尿素老系统液氨泵节能降耗改造技术总结.doc

144 2007年化肥学会年会暨新型化肥催化剂及相关使用技术研讨会尿素老系统液氨泵节能降耗改造技术总结易赤丁 (湖南金信化工有限公司冷水江417506)摘要我公司老尿素装置中共有3台日本产高压液氨泵，属于往复式拄塞泵由于其电机仅有一种(同步)转速1500转份，不能变速，在尿素不同负荷生产时因为液氯泵不能调速，其打液量不变当工艺上不需要整机的液氨量时，则不得不大量回流它不仅造成液氨泵利用率低，动力消耗大，而且 增大氨冷器的负荷特别是夏天，气氨冷不下来，致使工艺撵作困难。造成尿素氨耗增高通过对不能 调速的液氨泵进行了电机变速节能改造，不仅保证了尿素生产装置的长周期生产，而且可达到年节电45万k、降低动力和原材料消耗，经济效益显著 关键词尿素液氨泵电机变速改造节能1尿素液氮泵节能降耗问题的提出 众所周知，在与流体(包括液体和气体)有联系的工业企业中当需要调节流量时存在着“回流”和“节流”的工艺过程，前类流量调节属于定压调节，后一类流量调节属于非定压调节。所谓“回流” 调节，就是通过压缩机械压缩后的流体，当工艺装置中需要调节流量而又必须保持压力不变时，一般采 用从压缩机械出口通过近路管网回流一部分流分至压缩机械出口回流量的大小，可根据工艺需要进行 自动调节。达到调节流量又保持压力就的目的，如图l所示。显然这种办法存在着流体压缩减压回 靖卜一再压缩的循环过程，这是一种无效果的作功，这样产生的能量损失称“回流”损失。所谓“节流” 调节，就是在管路中设置一狭窄信道如阀门，挡板等，人为地改变管路阻力，从而达到调节流量的目 的。如图2所示。设管路中原压力为Pl。流量为Ql，阀门关小后，阀前压力为Pl，阀后压力为P2。 阀门阻力为6P，PI=P2+6P，由于管道阻力增加了使流量减少。由图2可知，流体阀前载能量PlQI 大于阀后的载能量P2Q2，节流装置产生损耗为PQ2，显然，这种减少流体载能量调节流量的方法，即减少出口压力产生能量损失，它称为“节流”损失。通过采用机械的和电气的调速方法t不仅满足工 艺装置上调节流量的要求。而且不会产生上述的“回流”和“节流”损失。很多文献资料表明对风机、 水泵、压缩机机械等进行调速，可取得很好的节能效果。为T18s-250_80180sF，Q=24 m3mv系“日机装”公司生产。其配套的电机为380伏250千瓦，四极垂一图l。回流”调节示意图我公司老尿素系统生产工艺流程参见图3。它共有三台高压液氨泵，属于往复式柱塞泵，型号规格的异步电动机。为日本。YAs鼬w，A“电机公司产品，仅有一种(同步)转速为1500转，分。不能变速 在尿素不同负荷生产时要开l台或2台液氪泵因为液氨泵不能调速液氨泵一开起来其打液量不变2007年化肥学会年会置新型化肥催化荆及相关使用技术研讨会 145(实际打液量为27 o，11，开2台液氨泵为54 m3，II)当工艺上不需要整机的液氨量时则不得不大量 地经过压缩后的液氮经T6调节阀和氨冷器回流，回到液氨泵进口结合如前所述，很明显我公司老尿 素系统这种对液氨压缩一回流一压缩的循环过程是一种无效的作功过程白白地消耗动力，是一种耗 能大的工艺过程，也是一种落后的操作方法。在尿素生产工艺实践中。它一方面造成液氨泵利用率低， 动力消耗大；另一方面，增大氨冷器的负荷，特别是夏天，气氨冷不下来，造成工艺操作上的困难，造 成尿素氨耗增高尿素c02压缩机在单、双或三机生产时，液氨泵的开机台数，需要的打液量，氨的 回流量、和液氮泵利用率情况参见表1。图3尿素老系统工艺流程表l液氨泵利用率情况C02压缩机 工艺需要液氨量 液氨泵开机数量 液氨泵打液量QH氨液回流量Q2 液氨泵利用率开机台数 (m3m) (台) (m) (mh)()单机 66132 l 27 20413824一-29 双机 132一五64 l27138m64998 三机(70)264一006 l 27 O每 98一100 三机满 3l_83962 54 22。214459刁3注，液氪泵利用率计算公式=(QH由2)，QH由表l可知，液氨泵的利用率在开单机、三机满时低亦可知在单一三机生产时液氨的回流量大。 多余的液氨打循环，显然是一种无效的作功对能源的浪费。因此必须采取有效措施对液氮泵进行技术 改造，以减少液氨回流，提高利用率，节电降耗。2 减少液氨回流的途径 欲使上述尿素老系统达到节能降耗的目的，必须尽量减少液氨的回流量。大体说来，可以通过以下途径减少液氨的回流量：将液氮泵的拖动电动机改为调速电动机；在电动机与液氨泵之间串装机械调速器；增加l台小液氨泵，在需要开2台液氨泵时可以开一大一小。应该说，上述三种方法均可达到 减少回流液氨的目的。前两种是改变液氨泵轴的转速亦减少活塞的冲程次数来减少液氨泵的打液量： 后一种是通过减少气缸容积和活塞截面积来减少液氮泵的打液量。由于现有泵房面积的限制，后一种难 以实现。众所周知，往复式柱塞泵在每个冲程内由于进出口压力和缸的容积不变而可认为在每个冲程内 负载力矩和作功是相等的，单位时间内往复的次数与每个冲程作功的乘积就表示这台机器的功率如 果忽略一些次要因素基本上可认为往复泵的功率与转速成绩性正比关系因此我们可以对往复式柱塞 液氨泵的转速控制改造。达到转速可调，以实现改变泵的打液量，亦可以改变泵的功率当工艺上液氨需要减少时。调节原动机使泵减速打液量减少。回流量减少t泵的输入功率亦降低达到节能的目的146 2007年化肥学会年会暨新型化肥催化剂及相关使用技术研讨台此外。液氨泵在低于15转份转速下运行，可以大大减少柱塞填料及缸体等零件磨损延长易损件的 使用寿命，降低维护检修费用，也减少了维修工程量。保证设备长周期运行。减少回流氮，可以避免氮 冷器超负荷运行避免气氮冷却不下来而输入碳铵槽排空，这对于工艺操作，对降低氨耗亦有利3 液氨泵电机调速改造的技术可行性分析31 目前的电机调速控制方法原动机的调速不外乎机械变速和电动机变速，现对各种无极与有极调速方法及其在本液氦泵改造中的应用可行性分析如下。3II无极调速。它包括电动调速和机械调速两种(1)无极调速的电动机。包括直流电动机、整流子电机、滑差离合器电动机、串级调速电动机及 变频调速系统。直流机和整流子电机虽然调速性能好。但均有一个整流子，靠炭刷与整流子旋转导电 而尿素车间环境差，腐蚀性气体和液体多，运行中故障多，影响生产，维修工作量大而频繁，因此对于 尿素这种环境不适宜滑差离合器电动机，调速性能比不上直流机且特别是在低速运行时，离合器发热大，而效率低，也不适宜用在频繁起动和正反转的场合，况且其低速运行效率低。故此类电动机亦不可取。异步电动机串极调速，这种调速方法是将转子低速运行时的能量通过一台变压器反馈到电力网中 去，或通过一台辅助电动机反馈到机械传动系统中去，设备多，控制复杂在生产中应用推广较少变 频调速这是一种比较好的异步电动机调速方法，在国外应用较多，特别在电力机车上应用变频调速系 统比较成功，但国内这种技术还处于方兴未艾的状态大容量变频在技术上还有待完善。(2)机械无极调速方法。近年来开发使用的有液力偶合器和液体粘性调速。但此种产品价格贵 转矩转速特性软，对于恒转矩特性负载特别是系统压力波动的拄塞泵等机械，对闭环调节系统有一定 要求必须灵敏可靠，响应时间短，否则机组运行不稳定，影响工艺操作和产品质量，对推广使用有一 定的影响。另外。制造安装精密，对维修要求技术水平高。还有上述液体调速机械普遍存在介质油发热，使调速机械本身效率下降的问题对推广应用也有影响。312有级调速。也包括机械调速和电机调速两种 (1)机械调速。它利用齿轮变速箱来变换速度。 (2)电动机调速。可以采用变极调速方法，改变绕组接法，即改变电动机极对数的办法来进行调速。国内经过多年来变极电动机原理的研究实践。已试制了一批性能优良的变极调速电动机，可在各种 转速下达到单速电机效率，效率高。很好地满足了社会的需要。32变速方案筛选 经过以上技术可行性分析，可以初步筛选出如下几个方案： (I)变频调速。但担心的问题是国内大容量变频在技术上还有待完善； (2)液力偶合器和液体粘性调速器调速。缺点是价格贵，只适合于递减转矩机械； (3)变极调速电动机。国内技术比较成熟，且经过调查分析只需安排三种转速(即有极调速，属粗调节)就可满足尿素工艺要求。因此可作为本次电机改造的首选方案。 当安排电动机同步速为1500，1000，750转，分(46，8极)，尿素生产工艺操作时可实现液氨回流量少和泵利用率高，如附表2所示。从表上可知，液氦泵安排三种转速基本上就可以满足二氧化碳压缩机 开机台数的要求，配合效果较好，这时氨回流量减少液氨泵的利用率较高，能达到很好的节能要求。4液氨泵变速电动机研制及性能 本液氮泵变速电动机由湖南大学研究提供电磁方案，由湘潭电机制造公司制造，型号为)400一4“8220，150，llO，已研制了YD系列节能多速电机可供用户各种场合的使用需要这种新型的变极 电动机是采用新的多层绕组变极理论设计的。新的变极理论，首先在于打破了极幅调制理论在变极前后各绕组元件相属不变的局限使变极前属于同一相的元件，在变极后分属于A、B、C三相，同时找到2007年化肥学会年会暨新型化肥催化剂及相关使用技术研讨会了与之相适应的连接电路。如图4所示，变前，后极均取600相带时的变极因为此种变极，要求在变 极前后元件换相处，分到各相的元件必须有一半电流方向相同，一半相反，电路根据负载性质可按6Y，3Y 或6Y，3前面分析到被拖动的液氮泵属恒转矩负载，故本变极调速电动机接成6Y力A接法。表2 电机调速改造后尿素液氨泵的利用率状况运行方式 液氨泵开机 电机转速(转，分) 液氨泵打液 o。2压缩机开机台数及相应 工艺上要求打 回流氨 液氨泵利 数(台)量(m) 的出段口压力(10MPa) 液量(m)(m3，h) 用率()Il750135单机08-2666_13269-o，449一100双机，O 8加9 13 21392I100018双机10-16146190 3伽8l1003l1500Xl27 双机I7-2619 8264 7加731002 2750三机O 81 8】9 83064 22100036 三机1虬431837 542-o951002 IXl500+1750405 三机252638 4-396 1鲫49699图4多层绕组变极连接图示意理论分析证明：多层绕组变极理论，完全克服了极幅调制理论的不足，主要表现在变后极基波绕组 第系数提高，而定子磁势谐波大幅度减少。采用极幅调制理论变后极定子绕组分布系数只有O64左 右而采用新理论其分布系数可达096(60a600)左右。显然绕组系数提高将大幅度提高有效材料利 用率。降低电机制造成本。此外，采用极幅调制理论。变后极定子磁势谐波除常规单速电机所具有的6K士1次外还含有大量的偶数次和分数次谐波。且幅值较大，一般晟大谐波值达基波幅值的20以上。 有的甚至超过100。而采用新的多层绕组变极理论变后极谐波次数和幅值都减少。谐波小的变极电 动机，变后极最大相带谐波幅值不到基波的06。与极幅调制变极电机相比已远非同一数量级。谐波 减小，谐波效应自然也小，变极电动机的效率和功率回数将明显提高，起动和过载力矩增大，振动，噪 音减小，故电机性能均获得显著改善。达到了预期的节能效益。YD系列电动机比国产JD系列电动机在种性能指标下均要优越，三种转速下的性能均达到单速电 动机国家标准的指标，电动机采用箱式结构为封闭式自通风冷却。防护等级为P44，便于检修，很适 合腐蚀性气体的场合，试验值与设计值误差小基本上达到了设计目标，主要技术指标如表3所示表3液氨泵多层绕组变极调速电机主要技术指标项目设计值(4，68P)试验值(4删8P)定电流(A)392，29眈40 3908，304，25l 空载电流(A) 103I，7&9，8081026仃&9门79 效率() 925，9257，9l-1692 52，9229，9126Cos由()9I75，83I，7692矾1273起动电流(额定电流)矗15，573，51353“55叭7l起动力矩(额定力矩)I35，154，182117，I33，I35最大力矩(额定力矩)26舱75，263225，24l，2028080，80“3，512，558 定子温升()噪声(dB)(Im左右)llO lOo，926，89，I8，13，19振动(mITI，s)148 2007年化肥学会年会暨新型化肥催化剂及相关使用技术研讨会s 液氨泵电动机变速改造后。液氨泵运行经济性情况51C02压缩机及液氨泵多种工艺运行状况下的节电降耗计算 以下根据表2所示的四种运行方式，当电动机变速后，回流氦减少，从节约的动力消耗和节约的检修费用两方面来推测液氨泵改造后运行的经济性。5，11单机C02压缩机运行时费用降低额的计算 (1)节约电能计算。如表2所示的运行方式1。这时电动机同步转速为750转，分。电动机功率与转速成正比的下降，功率下降额为：(1500750)，1500170=85(kwh)根据对液氨泵的测量当进 口为19MPa，出口为20MPa时，实测电动机功率为170 kw每天节约电量为：8524=2040(kwh)。(2)检修费用下降计算。由于转速下降，单位时间柱塞和填料的磨损次数减少。磨损量亦减少， 则使用期延长，根据我厂目前实际情况统计，在1500转份时，平均使用一个月剥在750转，分时柱 塞和填料可延长使用期为二个月，则可认为检修费用可下降一半更换一次柱塞和填料的费用约为1600 元，得平均每天占用检修费用为：1600，30=533(元)。则在750转，分下，降低减修费用为：533(1，2)=267(元)512双机(运行方式2)运行费用降低额的运算(1)运行方式2时电动机转速为1000转，分节电功率为：(15001000)，1500170=57(KMl)。 故每天节电：5724=1368(kMl)。，(2)节约检修费：533(115，I)一178(元)。513双机(运行方式3)费用降低额的计算。此种工况下电机转速为1500转，分(2x750转，分等效) 与改造前电机转速一致，故这时节电和节约检修费为零。514三机(运行方式4)费用降低额计算 (1)这时两台液氨泵为21000转，分，节电功率为：2(15001000)，1000170=114(k、枷)每天节电量：11424=2736(kWh)。(2)每天节约检修费用：2178=356(元)鉴于三机2526的负荷开得少此种运行方式(11500+l750)下，两台液氮泵运行效益可不考虑。52液氨泵电动机变速改造后运行费用减少情况计算液氨泵改造后，按照表2所示的工艺运行情况，根据上述51的计算方法，对我公司尿素老系统近3年(2003、2004、2005年节电降耗情况计算结果，见表4。由表4可知，平均每年节电量为448097kwh， 平均每年节约运行费用为172035元。经济效益显著。至于减少回流氨减少氨冷器负荷，避免气氨冷 却不下来而排空损失，有利于工艺操作，对降低氨耗是有利的对于此部分效益暂未进行定量计算。表4近3年来液氨泵节电节支平均情况运行方式 l234合计单机O抛6双机10-16双机1726三机1924，负荷双机08加9三机O818液氨泵电机转速(rm)l750 l1000 l1500 21000 ，每年开车时数17 206828832884 7852 年节约电量(kwh) 1445 117876 0 328776 448079 年节约电费(元)529 43142 0120332 164003 年节约检修费(元) 59 2294 0 5678 8032 年节约运行费用(元) 588 45436 O 1260lO 172035说明：(f)年运行小时数按2003、20042005年的平均盏7s珏h；(2)屯费价格2k 2004、2舶，年3年的外购电均价O33元瓜wh：(3)年节约检修费用为节约总额的7，节约总颧未包括氨损失部分2007年化肥学会年会暨新型化肥催化剂及相关使用技术研讨会53液氨泵电动机变速改造后，尿素电耗降低情况经过统计，我公司尿素老系统液氨泵电机变速改造前、后尿素电耗及节电情况参见表5从表5的实际统计情况，结合表4的理论计算情况，两表相比较，可以明显看出，液氨泵电动机变速改造后， 尿素电耗降低情况是十分吻合的。也就是说本改造的节电降耗效益是确切的。表5尿素老系统液氨泵电机变速改造前、后，尿素电耗及节电情况改造前 改造后 年份1998I 1999 l 2000平均 2003 l 2004 2005 平均尿素电耗(kWh，I)1403 140o I 1398 140O 1362 I 1359 13611361尿素年产量(万t) 114I122 I12O119126 J119I 123123尿素电节量万(kWh)o o Io04788 I 4879 I 4797 47976 结束语针对我公司老尿素装置中日本产高压液氨泵，电机不能变速、液氨回流量大、液氨泵利用率低、动 力消耗大、减少维修费用高、尿素氨耗较高的工况通过采用新颖的多层绕组变极调速电机对不能调速 的液氨泵进行了电机变速节能改造，通过多年的实践考核证明设备运转正常稳定，技术先迸可靠，不 仅保证了尿素生产装置的长周期生产，而且可达到年节电45万KWh。降低动力和原材料消耗，取得了 显著的经济效益显著。这说明本次改造中按照目前国内