汪學(xué)峰

(中國(guó)石化集團(tuán)公司九江石油化工總廠，江西 九江 332004)

0 引言

幾年來(lái)，變頻調(diào)速傳動(dòng)，在煉油、化工、化肥等生產(chǎn)裝置的防爆電機(jī)上廣泛推廣應(yīng)用，先后對(duì)化肥氣化爐渣油進(jìn)料泵、液氨輸送泵、常減壓加熱爐鼓風(fēng)機(jī)、催化解析塔進(jìn)料泵、延遲焦化溶劑泵、原油輸送泵、聚丙烯擠壓造粒機(jī)組、熱電鍋爐排粉風(fēng)機(jī)等生產(chǎn)裝置重要機(jī)泵的防爆電機(jī)，進(jìn)行了變頻調(diào)速節(jié)能改造，取得了較好的節(jié)能效果，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

利用變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)軟件，可以根據(jù)工藝負(fù)荷精確地自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)輸出頻率和轉(zhuǎn)速，保持恒定的水壓、風(fēng)壓，滿足生產(chǎn)裝置工藝系統(tǒng)要求的壓力。實(shí)際應(yīng)用證明，當(dāng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速的80%運(yùn)行時(shí)，節(jié)能效率可以達(dá)到40%。變頻調(diào)速器還可以實(shí)現(xiàn)大型防爆電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)和軟停機(jī)，避免了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流對(duì)電力系統(tǒng)的沖擊，不僅減少了電動(dòng)機(jī)、機(jī)泵和閥門設(shè)備故障率，延長(zhǎng)其使用壽命，而且節(jié)約電能效果顯著，從而實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。變頻調(diào)速節(jié)能原理矢量圖見圖1。

截至2010年10月，九江石化公司已投入運(yùn)行的變頻調(diào)速器有485臺(tái)，總裝機(jī)容量達(dá)到16000 kW。若按每臺(tái)設(shè)備平均節(jié)電率40%計(jì)算，則每年至少可節(jié)約電能4200萬(wàn)kW·h，每年僅節(jié)約電費(fèi)一項(xiàng)就達(dá)2500多萬(wàn)元，節(jié)約設(shè)備維修費(fèi)、材料費(fèi)100多萬(wàn)元。

以下介紹變頻調(diào)速技術(shù)在九江石化公司煉油、化肥、化工等主要生產(chǎn)裝置防爆電機(jī)上的應(yīng)用。

圖1 變頻調(diào)速節(jié)能原理矢量圖

1 變頻調(diào)速技術(shù)在氣化爐渣油進(jìn)料泵防爆電機(jī)上的應(yīng)用

渣油進(jìn)料泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為防爆電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)功率75 kW，轉(zhuǎn)速2982 r/min，額定電壓380 V，額定電流140 A，額定出口流量28.52 m3/h。原系統(tǒng)采用儀表控制系統(tǒng)控制出口閥門的方法控制介質(zhì)流量，即差壓變送器檢測(cè)流量信號(hào)送至PID調(diào)節(jié)器，再由PID調(diào)節(jié)器輸出控制信號(hào)，控制出口調(diào)節(jié)閥的開度，從而控制出口介質(zhì)流量，保持流量穩(wěn)定。

原系統(tǒng)運(yùn)行中存在以下問(wèn)題:儀表控制系統(tǒng)信號(hào)滯后，調(diào)節(jié)閥故障高，控制精度低，出口介質(zhì)流量波動(dòng)大;出口閥門的節(jié)流量較大，已接近泵額定流量的一半，浪費(fèi)了大量的電能;電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生機(jī)械振蕩，振動(dòng)值一直較高;防爆電動(dòng)機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速，出力不變，消耗電能;電動(dòng)機(jī)運(yùn)行噪聲較大;泵和管線閥門承受的壓力較大，經(jīng)常造成機(jī)封損壞導(dǎo)致介質(zhì)泄漏;設(shè)備故障率高，經(jīng)常造成泵打不上量，嚴(yán)重影響了渣油進(jìn)料泵長(zhǎng)周期運(yùn)行和化肥裝置安全平穩(wěn)生產(chǎn)。

2009年6月，利用化肥裝置停工檢修的時(shí)機(jī)，選用西門子公司成套變頻設(shè)備，對(duì)3臺(tái)渣油進(jìn)料泵(2臺(tái)運(yùn)行、1臺(tái)備用)的防爆電機(jī)進(jìn)行變頻優(yōu)化節(jié)能改造。投入運(yùn)行后，工藝控制平穩(wěn)。由于變頻器的高精度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)信號(hào)有高速傳遞性，減少了以前儀表控制系統(tǒng)信號(hào)滯后現(xiàn)象，解決了由于調(diào)節(jié)閥故障高給生產(chǎn)帶來(lái)的影響。變頻調(diào)速系統(tǒng)控制精度高，工藝運(yùn)行指標(biāo)得到了優(yōu)化，出口閥全開，電動(dòng)機(jī)降速運(yùn)行，管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，減少了工藝設(shè)備的泄漏，降低了機(jī)泵磨損和電機(jī)溫升，機(jī)泵故障率大幅降低。

變頻技術(shù)改造節(jié)能效果顯著，節(jié)電率達(dá)到70%，按年運(yùn)行8000 h計(jì)算，2臺(tái)渣油進(jìn)料泵年節(jié)約電量:節(jié)電率×電動(dòng)機(jī)工頻功率×工作時(shí)間×臺(tái)數(shù)=70% ×75 kW×8000 h×2臺(tái)=840000 kW·h;節(jié)約電費(fèi):節(jié)電量 ×電價(jià) =840000 kW·h×0.6元/kW·h=504000元。

用變頻器代替儀表調(diào)節(jié)閥，解決了由于調(diào)節(jié)閥故障高給生產(chǎn)帶來(lái)的影響，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，減小了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)大電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊。變頻器投入運(yùn)行1年來(lái)，運(yùn)行安全可靠，自動(dòng)化程度高，渣油進(jìn)料泵流量控制精度高，可充分滿足生產(chǎn)需要，節(jié)能效果顯著，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 變頻調(diào)速技術(shù)在加熱爐鼓風(fēng)機(jī)防爆電機(jī)上的應(yīng)用

加熱爐鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)輸出功率為185 kW，原設(shè)計(jì)是通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)，設(shè)備運(yùn)行能耗高。

加熱爐鼓風(fēng)機(jī)原設(shè)計(jì)方案負(fù)載是根據(jù)滿負(fù)荷工作需用量來(lái)設(shè)計(jì)選型，留有10%以上的富余量。實(shí)際應(yīng)用中加熱爐鼓風(fēng)機(jī)大部分工作時(shí)間并非處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。電機(jī)恒速和機(jī)泵恒壓恒流設(shè)計(jì)通過(guò)調(diào)節(jié)出口或入口的擋板、管路閥門及調(diào)節(jié)閥開度來(lái)調(diào)節(jié)流量、壓力等工藝參數(shù)。定速機(jī)泵輸出功率作有用功的僅占30% ～40%，而60% ～70%的電能消耗在擋板、閥門節(jié)流壓降上，造成極大的電能損失和浪費(fèi)。按年運(yùn)行8760 h計(jì)算，原設(shè)計(jì)1臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)每年消耗電能162萬(wàn)kWh，電費(fèi)高達(dá)97萬(wàn)元。

為提高加熱爐煙氣回收系統(tǒng)工藝自動(dòng)化控制水平，使控制方案與實(shí)際負(fù)荷相匹配，節(jié)約電能，提高經(jīng)濟(jì)效益。

選用日本東芝公司專用于平方減轉(zhuǎn)矩負(fù)載的A5P系列變頻器。該變頻器采用智能絕緣柵雙極晶體管(IGBT)模塊和東芝獨(dú)特矢量運(yùn)算控制，有良好的技術(shù)性能。其主要特點(diǎn)有:(1)新的電流限制功能。當(dāng)機(jī)泵超負(fù)荷時(shí)，通過(guò)抑制轉(zhuǎn)矩來(lái)限制過(guò)電流，使變頻器不跳閘，機(jī)泵繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn);(2)電壓反饋控制功能。當(dāng)電源電壓變化時(shí)，可瞬時(shí)補(bǔ)償輸出電壓，保證變頻器穩(wěn)定運(yùn)行;(3)學(xué)習(xí)加減速功能。根據(jù)負(fù)荷狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整最合適的加減速時(shí)間，方便設(shè)備調(diào)試;(4)自動(dòng)節(jié)電運(yùn)行方式功能。在確保負(fù)荷所需轉(zhuǎn)矩的條件下，將電流降到最小，自動(dòng)節(jié)電運(yùn)行;(5)內(nèi)置工頻/變頻切換時(shí)序電路，保證石油化工流程工業(yè)裝置生產(chǎn)的連續(xù)性和可靠性，可以方便切換、互為備用。

變頻調(diào)速器操作安全平穩(wěn)，具有過(guò)載、過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、電源缺相等自動(dòng)保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)量、風(fēng)壓閉回路自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和無(wú)級(jí)調(diào)整轉(zhuǎn)速，消除了防爆電機(jī)啟動(dòng)時(shí)6倍的沖擊電流，避開機(jī)械共振點(diǎn)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的振動(dòng)值大幅降低，避免了鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的機(jī)械振蕩，大大降低了設(shè)備故障率，延長(zhǎng)了機(jī)械負(fù)載的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命，減輕了設(shè)備維修工作量，節(jié)能效果明顯。

變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)方式靈活多樣、操作方便，操作人員只需調(diào)節(jié)變頻器面板上的電位器旋鈕即可手動(dòng)調(diào)整風(fēng)量，也可以完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，并且可與加熱爐煙氣回收系統(tǒng)自動(dòng)控制裝置進(jìn)行電氣、儀表聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)加熱爐的自動(dòng)保護(hù)及計(jì)算機(jī)控制，不會(huì)因鼓風(fēng)機(jī)突發(fā)故障影響裝置安全生產(chǎn)。根據(jù)工藝負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)輸出頻率，在約20 Hz時(shí)運(yùn)行，防爆電機(jī)運(yùn)行電流從原來(lái)的220 A降至90 A，可滿足常減壓蒸餾裝置2臺(tái)加熱爐的供風(fēng)量，該臺(tái)設(shè)備節(jié)電效率達(dá)到60%，據(jù)測(cè)算每年可節(jié)約電費(fèi)約60萬(wàn)元。

3 變頻調(diào)速技術(shù)在液氨輸送泵6 kV高壓防爆電機(jī)上的應(yīng)用

液氨輸送泵電機(jī)功率160 kW，轉(zhuǎn)速2975 r/min，額定電壓 6 kV，額定電流 220 A，介質(zhì)密度675.6 kg/m3，流量 91.4 m3/h，無(wú)負(fù)偏差，進(jìn)口壓力0.01 ～0.08 MPa，進(jìn)口溫度 －33℃，出口壓力2.6 MPa，額定揚(yáng)程 362 m。

液氨輸送泵為立式離心泵，采用機(jī)械密封，由于電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)載波動(dòng)大，電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生機(jī)械振蕩，振動(dòng)值一直較高，加之液氨腐蝕性較強(qiáng)，經(jīng)常造成機(jī)封損壞出現(xiàn)氨泄露，液氨很容易吸熱氣化，造成泵體氣蝕，打不上量。設(shè)備故障率高，維修工作量大，基本上2～3個(gè)月就要檢修更換機(jī)封，影響了設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行和裝置安全平穩(wěn)生產(chǎn)。

液氨輸送泵防爆電機(jī)的變頻節(jié)能改造，采用日本富士6 kV、160 kW高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制介質(zhì)流量，使機(jī)泵出口閥處于全開狀態(tài)，揚(yáng)程與管網(wǎng)阻力特性曲線相吻合，電動(dòng)機(jī)降速運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流明顯降低。氨輸送泵及驅(qū)動(dòng)電機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)都在正常范圍之內(nèi)，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，減小了大電機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，電機(jī)軸承運(yùn)行溫度不超過(guò)60℃，振動(dòng)、軸位移符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，機(jī)泵運(yùn)行時(shí)的機(jī)械振蕩、振動(dòng)值大幅降低，軸承等機(jī)械部件磨損減少，避免了泵的抽空現(xiàn)象，泵端面密封系統(tǒng)不易損壞，延長(zhǎng)了機(jī)泵軸承、機(jī)械密封等易損件的使用壽命，減少了設(shè)備泄漏，機(jī)泵故障率大幅降低，提高了設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性，設(shè)備維護(hù)工作量減少，連續(xù)運(yùn)行1年多進(jìn)行常規(guī)中修，實(shí)現(xiàn)了機(jī)泵的長(zhǎng)周期運(yùn)行。變頻調(diào)速器的加速和減速時(shí)間可根據(jù)工藝要求調(diào)節(jié)，機(jī)械特性硬，調(diào)速性能極好。液氨輸送泵變頻閉環(huán)自動(dòng)控制時(shí)可用原有儀表信號(hào)，能滿足化肥生產(chǎn)裝置長(zhǎng)周期、連續(xù)生產(chǎn)各種嚴(yán)格的工藝技術(shù)要求。

兩年來(lái)，液氨輸送泵防爆電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，節(jié)電率達(dá)到60%，年節(jié)電50多萬(wàn)kW·h。

4 幾點(diǎn)建議

目前，變頻調(diào)速技術(shù)已在石油化工行業(yè)得到了推廣和應(yīng)用。九江石化公司等一批石油化工企業(yè)已實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速技術(shù)的初步普及，也取得了良好的節(jié)能效果。但是，變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)應(yīng)用得還不夠廣泛，節(jié)能潛力仍然巨大。對(duì)此筆者認(rèn)為應(yīng)抓好以下幾個(gè)環(huán)節(jié)的工作。

(1)成套設(shè)備制造環(huán)節(jié)

要根據(jù)石油化工行業(yè)特點(diǎn)的需要，研發(fā)制造成套變頻設(shè)備，在電力拖動(dòng)系統(tǒng)大力推廣和應(yīng)用變頻技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化和完善系統(tǒng)配置，取得理想的節(jié)能降耗效果，達(dá)到提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目的。

(2)工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

堅(jiān)持同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)制造、同時(shí)訂貨、同時(shí)施工、同時(shí)投用的“五同時(shí)”原則，推進(jìn)變頻節(jié)能技術(shù)的推廣普及。

(3)工業(yè)應(yīng)用環(huán)節(jié)

積極推廣應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)，使其成為石油化工行業(yè)機(jī)泵電力控制的主要技術(shù)之一。對(duì)具有節(jié)能潛力的風(fēng)機(jī)、泵和壓縮機(jī)配套的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造，實(shí)現(xiàn)節(jié)電降耗的目的。

(4)技術(shù)研發(fā)環(huán)節(jié)

根據(jù)石油化工行業(yè)和其它行業(yè)的需求，進(jìn)一步開發(fā)、豐富變頻調(diào)速技術(shù)與產(chǎn)品，使之系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、高技術(shù)化，為石油化工企業(yè)提供更好的變頻器和成套技術(shù)裝備。

5 結(jié)語(yǔ)

石油化工產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是高能耗、高污染行業(yè)。多年來(lái)，我國(guó)政府大力提倡、鼓勵(lì)和支持企業(yè)推廣高新技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，并且在資金上給予了很多優(yōu)惠政策，為石油化工等高能耗行業(yè)進(jìn)行節(jié)能降耗改造開辟了新的途徑。

變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果、安全易控、優(yōu)質(zhì)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速、高精度控制工藝參數(shù)、投資回收期短等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在石油化工行業(yè)的多種與工藝設(shè)備配套的電力拖動(dòng)設(shè)備中，必將成為石油化工電力拖動(dòng)的中樞設(shè)備。

目前，變頻調(diào)速技術(shù)已在石油化工行業(yè)得到了推廣和應(yīng)用。九江石化公司等一批石油化工企業(yè)已實(shí)現(xiàn)了防爆電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的初步普及，也取得了良好的節(jié)能效果，表明了它是石油化工等高能耗行業(yè)改造挖潛、節(jié)能降耗、降本增效的有效途徑。