張保成，陳春杰，程桂榮

（河北盛華化工有限公司，河北張家口075000）

3 0m3聚合釜V C M壓縮機(jī)變頻調(diào)速設(shè)計(jì)優(yōu)化

張保成，陳春杰，程桂榮

（河北盛華化工有限公司，河北張家口075000）

介紹了VCM水環(huán)壓縮機(jī)采用變頻調(diào)速的獨(dú)特控制工藝，為聚合釜VCM回收提供了一種安全、廉價(jià)、可靠的變頻調(diào)速控制方法。由于VCM壓縮機(jī)為間歇工作方式，常規(guī)的自耦降壓啟動(dòng)方式無法承受工藝上的頻繁啟停，采用變頻調(diào)速控制技術(shù)以后，不僅避免了設(shè)備事故的頻繁發(fā)生，還可以實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)電效果，提高經(jīng)濟(jì)效益。

聚合釜；VCM壓縮機(jī)；電流控制；變頻調(diào)速

1 項(xiàng)目背景和意義

河北盛華化工有限公司目前擁有15萬t/a離子膜燒堿，18萬t/a PVC生產(chǎn)能力，其中30 m3釜PVC產(chǎn)能為10萬t/a、70 m3釜PVC產(chǎn)能為10萬t/a。70 m3釜投產(chǎn)前，30m3釜正常生產(chǎn)，每班出料回收8~10釜，每釜料回收時(shí)間為30～40 min，平均空載率為30%；70 m3釜投產(chǎn)后，30 m3釜的生產(chǎn)負(fù)荷降低為50%左右，VCM壓縮機(jī)的負(fù)載時(shí)間同比降低，空轉(zhuǎn)時(shí)間也上升到50%左右。

30 m3釜原有的VCM壓縮機(jī)采用的是自耦降壓啟動(dòng)。為了減少動(dòng)力電消耗，曾經(jīng)采取回收結(jié)束后停車的運(yùn)行管理模式。由于啟動(dòng)電流大，頻繁的啟停導(dǎo)致自耦變壓器熱積累，經(jīng)常造成自耦變壓器燒損。后來不得不改變操作規(guī)程，允許壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行，盡管如此，每年更換自耦變壓器的費(fèi)用仍達(dá)1.2萬～1.5萬元。

采用降壓啟動(dòng)的缺點(diǎn)是，（1）沒有調(diào)速功能，能耗浪費(fèi)嚴(yán)重；（2）啟動(dòng)性能比變頻調(diào)速/軟啟動(dòng)差，對(duì)機(jī)組及電網(wǎng)沖擊較大；（3）啟動(dòng)沖擊會(huì)影響電網(wǎng)的穩(wěn)定及其他用電設(shè)備的運(yùn)行安全；（4）較頻繁啟動(dòng)時(shí)，容易燒毀自耦變壓器。

由于30 m3釜的生產(chǎn)負(fù)荷降低后空轉(zhuǎn)時(shí)間進(jìn)一步上升，造成了嚴(yán)重的電能浪費(fèi)，決定對(duì)30 m3釜VCM壓縮機(jī)采用變頻調(diào)速，降低壓縮機(jī)動(dòng)力電消耗，延長壓縮機(jī)使用壽命，確保生產(chǎn)正常進(jìn)行。

該公司30 m3釜配套的VCM壓縮機(jī)型號(hào)為2SY-12B，配套電動(dòng)機(jī)為132 kW，額定電壓380 V，額定電流240 A，每年運(yùn)行時(shí)間約8 000 h。

該公司擁有的10臺(tái)30 m3聚合釜，配套2臺(tái)VCM回收壓縮機(jī)，一用一備。聚合反應(yīng)結(jié)束后，生成的聚氯乙烯樹脂和剩余的VCM氣體由聚合釜排到出料槽，VCM氣體經(jīng)過泡沫捕集器去除氣體中夾帶的PVC顆粒后，經(jīng)過緩沖罐分離出水分，再經(jīng)過氣體過濾器進(jìn)一步去除氣體中細(xì)微的PVC顆粒，在阻聚劑罐處加入阻聚劑后送入VCM壓縮機(jī)。經(jīng)過VCM壓縮機(jī)加壓后的氣體送到汽水分離器分離出水分，VCM氣體進(jìn)入1、2號(hào)冷凝器冷卻，冷凝下來的VCM液體經(jīng)液封槽進(jìn)入單體儲(chǔ)槽，供聚合再使用，不凝尾氣由氣動(dòng)閥通過壓力控制自動(dòng)排出，排氣經(jīng)過阻火器進(jìn)入大氣。

需要進(jìn)行VCM回收時(shí)，由聚合工段通知VCM工段開機(jī)，此時(shí)VCM氣體已經(jīng)進(jìn)入緩沖罐，安裝在過濾器后方管道上的壓力表和壓力傳感器顯示的正常壓力為0.05～0.30 MPa。VCM工段打開壓縮機(jī)進(jìn)氣截門進(jìn)行回收，閥門全部打開后，回收初期運(yùn)行電流為230 A左右，回收完成時(shí)運(yùn)行電流為180 A,運(yùn)行時(shí)間大約40 min，回收完成后，關(guān)閉進(jìn)氣閥門，電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行電流穩(wěn)定在170～180 A,壓縮機(jī)空載損耗功率為95 kW。

VCM壓縮機(jī)采取連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)方式。當(dāng)聚合釜出料、壓縮機(jī)進(jìn)口管道壓力達(dá)到50 kPa時(shí)，打開VCM壓縮機(jī)進(jìn)氣截門，回收氯乙烯單體,壓縮機(jī)滿載運(yùn)行，運(yùn)行電流為230A；當(dāng)壓縮機(jī)進(jìn)口壓力小于10kPa時(shí)，回收結(jié)束，關(guān)閉進(jìn)氣截門，壓縮機(jī)輕載運(yùn)行，對(duì)應(yīng)的運(yùn)行電流為180 A左右。

2 變頻調(diào)速控制工藝選擇

在回收壓縮機(jī)機(jī)前管道的現(xiàn)場指示壓力表上分接1只壓力變送器，從物料系統(tǒng)直接提取控制信號(hào)。考慮到VCM介質(zhì)中含有微量氯化氫和聚氯乙烯粉塵，壓力變送器選用耐腐蝕材料，并且具有防堵性能；為了便于巡檢，壓力變送器要求帶有現(xiàn)場指示功能。為了提高檢測信號(hào)的穩(wěn)定性，選用帶有防震功能的系列產(chǎn)品。考慮到在聚合釜超壓時(shí)，不至于損壞壓力傳感器，以及實(shí)際操作過程中安全閥動(dòng)作、或者聚合物料通過閥門排到漿料槽-緩沖槽形成的泄壓作用，選擇壓力傳感器的量程與聚合釜安全閥的壓力定值1.2 MPa相適應(yīng)?？紤]到漿料槽、緩沖罐的泄壓效果，根據(jù)日常0.2～0.5 MPa運(yùn)行壓力范圍并且適當(dāng)留有安全裕量，控制傳感器的上限選擇為1.0 MPa。當(dāng)壓力高于0.05 kPa時(shí)，啟動(dòng)變頻器，同時(shí)使變頻器工頻模式/恒功率模式運(yùn)轉(zhuǎn)，縮短和減少輕載運(yùn)行時(shí)間。當(dāng)壓力低于設(shè)定的回收完成的壓力時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入停機(jī)/低速運(yùn)行，但是，此種運(yùn)行方式由于工作間歇較短，從零轉(zhuǎn)速啟動(dòng)造成的熱積累較大，對(duì)IGBT的沖擊電流大，不利于運(yùn)行安全。

經(jīng)過工藝調(diào)研，發(fā)現(xiàn)上述方案控制工藝簡單直接，但是也存在以下缺陷。在聚合超壓時(shí)，必須打開閥門讓氯乙烯直接回到儲(chǔ)氣柜，此時(shí)的運(yùn)行壓力如果超出額定回收壓力過大，容易造成壓力傳感器超壓損壞，沒有信號(hào)輸出而無法啟動(dòng)設(shè)備。本來此時(shí)壓縮機(jī)應(yīng)該滿負(fù)荷向氣柜輸送物料，但由于傳感信號(hào)為零，變頻器自動(dòng)停轉(zhuǎn)并且無法開啟，不能對(duì)物料進(jìn)行回收，從物料系統(tǒng)直接提取控制信號(hào)存在無法滿足極限壓力沖擊的問題，對(duì)于提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性能需要依靠安全閥等輔助手段。因而，試圖采用具有非線性特性的控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)速控制。

研究系統(tǒng)中與壓力相關(guān)的非壓力信號(hào)運(yùn)行狀態(tài)后，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流既能反映回收物料的壓力，并且當(dāng)聚合釜異常排氣時(shí)又具有信號(hào)限幅功能，只要設(shè)計(jì)合理的空轉(zhuǎn)頻率，就可以收到很好的節(jié)能效果。但是，信號(hào)控制時(shí)間相對(duì)滯后，控制開始前由于電動(dòng)機(jī)已經(jīng)加載，對(duì)電動(dòng)機(jī)和變頻器容易產(chǎn)生電流沖擊。

為了避免以上兩個(gè)方案存在的缺陷，選用了壓力變送器信號(hào)升速控制，壓力變送器檢測到壓力上升后，即控制電動(dòng)機(jī)從低速運(yùn)行狀態(tài)升速到工頻，此時(shí)操作人員正處于開閥過程，從而避免了電流控制的先加載后啟動(dòng)的缺陷。對(duì)于極限壓力，采取依靠安全閥非線性保護(hù)完成非零轉(zhuǎn)速變頻調(diào)速控制方案。既避免了零速啟動(dòng)的電流沖擊和熱積累，又避免了電流控制先加載后升速啟動(dòng)變頻器的大電流啟動(dòng)的電流沖擊和熱積累，既實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行安全又取得理想節(jié)電效果。

由于VCM水環(huán)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)矩不高，故采用V/F控制方式，電路原理見圖1。

為了在變頻器出現(xiàn)故障時(shí)不影響生產(chǎn)，變頻調(diào)速的設(shè)備采用旁路連接方式，旁路連接工藝采用電氣和機(jī)械互鎖方式。

3 變頻器的安裝

為避免變頻器向電網(wǎng)輸送諧波，在變頻器的直流母線上串接1個(gè)直流電抗器。安裝時(shí)盡量縮短控制柜與壓縮機(jī)之間的負(fù)荷線長度，將負(fù)荷線與控制線分開敷設(shè)，同時(shí)，控制回路的配線采用屏蔽DJYPVP電纜。為了提高變頻器工作的可靠性，控制柜內(nèi)裝有換氣扇，變頻器接地端子要可靠接地，不與動(dòng)力接地混用。

圖1 變頻調(diào)整系統(tǒng)電氣原理圖

4 變頻器的調(diào)試

先進(jìn)行下列操作：變頻器的各參數(shù)設(shè)定，包括加減速時(shí)間，升降速方式，上下限頻率，操作模式等；進(jìn)行變頻器空載試驗(yàn)運(yùn)行；將變頻器接到拖動(dòng)裝置；進(jìn)行工頻控制運(yùn)行試驗(yàn)；進(jìn)行變頻控制運(yùn)行試驗(yàn)。

以上操作完成后，根據(jù)空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)對(duì)過渡過程的要求，繼續(xù)對(duì)PID參數(shù)的進(jìn)行現(xiàn)場優(yōu)化，也可以采用PI調(diào)節(jié)方式，以減少對(duì)變頻器的波動(dòng)沖擊。

在調(diào)試過程中，將下限頻率調(diào)至35 Hz，然后用紅外線測溫儀對(duì)空氣壓縮機(jī)電機(jī)的溫升進(jìn)行長時(shí)間嚴(yán)格的監(jiān)測，如果電機(jī)溫升沒有明顯變化，可以繼續(xù)降低空載運(yùn)行頻率，只要電動(dòng)機(jī)溫升處于4~7℃即可保證設(shè)備安全。一般情況下，在30 Hz下限頻率運(yùn)行對(duì)空氣壓縮機(jī)機(jī)組的工作并無多大的影響。

5 優(yōu)化改造后的預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益

空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行成本由初始采購成本、維護(hù)成本和能源成本組成。其中，能源成本大約占?jí)嚎s機(jī)運(yùn)行成本的80%。按照回收完成后電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行電流為170～180 A計(jì)算,壓縮機(jī)空載損耗功率為95 kW，變頻改造后電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行功率降低64%左右。按照現(xiàn)在空載率50%計(jì)算，改造完成后，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)電24萬kW·h，年節(jié)約資金12萬元，同時(shí)避免設(shè)備故障，節(jié)約設(shè)備維修費(fèi)用1.5萬元，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益13.5萬元。使用變頻器對(duì)傳統(tǒng)的VCM 132 kW壓縮機(jī)拖動(dòng)方式進(jìn)行節(jié)能改造，具有明顯的節(jié)能降耗效果，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

6 變頻改造中需要注意的問題

（1）由于電機(jī)在運(yùn)行過程中的散熱主要依靠其尾端自帶的風(fēng)扇，電機(jī)在輕載運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速不能過低（頻率不能過低），否則電機(jī)的溫升會(huì)急速加劇，甚至燒毀電機(jī)。

（2）改造系統(tǒng)中應(yīng)該有變頻和工頻2套主回路及相應(yīng)的控制回路。

（3）為了減少設(shè)備故障，適當(dāng)選擇設(shè)計(jì)完善、用料講究、控制先進(jìn)、質(zhì)量可靠的品牌設(shè)備。

（4）為了配合數(shù)字化管理，應(yīng)選用具有較強(qiáng)通訊功能的變頻器產(chǎn)品，以便減少數(shù)據(jù)上傳的投資費(fèi)用。

（5）對(duì)于容量較大的變頻器，如果電網(wǎng)容量較小，還應(yīng)考慮串接直流電抗器等抗干擾措施。

（6）為了避免過電壓等問題發(fā)生，應(yīng)該盡量縮短負(fù)荷線長度。

（7）注意對(duì)進(jìn)出變頻器的模擬量信號(hào)進(jìn)行電氣隔離。

（8）帶有旁路裝置的調(diào)速回路，應(yīng)該考慮加裝帶機(jī)械互鎖裝置的接觸器產(chǎn)品。

Optimization design of VCM compressor variable velocity frequency of 30 m3polymerizer

ZHANG Bao-cheng,CHEN Chun-jie,CHENG Gui-rong
(Hebei Shenghua Chemical Co.,Ltd.,Zhangjiakou 075000,China)

The variable velocity frequency process of VCM liquid-ring compressor was introduced.The mehtod was safe,cheap and reliablity.Because the working model of VCM compressor was discontinuous operation,and the conventional auto-induction voltage-reduced startup could not load frequent starts-stops.Variable velocity frequency technology could not only avoid the frequent equipment accident but also has the remarkable effects to power saving,and the economic profit was improved.

polymerizer;VCM compressor;current control;variable velocity frequency

TQ114.15

B

1009－1785(2010)03－0025-03

2009-12-04