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引入变频器对海上主机蒸汽余热改造

发表时间：2021/7/2 来源：《中国电力企业管理》2021年3月作者：牟春龙

[导读] 海上平台利用柴油机发电供平台设备使用，发电过程中产生大量的热蒸汽直接排入大气，通过引入变频器利用废气与水的交换实现节能，实现输出温度和压力的恒定，供平台日常所需的热源。

中国海洋石油集团有限公司采购招标中心品类采购处牟春龙

【摘要】海上平台利用柴油机发电供平台设备使用，发电过程中产生大量的热蒸汽直接排入大气，通过引入变频器利用废气与水的交换实现节能，实现输出温度和压力的恒定，供平台日常所需的热源。
关键词：板式换热热水最大输出量变频器恒压输出全自动平稳切换
        前期选型与设计
        在改造前，由海工和平台的员工经过仔细计算和研究，选择了最适合平台的设备，具体如下：
        1.换热器的热负荷
        1)发电机3300KW，耗油量：0.18KG/KW.H，耗油量：0.18*3300=594kg/h
        烟气量：594*11.4=6771.6NM3/H
        排烟温度：210℃，节能器后排烟温度：137℃，回收热量：186KW；
        2)校核值：20℃的水加热到60℃，每小时热水产量：4吨
        3)烟气节能器校核
        使用工艺参数

        设计计算
         (1) 热负荷      Kcal/h 160000（186KW） (2) 平均温差   ℃ 80.9
         (3) 传热系数 Kcal/ m2h℃ 34.7          (4) 设计余量     15%
         (5) 热侧阻力降   Pa   ≤50             (6) 冷侧阻力降 Pa ≤5000
         (7) 换热面积     m2    57.6             (8) 设计压力 Mpa 1.0
         (9) 试验压力     MPa    1.25            (10)设计温度   250℃
        选型
         (1)型号：SWJN57-8-1.0/32-10              (2)台数: 1台
         (3)换热管材质及尺寸 φ32*2.5整体翅片管
          (4)换热管加工方式整体翅片管片
          (5) 进出接口      水管DN50
         (6) 大致外形尺寸：1100*960*780
        （7）框架：碳钢
         有加装Y5-47-NO。5C-7.5B2引风机一台
2）板式换热器
使用工艺参数

       计算
         (1) 热负荷      kcal/h   160000           (2) 平均温差30℃
         (3) 传热系数 kcal/ m2h℃ 1067            (4) 设计余量 25%
         (5) 热侧阻力降 MPa    ≤0.05             (6) 冷侧阻力降 MPa≤0.05
         (7) 换热面积     m2     5                  (8) 设计压力 MPa 1.0
         (9) 试验压力     MPa    1.25              (10)设计温度 150℃
         选型
         (1)型号：BRF015-5                      (2)流程组合：1×16/1×16
         (3) 台数： 1台                         (4)板片材质： SUS304
         (5)垫片材质： EPDM                    (6) 接口方式： G3/4″
         (7)板片数：15                         (8)框架结构：普通型
        (9)接口方位：热 S4-S3 冷S2-S
         (10) 外形尺寸：长×宽×高mm575×320×870
          (11)重量：150kg
        3）热水最大输出量校核
        从以上校核来看，本换热器热水生产能力为4t/h，同时在保温储水柜中已预先储存2t热水，因此本套换热系统的热水最大输出量为4t＋2t=6t/h，相当于279kw的输出功率流花FPS原热水电加热器的输出功率为35×5=175kw结论：279kw＞175kw，烟气换热系统的热水生产能力完全满足平台的使用要求。
        改进
        开始只用一个PLC 控制水交换过程中的温度，保证二次侧的输出温度在60-65度，但是在调试过程中发现在热水温度忽高忽低，（本来系统设定60度加热，65度停止，但因为热惯性的缘故，系统高温温度往往冲到68-69度，启动温度往往掉到58度，所以会有8-9度的温差，以至于产生忽冷忽热的现象）同时水流也不稳定。现场人员从技术可靠和经济实用角度综合考虑，决定用PLC控制与变频器相结合的自动恒压控制供水，通过采用压力水罐压力传递信号，实现压力一直保持恒定，选择了西门子S-300的PLC和DANFOSS的变频器，两台5.5KW的电机，电机保护器，数据采集及辅助设备可实现以下功能：
        1.全自动平稳切换，恒压控制。
        压力罐的压力传感器将4—20mA的信号送给数字PID控制器，PLC根据压力设定值与实际检测值进行PID运算，并给出信号直接控制变频器的输出功率（电机转速），以使压力罐的压力稳定。当用水量不大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行，另一台备用。当用水量大到变频器全速运行也不能保证压力时，压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLC检测到，PLC自动将原工作在变频状态的水泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将一台备用的水泵用变频器启动后投入运行，以加大供水量保证压力稳定。控制系统框图2所示。
        2.半自动运行。
        当PLC系统出现故障时，系统处于半自动状态，即一台水泵具有变频自动恒压控制，当用水量不够时，可手动投入另一台运行
        结束语
        改造前用电加热，每天淡水用量为39吨左右，假设温度从20度加热至40度（实际水温略高于20度，考虑到管道内的损耗故取20度），依据公式Q=CM△T每天的用电量为39*1000*4200*（40-20）/（3600*1000）=910度
        改造后用蒸汽加热，每天用电量
        1）正常情况下，一台水泵使用，电流约4.7A，1天的用电量：480*4.7*24*1.73/1000=93.7度
        2）最大情况下，两台水泵加一个风机使用，电流最大19.6A，1天的用电量：480*19.6*24*1.73/1000=390.6度
        由此可见使用新系统后，正常情况下每天可节约大概800多度电
        不过此系统同时存在一些不足，需要以后的慢慢改进。首先由于海上环境的特殊性及整个系统位于开放的空间，使一些电子元器件的寿命会比正常少，需要选择更稳定可靠的备件，另外变频器为了维持压力罐的压力在0.4Mpa所以一直运行在45HZ左右，这需要以后使用中慢慢试验，在维持正常使用的前提下，将压力相对调低。
参考文献：
1.变频调速系统设计与维护周志敏周纪海纪爱华编著中国电力出版社
2.变频器应用案例分析沈勇《进出口经理人》 2017年第12期
3.工业蒸汽锅炉节能优化改造实践张聪《基层建设》2019年第8期