大型合成氨鍋爐風機優化改造分析

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,配套3套150 t/h高溫高壓循環流化床鍋爐。按《石化化工重點行業嚴格能效約束推動節能降碳行動方案》及《合成氨單位產品能源消耗限額》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高溫高壓循環流化床鍋爐熱效率(低位)為82.44%,其主要動設備一次風機、二次風機、引風機存在能耗高、運行效率低等問題。

一次風機、二次風機、引風機參數,以及其與配套電機參數分別見表1和表2。

表1 一次風機、二次風機、引風機參數

表2 一次風機、二次風機、引風機配套電機參數

1 鍋爐風機系統運行現狀分析

設備基本情況,3套循環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臺一次風機、1臺二次風機和1臺引風機。一次風機、二次風機及引風機均采用進口閥門調節。

2 鍋爐風機系統節能潛力分析

分析系統運行的效果和能耗的合理性,目前系統主要存在以下問題。

2.1 鍋爐風機運行效率低

經現場測試及運行數據分析,發現一次風機、引風機的選型不盡合理,與鍋爐系統不匹配[1-2],導致風機運行效率偏低、功耗高,現場測試參數見表3。

表3 一次風機、二次風機、引風機與配套電機現場實測運行參數

風機能耗計算公式為：

(1)

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

根據式(1)分別計算3臺風機分別計算運行效率。

一次風機運行效率：

二次風機運行效率：

引風機運行效率：

經現場測試并分析運行數據,一次風機、二次風機及引風機的實際運行效率分別為68.9%、81.5%、74.9%。一次風機、引風機運行效率較低,選型不盡合理。如鍋爐一次風機設計體積流量131 790 m3/h,全壓為22 360 Pa,根據測試與相對應的國標風機對比分析。從流量-功率特性可知,風機目前運行偏離設計工況,導致功耗較高,風機性能曲線見圖1。

圖1 引風機性能曲線

2.2 引風機閥門調節效率低

鍋爐運行負荷為132 t/h,設計負荷為150 t/h,極限負荷為160 t/h。由于閥門開度過小,一次風機34%、二次風機60%、引風機50%,調節效率較低,導致系統浪費嚴重。風機不同風門開度阻力見圖2和表4。

圖2 風機不同風門開度阻力圖

表4 一次風機、二次風機、引風機系統阻力 Pa

鍋爐運行負荷132 t/h,設計負荷150 t/h,極限負荷160 t/h。預估分析一次風機、二次風機、引風機運行數據見表5和圖3、圖4。

圖3 不同負荷下一次風機、二次風機性能曲線

圖4 不同負荷下引風機性能曲線

表5 不同負荷下運行參數

3 鍋爐風機整體優化方案分析

3.1 高效風機改造

高效風機改造適用于運行工況相對穩定的系統。通過對風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,確定風機的節能目標值,分析與評估整個工況范圍的性能,并根據運行條件進行定制優化,提高節能空間。

根據現場工況參數,設計定制高效葉輪,使葉輪匹配系統運行工況,且通過對風機進口氣流模擬優化,改造原進風口(見圖5),使煙氣均勻進入葉輪,減少流動損失,進而提高風機整體效率。

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

通過運用計算流體動力學(CFD、ANSYS)及豐富的高效風機模型數據庫,對風機從進口調節門、進風口、葉輪、機殼進行全尺寸流場計算及仿真,見圖6。風機關鍵參數含義及單位見表6。風機設計后的模型驗證及修形見圖7。

表6 風機關鍵參數

3.2 風機調速節能技術分析

根據流體力學原理,風機的風量Q、風壓p、軸功率P與轉速n的關系為：風量與轉速的一次方成正比,風壓與轉速的二次方成正比,軸輸出功率與轉速的三次方成正比。圖8表明了風機在轉速改變時,其性能曲線的變化,其中,qV1、qV2、qV3為風機流量;p1、p2、p3為風機全壓;P1、P2、P3為風機功率。

圖8 風機轉速改變時調速調節曲線

轉速由n1變到n2時,qV、p、P的變化如下：

(2)

(3)

(4)

式中：QV2、p2、P2為風機在n2轉速時的流量、全壓及功率;QV1、p1、P1為風機在n1轉速時流量、全壓及功率。

當風機轉速為n1時,風機的壓力、流量曲線與管網性能曲線R1相交于A1,其相應流量為Qv1,全壓為p1。相對節流調節而言,當流量為Qv2時,關閉閥門,管網特性曲線由R1變化到R,與n1時的風機性能曲線相交于B1,此時流量為Qv2,壓力p2′,因而調速調節時比節流調節時壓力要減少Δp=p2′-p2,因此認為效率不變時相應的軸功率要減少。

(5)

所以,采用調速調節能把消耗在節流中的損耗省下來,達到節能的目的。其調速節電現應用較廣的方式主要為液力偶合器、變頻、永磁調速、永磁電機+變頻調速等。

3.2.1 液力偶合器改造

液力偶合器是以液體為介質傳遞功率,通過控制工作腔內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速。實操中通過控制工作腔內參與能量傳遞的工作油多少來控制輸出軸的力矩,達到控制負載轉速的目的。液力偶合器調速的優點是技術成熟、運行可靠、價格低廉,但液力偶合器比較適用風機裕量較大的設備。主要缺點為節能效率低、調節精度低、響應慢、功率因數低。

3.2.2 風機+變頻節能改造

變頻調速是通過改變頻率來調節電動機的轉速。變頻調速特點是技術先進、可靠、成熟,諧波污染較小,系統效率高,功率因數高,調速范圍寬且低速性能穩定,轉矩特性好。但裝置體積較大,投資費用相對較高。

利用高壓變頻技術,可以通過改變風機實際轉速,調整風機供風壓力和風量,使風機供出的流量和系統需要的流量相匹配,達到降低能耗的目的。

從液力偶合器與變頻器的比較來看,變頻調速更接近于理相曲線,變頻調速更優。

3.2.3 永磁渦流柔性傳動改造

永磁驅動調速器是通過氣隙傳遞轉矩的傳動設備,一般由導磁體、永磁體、執行器3個部分組成(見圖10)。導磁體、永磁體之間有一定的空氣間隙,通過執行器調節空氣間隙的大小來控制負載輸出速度。

圖10 永磁調速器結構

永磁渦流柔性傳動調速裝置是通過調節扭矩來控制轉動速度,運行時根據負載實際運行過程中扭矩的大小來調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,相應的輸出功率也會降低,從而達到了節能的目的。工作效率可達到96%以上,而由永磁渦流柔性傳動裝置調速后的能耗,則降低到原有能耗的33%～75%。

3.2.4 風機+永磁電機+變頻改造

永磁電機結構見圖11。

圖11 永磁電機結構圖

3.3 比對風機節能技術方案

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

表7 風機節能技術方案比對表

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

方案2：液力偶合器調速的優點是技術成熟、運行可靠、價格低廉;缺點是雖然節能但效率低且調節精度低、轉速不穩定、維護量大、功率因數低,另尚需采取無功補償措施。因此,采用液力偶合器節能效果有限,只是一種過渡方法,并非節電的最佳途徑。

方案3：改造現有風機+新增高壓變頻器方案。該方案節能量為1 136 kWh。該改造方案技術成熟可靠,改造后運行穩定性有保證。

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

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

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

通過以上6種方案對比,綜合節能量、改造投資、運行穩定性、技術成熟度等維度考慮,變頻調速改造方案略占優勢,在實際改造中,可根據不同應用場景進行選用。

4 結語

通過對鍋爐風機進行整體優化研究,根據現場工況參數,詳細、精確測量風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化,設計定制高效葉輪,模擬優化風機進口氣流;通過分析比對液力偶合器、變頻、永磁調速、永磁電機+變頻調速等調速方式,找到適合風機節能改造的方式。相關改造為大型合成氨綜合能耗的降低提供了解決方案。