟密封相結合的密封形式,閥板及軟密封材料符合循環(huán)冷卻水工況要求。

3.3 高效風機葉片技術

高效風機葉片采用新型材質加工制造,質量小而強度高,同時通過優(yōu)化葉片的葉型厚度、弦長、彎角和攻角的分布,抑制葉輪的二次流動損失,葉片數(shù)量由原來的6片增加至8片,增加了整體運行穩(wěn)定性,且可提高約10%的風量,提高水氣傳熱效果,折算風機節(jié)電大于10%。

風機葉片為空腹結構,葉片的迎風面采用整體包覆結構,葉片內(nèi)設有加強筋,高效翼形,葉片角度可調(diào),各截面圓滑過渡,外表面光潔,可以減小葉片質量,提高風機風量,達到節(jié)能的目的。風機葉片直徑與現(xiàn)有風機葉片保持一致,葉片角度可調(diào),具有高效率、低噪音、耐鹽霧腐蝕、長周期安穩(wěn)運行等特性,使用壽命不少于20 a。

總裝風機年連續(xù)運行時間大于8 000 h,每臺風機長期運行風量不低于現(xiàn)有風機運行風量(根據(jù)冷卻塔設計計算確定)。葉輪經(jīng)過平衡校正,單個葉片更換不影響風機整機動平衡效果。葉輪保證足夠的剛度,在搬運及運轉中不產(chǎn)生變形。風機輪轂兼具強度、耐腐蝕性等性能要求,并進行防腐處理。葉輪最高轉速為額定轉速的110%,符合通用風機葉輪超速試驗方法規(guī)定。風機連接固定件(螺栓、螺母)材質的選用應考慮現(xiàn)場潮濕、易腐蝕的工作環(huán)境,要求具備防松脫、耐腐蝕、易拆卸等要求。

4 標定與效益分析

4.1 標定思路

確定的標定思路如下:(1)改造前后三循系統(tǒng)的運行工況保持一致(循環(huán)水量、供水壓力等);(2)蒸汽透平泵不參與標定,并確保改造前后蒸汽透平泵的關鍵參數(shù)一致(轉速穩(wěn)定在4 100 r/min,出口閥開度一致,即蒸汽透平泵運行穩(wěn)定、做功一致);(3)按全年實際運行3臺大泵的工況進行標定,其中實際運行2臺改造后的電動高效水泵(實際標定P-301A/301B),1臺蒸汽透平泵;(4)風機標定時,按照5—10月運行5臺風機(共184 d),11月至次年4月運行4臺風機(共181 d)進行標定核算,且改造前后檢測風機風速,確保改造后的風速不低于改造前。

4.2 標定數(shù)據(jù)

三循系統(tǒng)節(jié)能改造后,在正常工況即2臺電驅動大泵和1臺蒸汽透平泵(供水流量16.8 kt/h,供回水壓力0.46/0.18 MPa)基本不變的情況下,年運行時間按8 760 h計算。改造前后循環(huán)水泵和冷卻風機功率比分別見表1～2,其中改造前數(shù)據(jù)采自2022年3月,改造后數(shù)據(jù)采自2022年5月;風機檢測數(shù)據(jù)見表3,改造前數(shù)據(jù)采自2021年4月,改造后數(shù)據(jù)采自2022年4月。

從表1中可以看出:改造后水泵功率下降了369 kW(下降17.16%)。從表2中可以看出:風機功率下降89 kW(下降11.85%);原水力閥阻力為4 m,新型管力閥阻力為1 m,阻力下降3 m。從表3可以看出:風機全壓效率提高30.48%。綜合以上數(shù)據(jù),說明三循改造取得的節(jié)能效果較明顯。

表2 改造前后冷卻風機K301功率對比 kW

表3 改造前后風機風速檢測數(shù)據(jù)

4.3 效益分析

標定計算中,電價按照0.61元/kWh計算,設備折舊按照14 a計算。

改造前3臺大泵運行時電耗為2 150 kWh/h;改造后3臺大泵運行時電耗為1 781 kWh/h。每年節(jié)約電能:(2 150-1 781)×8 760=3.23×106kWh;折合年增效:3.23×106×0.61×10-4=197.18萬元。

(2)冷卻風機改造效益

按照5—10月運行5臺風機(共184 d),11月至次年4月運行4臺風機(共181 d)計算。

改造前風機運行時的平均單臺電耗約為150.2 kWh/h;改造后風機運行時平均單臺電耗為132.4 kWh/h。每年節(jié)約電能7.074×105kWh,折合年增效:7.074×105×0.61×10-4=43.15萬元。

(3)項目總投資(以實際支出費用為準)

項目總投資包括設計費用、設備采辦費用、設備施工費用等。其中項目改造設計費用15萬元;動設備采辦費用110萬元,動設備施工費用20萬元;靜設備采辦費用60萬元,靜設備施工費用5萬元。

合計總投資:15+110+20+60+5=210萬元。

(4)實際年收益

本項目年度總節(jié)支增效:197.18+43.15=240.33萬元;

投資年折舊費:210/14=15萬元;

去除設備折舊費后的實際年收益:240.33-15=225.33萬元;

投資回收期=210/225.33=0.93 a。

5 結語

某煉油廠對循環(huán)水系統(tǒng)進行整體節(jié)能優(yōu)化改造,更換了高效水泵,水泵出口水力閥改造為微阻管力閥,風機葉片改造為新型材料制造的葉片,改造后循環(huán)水系統(tǒng)生產(chǎn)運行平穩(wěn),循環(huán)水泵節(jié)電率17.16%,風機功率下降11.85%,一年節(jié)約電費約240萬元,節(jié)電效果顯著。