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。
②
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
电话：[1**********]