海水泵高压变频节能改造可行性分析

摘要：福建LNG接收站高压外输期间，当外输量较小时经常出现海水泵与ORV运行不匹配、海水泵产能过剩的工况。文章从节能、控制和优化工艺生产操作的角度探讨了海水泵实施高压变频技术改造的可行性，分析指出高压变频装置的优点和改造后海水系统运行的可靠性，以及产生的经济效益。

关键词：海水泵 高压变频 改造 节能

一、引言

海水泵是福建LNG接收站生产装置的重要设备之一，它为开架式汽化器（ORV）提供海水作为热源与LNG（液化天然气）进行热交换，将LNG汽化为天然气（图1）。福建LNG接收站一期设计有四台海水泵（海水泵的设计参数见表1），与四台高压泵、四台ORV（ORV的设计参数见表2）配套使用。接收站的海水温度范围为9.2℃~29.5℃，海水全年无冰冻期、热容量大，能为热交换提供充足热量。

LNG接收站采用LNG与海水换热的生产工艺，充分利用了海水的热量，海水的出口温度在0℃以上，且海水进出口的温度差不允许超过5℃。在设计时，充分考虑能源的综合利用，将海水的排水口设在电厂冷却循环水的吸入口，将海水中的冷量充分利用，所以此生产工艺是一种节能环保的设计。在生产过程中，海水泵做功将海水升压，通过管道输送到ORV进行热交换，海水泵消耗了大量的电能。从接收站目前的运行方式来看，在下游用气量大时海水泵最多运行三台，在下游用气量小时海水泵运行一台，若ORV的高压外输量与海水泵运行不匹配，比如当高压外输量小于195t/h时，用于热交换的海水将过剩，会造成大量海水浪费，海水泵将做大量无用功，造成单位产值能耗和生产成本增加。因此，降低海水泵的用电消耗，是实现接收站节能降耗的重要措施之一。

二、海水泵节能措施

1.提高海水泵的运行效率

海水系统主要由海水池、海水泵和管网组成。海水系统的运行效率主要由海水泵的运行效率和管网效率决定。两种效率之间关系密切，反映了海水泵与管网之间的匹配合理程度。当匹配合理程度较高时，系统能耗较低；反之系统能耗较高。一般情况下，海水泵的高效率区域在85%~110%的额定流量范围内，如果海水泵的运行流量超出此范围其运行效率将降低。对于海水系统的管网效率，由于海水管网结构已经确定，管网的阻力基本保持不变，其效率也基本不变。因此，在生产过程中通过优化操作使海水泵运行效率与海水管网的效率匹配，以降低能耗。

2.调节海水泵出口阀，降低海水流量

在生产操作过程中，可调节海水泵出口管道上的调节阀，可降低海水泵的流量，但会引起海水泵工作压力升高而增加能耗。

3.改变运行方式，提高海水利用率

根据设计，海水泵与ORV运行时一一对应，但在满足热交换和外输量足够大的情况下，可改变海水泵的运行方式进行外输，比如运行两台海水泵对应三台ORV，运行三台海水泵对应四台ORV。

4.切削海水泵叶轮，降低海水泵的功率

目前，单台海水泵运行时产能过剩，出口流量和压力较高。在保证海水泵的流量和扬程的前提下，可采用切削叶轮的方法，将海水泵的功率降低到合理水平，达到节能降耗的目的。但海水冬季与夏季的水温有一定差别以及考虑到极端天气等因素的影响，故无法确定切削海水泵叶轮的尺寸。

5.对海水泵进行高压变频改造，使海水泵自动调速

可将高压变频装置应用于海水泵，通过改变海水泵电机的运行频率实现海水泵的自动调速。改造后，海水泵可根据ORV对海水流量和压力的需求适时地改变运行功率，使海水泵的做功与换热量相匹配，从而达到节能的目的。

以上是福建LNG接收站实现海水泵节能降耗目标的几个措施，实际上只有对海水泵进行高压变频改造能从根本上解决海水泵的能耗问题，其他方法的效果不是很好，并且操作范围较小。海水泵高压变频改造不会改变海水泵的结构，改造后海水泵可实现自动调速并在满负荷状态长期运行，不仅降低了海水泵的能耗，而且增加了操作范围，在此仅推荐海水泵高压变频改造方案。

三、海水泵高压变频改造可行性分析

高压变频技术在近几年有较大的发展，已成功应用于炼钢厂、发电厂、化工厂的大型风机、加压机、循环水泵等设备，节能效果明显，设备的节电率保持在10%以上[1]，为企业带来了可观的经济效益。

1.高压变频装置的优点

1.1调速范围宽，高压大容量变频器调速范围可以做到0~100%。

1.2调节精度高，效率高，在正常变速范围内，变频装置的总效率在93%以上，功率因数提高到0.95以上，降低线损[2]。

1.3可实现真正的软启动，对电机和电网无冲击。

1.4改变运行方式容易，当变频器故障时，可以通过旁路柜切换到工频状态运行[3]。

2.海水泵高压变频改造方案

海水泵正常运行时的平均流量为7800m3/h，ORV出口天然气的温度在20℃左右。实践表明，运行两台海水泵和三台ORV进行外输时，三台ORV的外输总量达到540t/h，每台ORV分布的海水平均流量为5500m3/h，每台ORV出口天然气的温度均在10℃以上，满足工艺指标和合同要求。根据海水泵的性能曲线可知（图2），海水泵运行的最小流量为6300m3/h。海水泵运行时，只有出口流量达到6300m3/h才能保证泵不会因为流量过低而发生汽蚀现象损坏泵。

因海水系统使用的超声波流量计的波动范围约为150m3/h，海水泵进行高压变频改造时，为了保证高压泵的安全运行，以6800m3/h作为流量控制参数，此流量远大于5500 m3/h，可保证LNG汽化所需的热量，满足生产要求。

为了保证海水泵运行的可靠性和流量的稳定性，进行高压变频改造时，DCS操作画面具有两种控制模式：自动模式可以将海水管网的压力作为控制参数，根据管网的设定的压力作为调节海水泵运行频率的依据；手动模式时可根据超声波流量计的参数作为调节海水泵变频器运行频率的依据，从而调节海水管网的流量。同时将变频器的运行参数及状态接入DCS系统，以便监控。

3.经济效益分析

从海水泵的性能曲线和实际运行情况可知，海水泵流量为7800m3/h时轴功率为1070KW。海水泵高压变频改造后，若以6800m3/h的海水量进行供水，将减少海水泵的做功。

由流体力学可知水泵的轴功率 P=（ρ×g×H×Q）/η，式中：

P为水泵的轴功率；

Q为流量；

H为扬程；

η为泵的效率。

假定海水泵运行的效率和扬程不变，可得

P1/P2=Q1/Q2

在外输量相同的工况下，单台海水泵高压变频改造后运行时的用电消耗为（以1h计）

P2= P1×Q2/ Q1=1070×6800/7800×1=933 (KWh)

每小时节电：1070－933=137 KWh

每天节电：137×24=3288 KWh

每年节电：3288×365=1200120 KWh

平均节电率：1200120/（1070×24×365）×100%=12.8%

节约电费：平均电费以0.5704元/ KWh计算，

每年节约电费：1200120 kWh × 0.5704元/kWh = 684548.5元

通过分析可知，海水泵进行高压变频改造后，平均节电率达12.8%，每年单台海水泵节约电费约684548元，该项目投资约为170万，可在3～4年内收回成本,而高压变频器的使用寿命为8～10年，经济效益可观。

4.海水泵高压变频改造后对系统的影响

4.1改善海水系统的运行条件。投入高压变频器后海水泵的出口流量和压力比较平稳，运行人员可以自如地调控，使海水泵的运行条件得到改善，同时减少对海水出口管道和回流管道以及ORV翅片管的水力冲击。

4.2延长电机和海水泵的使用寿命。海水泵在工频状态启动时，电机的启动电流大（约5～8倍额定电流），机械冲击力很大，进行高压变频改造后，可以实现软启动和软制动，对电机几乎不产生冲击，可延长机械的使用寿命。

4.3减小对调节阀的机械磨损，延长调节阀的使用寿命。海水泵正常运行时，通过高压变频器调节其转速，从而实现出口流量和压力的自动调节，避免了完全通过调节阀对流量和压力进行控制，减小了调节阀的机械磨损。

4.4当海水泵变频器故障时，系统可将变频器切除，自动通过旁路柜切换到工频状态，保证接收站海水系统的安全运行。

4.5可降低海水管网压力，减少ORV冲刷。

5.高压变频改造缺点

5.1变频器运行的可靠性比开关控制较差，但可以通过旁路柜切换到工频状态运行以解决该缺点。

5.2与高压开关相比，目前高压变频器价格比较昂贵（每台价格约140万元人民币），一次性投资较大，使用寿命较短(约8~10年)。

四、结论

通过上述分析可看出，海水泵进行高压变频改造后，不仅节约了大量电能，而且使电机实现了真正的软启动，减小了对海水管道、调节阀、ORV的水力冲击和磨损，使系统的运行更安全可靠，并且可大幅度节省这些设备的维护费用，降低接收站的生产成本。因此，海水泵实施高压变频技术改造，可优化接收站的生产操作模式，降低能耗。

参考文献

[1]张选正，张金远．变频器应用技术与实践[M]．中国电力出版社， 2009．

[2]王惠君，贾伟．高压变频器在给水泵电机上的应用及节能分析[C]．《有色冶金节能》，2006年，06期．

[3]GB/T24625-2009 变频器供电同步电动机设计与应用指南[S].

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