尹招進

(云南天安化工有限公司, 云南安寧 650309)

某公司合成氨裝置以煤為原料,采用殼牌煤氣化、法液空空分、林德氣體凈化、KBR合成氨工藝技術(shù),配套3套150 t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐。按《石化化工重點行業(yè)嚴格能效約束推動節(jié)能降碳行動方案》及《合成氨單位產(chǎn)品能源消耗限額》標準要求,公司合成氨裝置綜合能耗距標桿水平尚有改進空間。其配套3套150 t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐熱效率(低位)為82.44%,其主要動設(shè)備一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、引風(fēng)機存在能耗高、運行效率低等問題。

一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、引風(fēng)機參數(shù),以及其與配套電機參數(shù)分別見表1和表2。

表1 一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、引風(fēng)機參數(shù)

表2 一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、引風(fēng)機配套電機參數(shù)

1 鍋爐風(fēng)機系統(tǒng)運行現(xiàn)狀分析

設(shè)備基本情況,3套循環(huán)流化床鍋爐的運行模式是2開1備,常用負荷約為135 t/h。每套鍋爐配備1臺一次風(fēng)機、1臺二次風(fēng)機和1臺引風(fēng)機。一次風(fēng)機、二次風(fēng)機及引風(fēng)機均采用進口閥門調(diào)節(jié)。

2 鍋爐風(fēng)機系統(tǒng)節(jié)能潛力分析

分析系統(tǒng)運行的效果和能耗的合理性,目前系統(tǒng)主要存在以下問題。

2.1 鍋爐風(fēng)機運行效率低

經(jīng)現(xiàn)場測試及運行數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)一次風(fēng)機、引風(fēng)機的選型不盡合理,與鍋爐系統(tǒng)不匹配[1-2],導(dǎo)致風(fēng)機運行效率偏低、功耗高,現(xiàn)場測試參數(shù)見表3。

表3 一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、引風(fēng)機與配套電機現(xiàn)場實測運行參數(shù)

風(fēng)機能耗計算公式為：

(1)

其中：η風(fēng)機為風(fēng)機效率,%;η電機為電機效率,%;η傳動為傳動效率,%;p為風(fēng)機壓力,Pa;P為電機的輸入功率,kW;Q為體積流量,m3/s。

根據(jù)式(1)分別計算3臺風(fēng)機分別計算運行效率。

一次風(fēng)機運行效率：

二次風(fēng)機運行效率：

引風(fēng)機運行效率：

經(jīng)現(xiàn)場測試并分析運行數(shù)據(jù),一次風(fēng)機、二次風(fēng)機及引風(fēng)機的實際運行效率分別為68.9%、81.5%、74.9%。一次風(fēng)機、引風(fēng)機運行效率較低,選型不盡合理。如鍋爐一次風(fēng)機設(shè)計體積流量131 790 m3/h,全壓為22 360 Pa,根據(jù)測試與相對應(yīng)的國標風(fēng)機對比分析。從流量-功率特性可知,風(fēng)機目前運行偏離設(shè)計工況,導(dǎo)致功耗較高,風(fēng)機性能曲線見圖1。

圖1 引風(fēng)機性能曲線

2.2 引風(fēng)機閥門調(diào)節(jié)效率低

鍋爐運行負荷為132 t/h,設(shè)計負荷為150 t/h,極限負荷為160 t/h。由于閥門開度過小,一次風(fēng)機34%、二次風(fēng)機60%、引風(fēng)機50%,調(diào)節(jié)效率較低,導(dǎo)致系統(tǒng)浪費嚴重。風(fēng)機不同風(fēng)門開度阻力見圖2和表4。

圖2 風(fēng)機不同風(fēng)門開度阻力圖

表4 一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、引風(fēng)機系統(tǒng)阻力 Pa

鍋爐運行負荷132 t/h,設(shè)計負荷150 t/h,極限負荷160 t/h。預(yù)估分析一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、引風(fēng)機運行數(shù)據(jù)見表5和圖3、圖4。

圖3 不同負荷下一次風(fēng)機、二次風(fēng)機性能曲線

圖4 不同負荷下引風(fēng)機性能曲線

表5 不同負荷下運行參數(shù)

3 鍋爐風(fēng)機整體優(yōu)化方案分析

3.1 高效風(fēng)機改造

高效風(fēng)機改造適用于運行工況相對穩(wěn)定的系統(tǒng)。通過對風(fēng)機進口和出口管道上的壓力、流量、溫度等進行詳細、精確測量,確定風(fēng)機的節(jié)能目標值,分析與評估整個工況范圍的性能,并根據(jù)運行條件進行定制優(yōu)化,提高節(jié)能空間。

根據(jù)現(xiàn)場工況參數(shù),設(shè)計定制高效葉輪,使葉輪匹配系統(tǒng)運行工況,且通過對風(fēng)機進口氣流模擬優(yōu)化,改造原進風(fēng)口(見圖5),使煙氣均勻進入葉輪,減少流動損失,進而提高風(fēng)機整體效率。

高效風(fēng)機CFD模擬及氣動設(shè)計：氣動設(shè)計是指在滿足系統(tǒng)所需流量和壓力的前提下進行通風(fēng)機通流部分幾何尺寸與形狀的設(shè)計計算[3-4]。

通過運用計算流體動力學(xué)(CFD、ANSYS)及豐富的高效風(fēng)機模型數(shù)據(jù)庫,對風(fēng)機從進口調(diào)節(jié)門、進風(fēng)口、葉輪、機殼進行全尺寸流場計算及仿真,見圖6。風(fēng)機關(guān)鍵參數(shù)含義及單位見表6。風(fēng)機設(shè)計后的模型驗證及修形見圖7。

表6 風(fēng)機關(guān)鍵參數(shù)

3.2 風(fēng)機調(diào)速節(jié)能技術(shù)分析

根據(jù)流體力學(xué)原理,風(fēng)機的風(fēng)量Q、風(fēng)壓p、軸功率P與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為：風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比,風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的二次方成正比,軸輸出功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。圖8表明了風(fēng)機在轉(zhuǎn)速改變時,其性能曲線的變化,其中,qV1、qV2、qV3為風(fēng)機流量;p1、p2、p3為風(fēng)機全壓;P1、P2、P3為風(fēng)機功率。

圖8 風(fēng)機轉(zhuǎn)速改變時調(diào)速調(diào)節(jié)曲線

轉(zhuǎn)速由n1變到n2時,qV、p、P的變化如下：

(2)

(3)

(4)

式中：QV2、p2、P2為風(fēng)機在n2轉(zhuǎn)速時的流量、全壓及功率;QV1、p1、P1為風(fēng)機在n1轉(zhuǎn)速時流量、全壓及功率。

當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速為n1時,風(fēng)機的壓力、流量曲線與管網(wǎng)性能曲線R1相交于A1,其相應(yīng)流量為Qv1,全壓為p1。相對節(jié)流調(diào)節(jié)而言,當(dāng)流量為Qv2時,關(guān)閉閥門,管網(wǎng)特性曲線由R1變化到R,與n1時的風(fēng)機性能曲線相交于B1,此時流量為Qv2,壓力p2′,因而調(diào)速調(diào)節(jié)時比節(jié)流調(diào)節(jié)時壓力要減少Δp=p2′-p2,因此認為效率不變時相應(yīng)的軸功率要減少。

(5)

所以,采用調(diào)速調(diào)節(jié)能把消耗在節(jié)流中的損耗省下來,達到節(jié)能的目的。其調(diào)速節(jié)電現(xiàn)應(yīng)用較廣的方式主要為液力偶合器、變頻、永磁調(diào)速、永磁電機+變頻調(diào)速等。

3.2.1 液力偶合器改造

液力偶合器是以液體為介質(zhì)傳遞功率,通過控制工作腔內(nèi)工作油液的動量矩的變化來傳遞電動機能量并改變輸出轉(zhuǎn)速。實操中通過控制工作腔內(nèi)參與能量傳遞的工作油多少來控制輸出軸的力矩,達到控制負載轉(zhuǎn)速的目的。液力偶合器調(diào)速的優(yōu)點是技術(shù)成熟、運行可靠、價格低廉,但液力偶合器比較適用風(fēng)機裕量較大的設(shè)備。主要缺點為節(jié)能效率低、調(diào)節(jié)精度低、響應(yīng)慢、功率因數(shù)低。

3.2.2 風(fēng)機+變頻節(jié)能改造

變頻調(diào)速是通過改變頻率來調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速特點是技術(shù)先進、可靠、成熟,諧波污染較小,系統(tǒng)效率高,功率因數(shù)高,調(diào)速范圍寬且低速性能穩(wěn)定,轉(zhuǎn)矩特性好。但裝置體積較大,投資費用相對較高。

利用高壓變頻技術(shù),可以通過改變風(fēng)機實際轉(zhuǎn)速,調(diào)整風(fēng)機供風(fēng)壓力和風(fēng)量,使風(fēng)機供出的流量和系統(tǒng)需要的流量相匹配,達到降低能耗的目的。

從液力偶合器與變頻器的比較來看,變頻調(diào)速更接近于理相曲線,變頻調(diào)速更優(yōu)。

3.2.3 永磁渦流柔性傳動改造

永磁驅(qū)動調(diào)速器是通過氣隙傳遞轉(zhuǎn)矩的傳動設(shè)備,一般由導(dǎo)磁體、永磁體、執(zhí)行器3個部分組成(見圖10)。導(dǎo)磁體、永磁體之間有一定的空氣間隙,通過執(zhí)行器調(diào)節(jié)空氣間隙的大小來控制負載輸出速度。

圖10 永磁調(diào)速器結(jié)構(gòu)

永磁渦流柔性傳動調(diào)速裝置是通過調(diào)節(jié)扭矩來控制轉(zhuǎn)動速度,運行時根據(jù)負載實際運行過程中扭矩的大小來調(diào)整電機輸出端的扭矩,負載要求扭矩減小,電機輸出扭矩則隨之減小,相應(yīng)的輸出功率也會降低,從而達到了節(jié)能的目的。工作效率可達到96%以上,而由永磁渦流柔性傳動裝置調(diào)速后的能耗,則降低到原有能耗的33%～75%。

3.2.4 風(fēng)機+永磁電機+變頻改造

永磁電機結(jié)構(gòu)見圖11。

圖11 永磁電機結(jié)構(gòu)圖

3.3 比對風(fēng)機節(jié)能技術(shù)方案

通過改造高效節(jié)能風(fēng)機,以及分析液力偶合器、變頻、永磁調(diào)速、永磁電機+變頻調(diào)速等不同調(diào)速方式,找到更優(yōu)的節(jié)能改造方案。按各方案的節(jié)能量、投資回報、技術(shù)成熟度、改造工作量等多維度進行比對,其結(jié)果見表7。

表7 風(fēng)機節(jié)能技術(shù)方案比對表

方案1：更換高效節(jié)能風(fēng)機且電機利舊方案。該方案節(jié)能量為973 kWh。該改造方案技術(shù)成熟可靠,改造后運行穩(wěn)定性有保證。但改造后如果鍋爐運行負荷變化較大,可能會存在節(jié)能風(fēng)機不在高效區(qū)域運行而導(dǎo)致能量浪費的問題。

方案2：液力偶合器調(diào)速的優(yōu)點是技術(shù)成熟、運行可靠、價格低廉;缺點是雖然節(jié)能但效率低且調(diào)節(jié)精度低、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、維護量大、功率因數(shù)低,另尚需采取無功補償措施。因此,采用液力偶合器節(jié)能效果有限,只是一種過渡方法,并非節(jié)電的最佳途徑。

方案3：改造現(xiàn)有風(fēng)機+新增高壓變頻器方案。該方案節(jié)能量為1 136 kWh。該改造方案技術(shù)成熟可靠,改造后運行穩(wěn)定性有保證。

方案4：新增永磁調(diào)速裝置。該方案節(jié)能量為1 136 kWh。該方案永磁調(diào)速裝置的安裝方式簡單,工程量小。永磁調(diào)速裝置是安裝在電動機和負載之間的設(shè)備,改造容易實現(xiàn)。該技術(shù)是近年來引入國內(nèi)的技術(shù),改造后運行穩(wěn)定性是否有保證還有待觀察。

方案5：更換高效節(jié)能風(fēng)機+更換直啟式永磁電機方案。該方案節(jié)能量為1 204 kWh。該改造方案技術(shù)成熟可靠,改造后運行穩(wěn)定性有保證。該改造方案改造量較大,投資較高。

方案6：更換高效節(jié)能風(fēng)機+更換永磁電機+新增矢量變頻器方案。該方案節(jié)能量為1 412 kWh。該改造方案技術(shù)成熟可靠,改造后運行穩(wěn)定性有保證。該改造方案改造量大,投資高。

通過以上6種方案對比,綜合節(jié)能量、改造投資、運行穩(wěn)定性、技術(shù)成熟度等維度考慮,變頻調(diào)速改造方案略占優(yōu)勢,在實際改造中,可根據(jù)不同應(yīng)用場景進行選用。

4 結(jié)語

通過對鍋爐風(fēng)機進行整體優(yōu)化研究,根據(jù)現(xiàn)場工況參數(shù),詳細、精確測量風(fēng)機進口和出口管道上的壓力、流量、溫度等,分析與評估整個工況范圍的性能并進行優(yōu)化,設(shè)計定制高效葉輪,模擬優(yōu)化風(fēng)機進口氣流;通過分析比對液力偶合器、變頻、永磁調(diào)速、永磁電機+變頻調(diào)速等調(diào)速方式,找到適合風(fēng)機節(jié)能改造的方式。相關(guān)改造為大型合成氨綜合能耗的降低提供了解決方案。