石油化工行业节能技术讲义

节 能 技 术 讲 义

巴蜀江油发电厂 贺振东

目 录

一、我国的能源现状 ........................................................ 1

二、技术节能 .............................................................. 1

1、节能的定义 ......................................................... 1

2、技术节能的基本原则 ................................................. 2

3、节能技术概述 ....................................................... 2

三、电气节能的途径 ........................................................ 5

1、电动机节能 ......................................................... 5

2、变压器节能 ......................................................... 5

四、变频调速节能技术 ...................................................... 6

1、机泵应用的现状 ..................................................... 6

2、变频器的工作原理 ................................................... 7

3、异步电动机使用变频器的调速原理 ..................................... 7

4、机泵调速节电原理 ................................................... 7

5、应用举例 ........................................................... 9

6、变频器使用应注意的问题 ............................................ 11

7、变频控制技术的显性和隐性效益及利弊分析 ............................ 11

8、如何快速判断哪些机泵具有调速节电潜力 .............................. 12

9、变频器类型选择 .................................................... 12

10、变频器容量选择 ................................................... 12

五、管理节能 ............................................................. 13

六、结束语 ............................................................... 13

一、我国的能源现状

1、能源供应压力大,能源安全日益严峻

我国能源消费总量已经位居世界第二,约占世界能源消费总量的11%。随着需求的快速增长,我国能源供给约束越来越大。综合起来看,当前我国能源供给的矛盾已超出生产能力不足这个层面,更为突出地表现为资源不足的“瓶颈性”约束。近年来,我国能源进口依存度不断上升,尤其是石油的进口量年增20%,对外依存度已达55.2%。

2、能源利用效率较低,浪费严重

我国在能源利用上仍处于粗放型增长阶段。当前,我国经济社会发展中存在一个较为突出的矛盾,就是在能源资源相对贫乏的条件下,不少地区的经济增长速度仍然是靠“三高”(高投资、高能耗、高污染)来支撑,结果表现为“两低”(低质量、低效益),以及“三荒”(煤荒、电荒、油荒)现象。

3、节能减排所面临的巨大压力

2011年9月27日,国务院召开全国节能减排工作电视电话会议,全面动员和部署“十二五”节能减排工作。温家宝总理要求:坚持以科技创新和技术进步推动节能减排,加快建立节能减排的技术支撑体系,促进节能减排技术示范和推广应用,完善节能减排长效机制。加强节能管理体系建设,加强节能减排能力建设,,推进重点领域节能减排,促进重点用能单位科学管理、组织、控制生产经营活动,加强工业、建筑、交通领域节能减排。

二、技术节能

1、节能的定义

节能是指在满足相等需要或达到相同目的的条件下,通过加强用能管理,采取技术上可行,经济上合理以及环境和社会可以接受的措施,减少从能源生产到消费各个环节中的损失和浪费,提高能源利用的经济效果。

2、技术节能的基本原则

① 节能要满足生产设备的功能,确保其安全性、可靠性。任何情况下,必须坚持可靠性第一的思想,在兼顾生产技术性能的前提下,进一步降低损耗,提高生产的经济指标。

② 节能要满足经济性要求,应考虑节能和投资回收期。

③ 节能要考虑技术的先进性原则。

④ 节能的着眼点,要考虑节约能源和保护环境的原则。

3、节能技术概述

以节能为中心进行技术改造,通过技术革新和技术进步节约能源,是企业节能的一条重要的途径,主要包括以下几个方面:

(1)工艺和设备节能

能源的开采、运输、转换和使用都是通过各项设备和工艺完成的,各类设备和工艺的效率、质量和性能的高低、好坏,在很大程度决定了能源利用水平的高低。因此,改造消耗大、效率低的设备,特别是改造那些已经十分陈旧的设备和工艺,消除各种严重浪费能源的机器和设备,是技术节能的重要方面。

① 大力改造陈旧落后的耗能设备。目前我国企业中仍然有一些技术状况较差的设备,对这些设备进行改造,逐步用省能高效的设备替换,对节约能源具有很大的意义。由于设备种类很多,包括输送机械(泵、压缩机等),

换热设备(锅炉、加热炉、换热器、冷却器等),蒸发设备、干燥设备等,每一类设备都有其特有节能方式:

a. 流体输送机械

对可变负荷的设备,采用调速控制。

b. 换热设备

换热设备的节能方法有:加强设备保温,防止结垢,传热温差合理,强化传热;对锅炉和加热炉还有控制过量空气,提高燃烧特性,(利用燃烧尾气)预热燃烧空气,回收烟气余热;采用高效率设备,如热管换热器等。

c. 蒸发设备

节能措施有:预热原料,多次蒸发,热泵蒸发等。

d. 干燥设备

控制和减少过量空气,余热回收,排气的再循环,热泵干燥等。 ② 积极改革各种落后的工艺流程,也是技术节能的重要一环。

③ 加强设备和管道的绝热保温是许多企业的有效节能措施。目前企业由于费用紧张和受招投标中低价中标的影响,导致管线保温工作存在较大问题:部分保温多年没有更新,破损严重;保温裁量质量差,施工质量差。工业企业的不少设备,如炉窑、热交换器、热网管道、阀门和法兰等等,温度高,散热量大。例如,某厂测得1m不保温的蒸汽管道,一年损失蒸汽为16t,一个不保温的直径500mm 的阀门,一年损失蒸汽12t,一个不保温的直径400mm的法兰,一年损失蒸汽4.2t。可见,保温是一项重要的节能措施,搞好管线保温工作能够明显减少管线热损,投资少,见效快。通过对管线保温工作进行普查,对表面温度高、破损严重的管线保温及时更换。另外,要选

择新型的保温材料和最佳的保温层厚度。

④ 消除各生产环节各类能源的“跑、冒、滴、漏”。

⑤ 余能的回收利用是我国企业的一项重要节能措施。我国余能资源非常丰富,特别是冶金、化工和建材等部门,可以利用和回收的余能很多。企业中可以回收和利用的余能有三类:一类是有压性余能,如压力较高的蒸汽,这是目前企业中最经常利用的一种余能资源;另一类是载热性余能,有排气热、化学反应热以及物料、产品和工质等带走的高温热,如排放的各类废气,锅炉和炉窑的烟道气,燃气轮机和内燃机的排气,冷却水和冷凝水等带走的热量等;再一类是可燃性余能,这是可以作为燃料使用的一种余热资源,应大力开发和加以回收利用,这类余能回收的经济效益显著。

(2)系统节能

我国企业能源利用效率与国际先进水平相比有较大差距,除了有工艺、技术的原因外,很重要的一点就是在系统用能方面,我国企业特别是炼油、乙烯、合成氨和钢铁等行业在系统用能方面存在以下主要问题:

① 具备热联合或热集成条件的装臵(或生产单元)孤立运行,致使系统总体用能不合理。

② 蒸汽管网布臵不合理,蒸汽配送与装臵不匹配,凝结水没有回收,管网和设备的保温性能差,运行参数控制不准确,致使蒸汽损耗大。

③ 余热余压未能利用,致使一些换热网络、生产系统和装臵能耗水平相对落后。

④ 由于生产建设滚动式发展,公用工程系统未进行整体能量系统优化设计,致使企业供能系统效率低。

三、电气节能的途径

1、电动机节能

由于生产企业电动机数量多,耗电量大,大约要占生产企业电力消耗的80%,因此电动机的节能非常重要。

① 更换高效节能的电动机。

很多生产企业老的生产装臵还在使用BJO2、JB、JO2系列电动机,现在

的YB系列电动机较BJO2效率高出0.15%,YBX系列又比YB高出3%。

② 合理选用电动机的容量

三相异步电动机的三个运行区域分为:负载率在70~100%之间为经济区;负载率在40~70%之间为一般区;负载率在40%以下为非经济区。若电动机容量选得过大,虽能保证设备的正常运行,但投资大,功率因数和效率都很低,造成电力的大量浪费。从节能角度来讲,80%负载时的运行效果最佳,能量利用效率最好。

③ 电动机选型的其他注意事项

a.因电压等级差异导致损耗的差异,当负载较大时,高压电机较低压

电机宜优先选择。

b.因功率因数的差异,高速电机较低速电机宜优先选择。

c.因转子效率的差异,鼠笼式电机较绕线式电机宜优先选择。 ④ 大力推广变频调速节能技术。

2、变压器节能

作为电压转换设备,变压器被广泛应用于书店和配电领域。由于生产企业所用的变压器容量和数量较多,运行时间长,总损耗较大。因此,变压器

在选择和使用上存在巨大的节能潜力。

① 合理选择变压器的负载率

变压器的损耗由两部分组成,一部分是空载损耗(PN),他在变压器一

次绕组电压和频率恒定的条件下是固定不变的,与负荷大小无关。另一部分是负载损耗(PL),它不仅与变压器的自身特性有关,还随变压器负载的增

大而增大,是一个可变损耗。制造厂设计的变压器经济运行负载率在40~60%之间,因此选择变压器容量和数量时,应考虑变压器负载率在此范围之间。数据计算与测试显示,负荷率在50%时,变压器损耗最小。

另一方面,石油化工行业为连续生产企业,对供电系统的可靠性有比较严格的要求,往往采用两台变压器、双段母线供电的方法来保证生产装臵不会因供电中断而停止运行,当一台变压器有故障时,可由另一台变压器带全部负荷。从供电可靠性来说,变压器负载率在50%左右,也较为合适。

② 选择高效节能的新型变压器

四、变频调速节能技术

1、机泵应用的现状

在工业生产过程中,电动机是应用最广和数量最多的电气设备,其大部分是风机、水泵类负载。一般而言,风机、水泵类负载大多是根据满负荷工作量来设计、选型的,都留有10%以上的余量。此外。随着生产加工量、物料工况的变化,实际需求功率也发生变化,流量、压力等工作参数经常随着工况变化而变化。实际运行中,风机、水泵大部分工作时间并非出于满负荷运行状态,原来的电机恒速和机泵恒流、恒压设计则会导致电能浪费。传统方法是通过调节入口或出口挡板、管路阀门及调节阀开度来调节流量、液位

等工艺参数,定速机泵输出功率被实际利用的仅占30-40%,而60-70%的电能消耗在挡板、阀门节流压降上,不仅造成极大的能源浪费,长期节流还造成挡板、阀门的冲蚀,维修量、故障率也增加。

机泵系统普遍存在的问题是:

① 节流量大,泵出口门或风机挡板的节流量达到额定出力的一半一

般甚至更多,浪费大量的电能。

③ 控制精度低,出口压力或流量波动较大。 电动机在额定转速下运行,不论负载如何变化,电动机出力不变。 机泵节能的根本问题在如何使控制方案与实际负荷相匹配,在控制过程中降低阀门阻力,提高系统效率,这就为应用变频调速节能技术提供了广阔的发展领域。

2、变频器的工作原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源(50Hz)变换为另一频率的电能控制装臵。

3、异步电动机使用变频器的调速原理

60f1n=(1-s) p

n 转速

f 频率

p 电机极对数

s 异步电动机转差率

工频电源下的电动机恒速运行,如能将电源频率改变,则电动机转速也随之发生改变,这就是变频器的调速原理

4、机泵调速节电原理

由流体力学可知,P(功率)=Q(流量)×H(压力),流量Q与转速N

的一次方成正比,压力H与转速N的平方成正比,功率P与转速N的立方成正比,如果水泵的效率一定,当要求调节流量下降时,转速N可成比例的下降,而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。所队当所要求的流量Q减少时,可调节变频器输出频率使电动机转速n按比例降低。这时,电动机的功率P将按三次方关系大幅度地降低,比调节挡板、阀门节能40%一50%,从而达到节电的目的。 管道与泵的特性曲线见下图

在管道与泵的特性曲线图中可看到,靠泵的出口手阀或调节阀节流调节流量时,比如流量由Q0调节至Q2,泵的特性维持曲线n0不变,管道特性由

曲线1变为曲线2,泵与管道的特性曲线交点(泵的工作点)由A点移至A2点,扬程由A点上升至A2点;使用变频调速调节流量时,流量还是由Q0调节至Q2,此时管道特性维持曲线1不变,泵的特性由n0改变为n4,扬程由A点下降至C2点。C2即为实际需求扬程,使用变频调速调节流量时节省扬程

A2C2段,这段扬程也是靠阀门调节流量时损耗在阀门上的扬程。

其节能原理矢量图见图

1.

5、应用举例

渣料进料泵是九江石化公司30万吨合成氨装臵的重要设备,将减压渣油原料输送到气化炉。渣油进料泵电机功率75kW,转速2982r/min,额定电压380V,额定电流140A,额定出口流量28.5m3/h。原系统采用控制出口阀门的开度来控制流量,保持流量稳定。原系统存在的主要问题是:节流量较大,泵出口阀的节流量已接近泵额定流量的一半;控制精度低,出口流量波动较大;电机噪声大,泵和管线阀门的压力较大,易造成泄漏。2008年5月九江石化公司对3台渣油进料泵(2台检修,1台备用)进行变频节能改造。投入运行后工艺控制平稳,由于变频器的高精度调节特性,调节信号有高速传递性,减少了仪表控制系统带来的滞后性,从而使系统控制精度调高,压力稳定,工艺运行指标得到了优化。节能效果显著,节电率达到了70%,按年运行8000小时计算,两台渣油进料泵年节约电量:节电率×电动机功率×运行时间×2台=70%×75kW×8000h×2=420000kWh;节约电费:节电量×电费=420000×0.6=252000元。由于出口阀全开,电动机降速运行,管网

压力下降,减少了工艺设备的泄漏,阀门维护量也大大减少,降低了机泵磨损和电机温升,设备维护周期延长。

液氨输送泵是九江石化公司30万吨合成氨装臵的关键设备,将生产的液态合成氨输送到氨罐储存。该泵关键技术参数为:电机功率160kW,额定电压6kV,转速2975r/min,额定电流220A,液氨输送泵为立式离心泵,采用机械密封,由于电动机长时间连续运转,负载波动大,电动机运行时产生机械震荡,振动值一直较高,加之液氨腐蚀性较高,经常造成机封损坏,出现氨泄漏,液氨很容易吸热气化,造成泵体气蚀,打不上量。设备故障率高,维修工作量大,基本上两三个月就要检修更换机封,影响了设备的安全长周期运行。2008年9月,九江石化公司对液氨输送泵进行了变频调速改造,实现了靠自动控制电动机转速控制液氨流量,使输送泵出口门全开,扬程和管网阻力特性曲线相吻合,电动机降速运行,输出功率也显降低,系统各项运行参数均在正常范围以内,电动机实现了软启动,减小了大电机启动对电网的冲击,电机轴承运行温度不超过60℃,振动、轴向位移符合技术要求,机泵运行时的机械振荡、振动值大幅度降低,轴承、机封等机械部件磨损减少,有限延长了机泵易损件的使用寿命,减少了设备泄漏,机泵故障率大幅度下降,提高了设备运行的安全稳定性,设备可以连续运行一年多才进行常规中修。根据统计,该项改造节电效率达到60%,年节电50多万kWh,成为石化企业节能降耗的亮点。

据不完全统计,九江石化公司累计投入资金5000多万元用于机泵变频调速节能技术改造,平均投资回收期月两年。截止2009年7月底,九江石化公司已投入运行的变频调速器有462台,总装机容量达到16000kWh,若

按每台设备平均节电率40%计算,则每年至少可节约电能4200万kWh,每年可节约电费2500多万元,节约设备维修费、材料费100多万元。

6、变频器使用应注意的问题

① 对变频调速的机泵应调整操作习惯,全开机泵出口阀及调节阀,采用变频调节机泵转速,从而最大限度发挥变频节电的作用。

② 变频器使用上要注意以下技术细节:容量选择要大一到两档,增加过载能力、使用寿命及运行可靠性;配备电抗器或其他消谐设备,以抑制谐波的产生;合理设臵参数,对需要“晃电“自起动的机泵要开启故障自复位、自起动及转速自动跟踪功能。

③ 确保变频器的应用环境,高温、粉尘是变频器故障的主要原因。

④ 进行变频技术节能改造时,必须考虑变频控制与工业控制系统的衔接,确保生产可靠性。

7、变频控制技术的显性和隐性效益及利弊分析

显性效益就是指节电效益。变频控制传动调速对于负载性质和负载率的不同,节电率也是不同,一般负载率在0.5左右时,节电率在20—47%左右。低压设备变频调速改造投资少、见效快,投资回报期基本上在一年左右。 高压设备投资回报期在2—4年之间。

隐性效益主要体现:

① 利用变频器调节控制软件,可以根据工艺负荷精确的调节电动机转速,保持恒定的水压、风压,实现生产工艺流程的精细调整。

② 实现了电机的软启、软停,消除电机启动电流对电网的冲击,减少了启动电流的线路损耗;

③ 消除了电机因启停所产生的惯动量对设备的机械冲击,大大降低了机械磨损,泵端密封系统不易损坏,机泵故障率降低,减少设备停运维修时间和次数,延长了设备的使用寿命;

除上述的有利一面,同时也存在一些问题。任何事物都不是绝对的,都要辨证去看去分析,低压变频器输出波型为脉冲形式,会产生一些干扰,实际运行中单台干扰不严重,以30KW容量为例,干扰福射基本在10米之内,在设计时加入抗干扰电路就可以将干扰减少到最少,一般使用时尽量远离电脑、工控机等怕干扰设备,对于多台集中安装时安装位臵要尽量拉开距离,还需专门加装抗干扰屏蔽接地,将干扰减少到最低。

高压变频设备干扰性很小,控制技术较高,输出电压波形近似正弦波形,但设备体积较大,安装调试都比较复杂,投资回收期较长。

8、如何快速判断哪些机泵具有调速节电潜力

机泵负载率经常在50——100%之间波动,有时甚至使用再循环回路(打回流),建议使用变频调速节能。机泵负载率经常在0——50%之间波动,建议更换机泵。

9、变频器类型选择

变频器可分为通用型和专用型,一般的机械负载和要求高过载情况,选择通用型变频器。专用型变频器又可分为风泵专用型、电梯专用型、张力控制专用型等。根据自身应用环境加以选择。

10、变频器容量选择

变频器的容量选择是最重要的,应从负载的实际负荷电流、启动转矩、控制方式来合理选择。如负载是风机、水泵,则选择风泵专用型与电机同功

率即可;对罗茨风机和深井泵应选择风泵专用型比电机功率大一档的变频器。启动转矩是容易忽视的选项,对大的惯量负载,变频器可能要比电机功率加大数档。

五、管理节能

节能离不开技术改造,更离不开有效的组织管理体系。通过加强企业能源管理进行节能,是一条花费少、收益快的重要节能途径。管理节能十分广泛,主要有以下几方面:

(1)建立健全能源管理机构

尽管各企业均设臵了能源管理部门,但实际管理中仍存在工作职责不明,沟通不畅,奖惩未落实等情况。为了落实节能工作,必须有相对稳定的、职能明确的节能管理班子,去管理和监督能源的分配、计量、使用,制定节能计划,提出具体的节能措施,并进行节能技术培训。

(2)建立企业的能源管理制度

对各种设备及工艺流程,要制定操作规程;对各种类产品,制定能耗定额;对节约能源和浪费能源,有相应的奖惩制度,建立能耗指标与效益挂钩体系;加强对重点耗能设备的监测和分析等等。

(3)加强计量管理

企业必须完善计量手段,建立健全仪表维护检修制度,强化节能监测。

(4)合理组织生产,减少能源消耗。

六、结束语

虽然节能改造要进行较大的投入,有时还要全系统停运,但改造所带来的收益是巨大的,不仅有直观的、近期的节能、节电效益,长远看也降低了

运行维护成本。节能的合理限度是技术经济优化,即看实现先进的能耗指标所付出的经济指标是否合理。加大节能改造力度,是石化行业改造挖潜、增加效益的有效途径,现阶段我国电力能源供应缺口仍然很大,供需矛盾突出,石化企业必须依靠科技进步,应用推广节能技术提高经济效益和竞争力,推进企业节能降耗、降本增效,实现石化工业的可持续发展。

作者:

巴蜀江油发电厂 贺振东

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