汽电双驱循环水泵在循环水系统中的节能应用

汽电双驱循环水泵在循环水系统中的节能应用

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摘要：随着现代科技的进步以及国家产业政策调整，资源的循环利用、节能减排、绿色环保等一系列绿色生产标准成为企业推行的核心理念，本文介绍了某煤化工项目通过持续加大节能技术改造项目投入，不断深挖装置节能空间，从能源利用效能提升方面着手，利用厂区富裕蒸汽作为驱动蒸汽驱动汽电双驱循环水泵达到节能、增效、环保的目的，对厂区降低电耗，减少碳排放有积极意义，为实现碳达峰碳中和的总要求提供办法。本文将从汽电双驱循环水泵选型、工艺设计、工作原理与运行模式选择和运行经济性等方面进行阐述，为循环水系统的设计、优化和管理提供一定的参考和借鉴。

关键词：汽电双驱循环水泵；透平系统；汽轮机；能耗

    1 前言

某煤化工项目循环水场服务范围为下游MTP装置的高位、末端循环水换热器以及以丙烯冷凝器为主的气化主管线附带的其他换热器，设计规模30000m³/h，该循环水场采用间冷开式循环冷却水系统，该系统中冷却水给水与装置换热器工艺物料换热吸收热量以后，经循环水管道以其余压回到机力通风冷却塔，经冷却塔与大气降温后重力流入塔下水池，经格栅流入吸水池，并进行水质稳定处理，再由循环水泵加压送至各生产装置循环使用。该循环水场共设5台循环水泵，其中3台为纯电动机驱动，2台采用蒸汽透平及电动机双驱动方式，蒸汽透平汽轮机采用化工区0.9MPa中压蒸汽作为驱动蒸汽，本项目汽电双驱循环水泵自2021年7月底调试结束投运以来，运行稳定，能够通过成套机组控制系统重要信号传至DCS实现运行模式的联锁切换，可满足循环水系统各种工况用水量需求，确保了系统供水的稳定性、安全性及能耗经济性。

    2 汽电双驱循环水泵选型及数量的确定

考虑化工区全年有6个月富裕0.9MPa中压蒸汽，为有效利用过剩中压蒸汽，减少能源浪费，该循环水场循环水泵采用汽轮机+电动机双驱动的方案。当蒸汽富裕时，泵组由汽轮机驱动，以期达到节约用电、节能降耗的目的；当蒸汽无富裕时，切换为电机驱动，保证水泵的正常运行。

该循环水场设置2台泵采用蒸汽透平及电力双驱动方式，其余3台泵均采用电泵，保证在透平故障时，可切换至电机驱动运行，可满足循环水系统各种工况用水量需求，确保工艺装置供水安全性。

该机组为冲动凝汽式汽轮机，采用节流配汽方式。汽电双驱机组的布置为：汽轮机+减速机+离合器+循环水泵+异步电机。汽轮机与减速机安装在同一焊接钢制底座上，室内安装，单层布置。整套机组由汽轮机、减速机、离合系统、冷凝系统、油系统、控制系统等组成。循环水泵可由汽轮机单独驱动、电机单独驱动或电机、汽轮机联合驱动，驱动方式的切换通过离合器自动实现，能够保证水泵长期连续、稳定运行。

    3 蒸汽透平系统工艺设计及主要参数

3.1工艺设计

汽轮机系统由汽轮机本体及配套辅机组成，输出轴功率1507kW，进汽参数0.9MPag/185℃，乏汽冷却方式为湿冷。基本汽水流程为：中压蒸汽经主汽阀进入汽轮机膨胀作功，作完功的乏汽（10～40kPa(a)）从汽轮机上部排汽口经排汽管道进入凝汽器冷凝为液态水，凝结水再自流汇集于凝汽器底部的热井，最终通过凝结水泵加压后送出。凝汽器冷却介质为循环冷却水。油系统为机组提供润滑油及控制油，型式为集中油站。抽真空系统的作用是建立并保持凝汽器真空，型式为射汽抽气器。

3.1.1 透平热力系统

自主蒸汽母管来的中压饱和蒸汽依次经电动主汽门、自动主汽门和调节汽门后进入透平内膨胀作功，作功后的乏汽经凝汽器冷却成凝结水，凝结水通过凝结水泵加压后送往界外。

透平轴封用汽来自主蒸汽母管，经自力式调节阀调压后送至透平前后轴封，轴封采用迷宫式密封。轴封漏汽在轴封冷却器中冷凝后冷凝水排入地沟，冷却介质为循环冷却水。轴封系统设有轴封抽气器，以蒸汽为动力抽出轴封冷却器内的不凝性气体。

蒸汽进入透平后，在汽门、蒸汽室底部及进排汽管道等可能积水的位置都设有疏水孔、手动排凝阀。开机时应将排凝阀打开，正常运行后将排凝阀关闭。主汽门阀杆及调节汽门阀杆漏汽引入集汽管后排入地沟。

凝汽器冷却介质为循环冷却水，型式为双程管壳式换热器。冷却水进、出口位于凝汽器端部管箱上，凝结水从凝汽器下部热井排出。凝汽器抽真空装置采用两级射汽抽气器（含启动抽气器、两级抽气器）。

3.1.2 透平润滑油系统

润滑油系统是向透平、减速机提供润滑油及向控制调节系统、速关阀提供控制油、速关油的装置，该装置为整体撬装结构。油系统中所有接触润滑油的零部件均采用不锈钢材质。两台主、辅螺杆油泵互为备用，油泵电机能够自动或手动启停。油箱内装有恒温控制的浸入式电加热器，能够在8小时内将箱内的润滑油从最低现场环境温度加热到规定的开车温度。油箱的滞留容量为6～8分钟正常用油量。油箱同时设有加油接口和排油雾风机。在润滑油泵的出口设有安全阀和通向油箱的回油管道。系统设有一台双联冷油器，一台双联滤油器，滤油器过滤精度为20μm，可在线切换、更换滤芯。回油系统能适应两个油泵全流量输出。为保证机组在事故工况下安全停车，每台机组均设有一台高位布置的事故油箱。

3.1.3 透平调节、保护系统

透平监测系统（TSI）配套各种传感器，轴系一次监测仪表项包括：轴向位移、轴承振动、键相位等，可连续指示、报警和保护。

透平数字电调系统（DEH）由速度传感器、转速控制器、电液转换器，错油门、油动机等组成，能够实现大范围转速闭环控制。转速控制器接受两个速度传感器测得的转速信号，与设定值比较后，输出4～20mA模拟量信号到电液转换器，电液转换器将电信号转换成二次油压，二次油压控制错油门、油动机操作调节气门开度，从而控制进汽量，维持转速稳定。

透平危机跳车系统（ETS）包括危急遮断油门、停机电磁阀等。ETS在下述情况下自动切断主蒸汽供应：转子轴向位移超过设定值；润滑油压降低到设定值；轴承回油温度高于设定值；排汽压力升高到设定值等。系统电源故障时，电调控制系统会发出停机信号，使磁力断路油门动作，泄掉保安油，关闭主汽门、调节汽门。所有控制、报警、联锁信号均可与DCS连接。

3.1.4 超越离合器

该离合器为箱体式结构，受力均匀，抗扭能力强，使用寿命不低于30年，双轴伸带底座以确保与轴系同轴。该离合器为机械式，啮合、脱开无需外力。运行时，离合器随机组轴系转动，功率损失很小。

3.2主要参数

3.2.1 配套循环水泵参数：

3.2.2蒸汽条件：

3.2.3汽轮机性能（在汽轮机输出轴端）：

3.2.4汽轮机技术参数：

    4 汽电双驱循环水泵机组工作原理与运行模式选择

4.1工作原理

这种双驱动泵组系统由1台双轴伸泵、1台电动机、1台减速机和1台汽轮机以及2台离合器构成，系统构成见下图。其中泵的输入轴一端通过联轴器与第一离合器的一端连接，第一离合器的另一端通过联轴器与电动机的输出轴连接；泵的输入轴的另一端通过联轴器与第二离合器的一端连接，第二离合器的另一端通过联轴器与减速机连接，减速机再通过联轴器与汽轮机的输出轴连接。电动机连接一个电机驱动控制电路，第一、第二离合器各自连接一个离合动作控制电路，汽轮机上设置一个汽轮机启动控制电路，通过以上电路实现系统的自动控制。

泵组启动时，控制电路首先检测蒸汽供给是否正常，若蒸汽源正常，则通过离合动作控制电路接通第二离合器，接着汽轮机启动控制电路启动汽轮机，汽轮机的输出轴通过减速机、第二离合器连接泵并驱动泵运行；若汽源不正常，则控制电路通过离合动作控制电路接通第一离合器，接着电机启动控制电路启动电机，电机通过第一离合器连接泵并驱动泵运转。汽轮机处于启动优先级，也可在现场或集控室内人工启停、切换驱动设备。

4.2运行模式选择

汽轮机与电动机联动运行时，机组有以下三种运行模式：

（1）电动机驱动模式：在蒸汽流量很少或没有的情况下，汽轮机不能达到一定的转速，汽轮机几乎不做功或为零，离合器自动脱开，汽轮机停转，水泵完全由电动机来拖动。此时机组不用停机就可以检修汽轮机，不会影响其它设备运行，运行安全可靠。

（2）汽轮机驱动模式：在蒸汽流量足够的情况下，汽轮机驱动循环水泵以及异步电动机。在此种运行模式下，机组开车运行模式与通常的汽轮机组运行方式一致，机组转速、功率控制由转速控制器控制。

（3）联合驱动模式：在蒸汽流量不足的情况下，汽轮机做功小于水泵功率，离合器自动啮合，由电动机自动输入一部分功率。此情况下电动机作为原动机，运行转速为电动机的异步转速。此时机组开车运行模式如下：

机组启动方式一：汽轮机暖机、启动由汽轮机的调速器控制，此时调速器控制调节汽阀，使汽轮机按预定开机程序进行暖机、升速，当转速达到或接近额定转速值5600rpm时，准备启动电动机，随后电动机合闸启动，机组在电动机及汽轮机驱动下升速到额定转速值，从而完成机组启动的全过程。电机合闸转速快速上升时，应适当开大循环水泵出口蝶阀，防止机组在较小流量下振动。

机组启动方式二：电机先正常启动，驱动运行循环水泵。汽轮机暖机、启动由汽轮机的调速器控制，此时调速器控制调节汽阀，使汽轮机按预定开机程序进行暖机、升速，当转速达到或超过水泵额定转速值时，离合器自动啮合，汽轮机同时驱动循环水泵及异步电机。同时根据异步电机的电流及水泵出口压力等变化，汽轮机逐步提高转速至完全替代异步电动机，从而完成机组启动的全过程。

正常运行中,调速器设定转速控制目标，机组的恒速运转及负荷变化调整由电动机自动做功来实现。当机组联锁跳车时,调速器输出全关信号来关闭调节汽阀。

5运行经济性分析

结合该煤化工项目全厂生产运行及蒸汽使用情况，按照每年5-10月汽电双驱循环水泵单台汽轮机连续运行统计，可节约电量7948.8MW，折合317.95万元。因此选择合适的循环水泵驱动模式需要综合考虑全厂蒸汽平衡、循环水系统的工况、能源成本、环境因素、可靠性和维护成本等因素。通常情况下，电力驱动模式适用于循环水系统的大多数工况，而汽轮机驱动模式适用于蒸汽富裕、高负载工况和燃料成本较低的情况下，以有效利用过剩蒸汽，减少能源浪费，达到节约用电、节能降耗的目的。

6结束语

汽电双驱循环水泵灵活多变的运行模式为该煤化工项目循环水系统的稳定运行提供了保障，达到了能源回收再利用、节能减排与绿色环保的目的，尤其汽轮机驱动循环水泵运行模式在大型煤化工项目中的应用，减少了运转设备的电能消耗，规避了企业阶梯电价加价风险，经济效益明显，为煤化工项目公用工程循环水系统的设计规划、运营管理提供了借鉴，具有典型的示范意义及社会效益。

参考文献：

    [1]方晓权,陈立国,林凯,徐程程.浅谈低品位热源汽轮机驱动循环水泵节能改造[J].中国设备工程,2021(05).

[2]严鹏,郑红海,袁静,周晓锋,吴大转.一种电动和汽轮双驱动的循环水泵[P].中国专利, CN105736393A, 2016.07.06.