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变频调速技术在化工装置上的应用
王凤军
大庆油田化工有限公司轻烃分馏分公司 黑龙江大庆
163411
摘要：本文介绍了变频调速技术在化工装置中的应用，收到明显的控制效果和节能效果。
关键词：变频调速;泵;搅拌机；引风机；空冷风机;控制；节能
1．前言
大庆油田化工有限公司轻烃分馏分公司现有装置2套，一套是20万吨/年轻烃分馏装置，一套是5万吨/年混合戊烷分离装置，均采用多塔连续精馏工艺，先进的DCS控制，生产包括液化气、工业混合烷和EPS发泡剂在内18种产品，属于国内最大的油田轻烃加工企业。在装置主要工艺和公用工程配套系统，18处应用了变频调速技术，收到较好控制效果和节能效果，为提高装置产品质量、安全稳定运行提供了保障。
2．变频调速的原理
交流电动机的转速表达式：
n0=60f/p
n=60f(1-s)/p
s=F( U,R1,X1,R2,X2)
式中：
n0 ——同步电动机转数
n
——异步电动机转数
f——电源频率
p——定子绕组极对数
s——异步电动机转差率
U——电源电压
R1——定子绕组电阻
X1
——定子绕组电抗
R2——转子绕组电阻
X2——转子绕组电抗
根据上式，交流电动机的频率和电源的频率成正比，通过变频装置可将电网50
赫兹的固定频率转换为可调频率1~50赫兹，从而实现交流电动机的无极调速。交流电动机的调速可分为基频以下的恒磁通变频调速和基频以上的弱磁通变频调速，通过变频器实现异步电动机变频调速功能，变频调速又称为VVVF(
Variable Voltage Variable Frequency)变压变频调速，变频方式又有交-直-交变频和交-交变频两大类，交-直-交变频方式又有脉幅调制型、脉宽调制型、正弦波脉宽调制型和块调制型之分，均由整流器、滤波器和逆变器所组成，完成交流（共频）-直流-交流（变频）转换。
3.变频调速技术的应用
3.1锅炉上水泵、加药泵和搅拌器上的应用
锅炉原上水系统运行方式是工频启动，上水量及给水压力靠调节阀开度来调节实现，锅炉液位达到时上水泵开大回流，进行自身循环。这种控制方式的缺点是噪音大，工人劳动强度大，附属设备复杂，稳定性差，故障率高，另外对管网的冲击力大。
上水泵变频改造原理图如下图1，利用上水汇管压力及液位信号进行闭环控制。拆除调节上水阀门的附属装置，炉前上水阀门开最大，由水位自控表及压力控制器输出信号实现PID闭环控制，调节变频器频率，改变电机转速，改变上水压力和流量，满足锅炉不同负荷下的上水需求。
上水泵压力闭环控制系统原理图1
锅炉加药除氧泵原设计手动加药，每天根据炉水含氧量进行投药，操作复杂，工人的劳动强度大，同时为保证除氧效果，连续加药和过量加药，造成电能和药剂的巨大浪费。2005年利用变频调速技术进行改造，加药泵控制原理图见图2，首先检测锅炉上水的溶解氧含量，将信号反馈给加药机的PLC系统进行计算，计算后信号输出给变频调速器，控制加药量，收到较好的加药效果，减少加药人员，年节约药剂使用费30%
，减少了生产消耗，为企业创造了经济效益。
加药泵闭环控制原理图2
化验滴定搅拌器选用变频调速技术，控制电机转速，实现对搅拌速度的控制和选择，收到较好的效果。
3.2锅炉鼓风机上的应用
分公司锅炉房现有10t/h蒸汽锅炉3台，每台锅炉配有22kw引风机一台，为微正压锅炉配风。锅炉原引风机采用离心式风机，运行方式是减压启动、工频运行，其风量的大小采用人工调节风道挡板和炉前风门的方法来调节风量，因为电机转速恒定不变，因此会造成大量的剩余风量在风门和挡板上被消耗，转换成多余的热量，所以能量损耗严重。另外由于人为操作的误差，锅炉燃烧器配风比例不准，浪费大量燃料气及电能，同时锅炉锅炉配风不足，燃料气不能充分燃烧，多次造成烟道二次燃烧和炉膛爆燃，给安全生产带来较大的安全隐患，为此2003年7月对锅炉鼓风系统进行改造，风机控制采用了变频调速技术。
锅炉鼓风机变频改造原理图见图3。在引风机的变频改造系统中，采用原有工频系统和变频系统互锁的模式，仍然保留原有的工频系统，在同一时间内只有一套系统进行工作运行。当变频控制系统出现故障时可以很方便的转换到另一种控制模式，大大增加了整个系统的可靠性。引风机变频控制系统的控制方式，是通过压力传感器对炉膛内的压力进行检测，并将检测到的负压信号送到引风机的变频器内，变频器将根据设定和反馈的压力大小自动调节风量，达到恒定控制压力。
采用变频调速控制以后，电机启动是软启动，减少启动过程中对电网和风机的冲击，节约了电能35%，提高锅炉热效率3%，节约天然气7%，提高了控制精度5%，减小了噪音，降低了工人的劳动强度，降低设备的故障率，一定程度上减少机械磨损，延长设备寿命，节约维修费用。
3.3精馏塔空冷风机上的应用
分公司精馏装置工装有空冷风机31台，每台风机由翅片式散热器、风扇和异步电动机等组成，空冷风机直接冷却塔流出口产品的温度，是保证分馏塔温度、压力控制的重要手段。根据生产工艺的要求，每个精馏塔生产的产品不同，压力、温度参数各不相同，这些参数波动直接影响装置的稳定运行，直接影响流出口产品质量。在未装变频器之前，由于风机工频运行，操作工无法控制电机转速，只能爬到几十米高空平台上通过调整风扇叶角度和给翅片散热器盖棉被来调整流出口温度，每天上下10多次，劳动强度大，且存在严重的安全隐患，同时，冷量恒定，存在过冷现象，浪费巨大的电能。
空冷风机温度闭环控制原理见图4，在空冷器上安装温度传感器，采集管道内介质温度信号，传送给主控室DCS系统，DCS对传过来的温度模拟信号进行计算，输出4~20Ma电流信号至配电间内的变频器的模拟信号输入端，经变频器自身的PID进行调解，变频器输出适当的电压和频率信号给空冷风机电机，调节空冷风机的转速和输出功率，这样形成一个闭环调节系统，准确控制塔流出口温度，使塔系统温度、压力控制恒定。
使用变频调速后实现对设备的软启动功能，避免直接启动时大电流对电网的影响，并具备其他软启动不具备的功能，降低工人的劳动强度，节约电能30%。应用变频调速技术后可根据温度变化随时调节风机转速，减少了噪音对环境的污染（电机运行在额定转速之下，风的噪音随之下降），对提高工业卫生水平起到一定的作用。由于风机长期低于额定转速下运行，电机及风机的轴承不易磨损，延长了使用寿命，维修量下降，节约了大量的维修费用。电机的保护功能全，可以完全舍去过去一直使用的传统的保护系统，使得整个系统变得更加简洁，易于维护。
4．结论
4.1
变频调速技术在轻烃分馏分公司化工装置上各个系统上的应用，已3年多，取得较好的效果。
4.2本文所述应用系统均是由电机、变频器和闭环控制单元等组成，变频控制技术闭环控制系统的实现，提高了系统的自动化程度和可靠性，对化工装置的安、稳、长、满、优运行具有重要意义。
4.3变频调速技术应用，应先对系统运行认真研究，得到系统设置方案，最好利用系统建模和仿真的方法，研究设计控制方案，才能优化控制系统，使调速系统精度更高，运行更可靠。
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