變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)在石油化工行業(yè)上的應(yīng)用

汪學(xué)峰

（中國石化集團(tuán)公司九江石油化工總廠，江西 九江 332004）

石油化工行業(yè)具有高溫高壓、易燃易爆、連續(xù)性生產(chǎn)等特點，電動機(jī)作為主要的動力設(shè)備，在石油化工、石油天然氣、化學(xué)工業(yè)、煤礦、冶金等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，通常用于驅(qū)動泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和其他傳動機(jī)械。電動機(jī)節(jié)能潛力巨大，目前我國已經(jīng)研制開發(fā)了各種類型防爆電動機(jī)變頻調(diào)速產(chǎn)品。

2002—2011年，中國石化股份有限公司九江石化公司作為煉油、化肥、化工一體化的國有大型煉油化工聯(lián)合企業(yè)，對具有節(jié)能潛力的風(fēng)機(jī)、泵和壓縮機(jī)配套的驅(qū)動電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造。公司在煉油、化工、化肥等生產(chǎn)裝置的防爆電動機(jī)上，廣泛使用了富士、東芝、西門子、三菱、ABB等各種型號的變頻器，先后對化肥氣化爐渣油進(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、原油輸送泵等重要生產(chǎn)裝置機(jī)泵的電動機(jī)進(jìn)行了變頻調(diào)速節(jié)能改造，均取得了較好的節(jié)能效果。

實踐證明，應(yīng)用變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)控制風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載是一種先進(jìn)、科學(xué)的控制方法。利用變頻器內(nèi)置的PID（Proportion Integration Differentiation）控制器調(diào)節(jié)軟件，可以根據(jù)工藝負(fù)荷精確地自動調(diào)節(jié)電動機(jī)輸出頻率和轉(zhuǎn)速，保持恒定的壓力、流量和液位，滿足生產(chǎn)裝置工藝系統(tǒng)要求的壓力。實際應(yīng)用證明，當(dāng)電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速的80%下運(yùn)行時，節(jié)能效率可以達(dá)到40%。變頻調(diào)速器還可以實現(xiàn)大型防爆電動機(jī)的軟起動和軟停機(jī)，避免了電動機(jī)起動電流對電力系統(tǒng)的沖擊，不僅減少了電動機(jī)、機(jī)泵和閥門設(shè)備的故障率，延長其使用壽命，而且節(jié)約電能效果顯著，從而實現(xiàn)了電動機(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［1］圖1所示。

圖1 變頻調(diào)速節(jié)能原理矢量圖

2002—2011年，企業(yè)投入資金5000多萬元用于風(fēng)機(jī)、水泵變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)改造，平均投資回收期約2年。截至2010年12月，已投入運(yùn)行的變頻調(diào)速器有485臺，總裝機(jī)容量達(dá)到16MW。若按每臺設(shè)備平均節(jié)電率40%計算，則每年至少可節(jié)約電能42GW·h，每年僅節(jié)約電費一項就達(dá)2500多萬元，節(jié)約設(shè)備維修費、材料費100多萬元。

本文介紹了變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)在本企業(yè)煉油、化肥、化工等主要生產(chǎn)裝置防爆電機(jī)上的應(yīng)用。

1 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 A－GA101（設(shè)備位號）是本企業(yè)3×105t／a合成氨裝置的重要設(shè)備，其作用是將減壓渣油、脫油瀝青等原料輸送到氣化爐。渣油進(jìn)料泵的驅(qū)動電動機(jī)為德國西門子電動機(jī)，技術(shù)參數(shù)如下：電機(jī)功率P＝75kW，轉(zhuǎn)速n＝2982r／min，額定電壓U＝380V，額定電流I＝140A，額定出口流量Q＝28.52m3／h。原采用儀表控制系統(tǒng)，通過控制出口閥門的方法控制介質(zhì)流量，即將差壓變送器檢測流量信號送至PID調(diào)節(jié)器，由PID調(diào)節(jié)器輸出控制信號來控制出口調(diào)節(jié)閥的開度，從而控制出口介質(zhì)流量，以保持流量穩(wěn)定。

原系統(tǒng)運(yùn)行中存在以下問題：儀表控制系統(tǒng)信號滯后，調(diào)節(jié)閥故障率高，控制精度低，出口介質(zhì)流量波動大；出口閥門的節(jié)流量較大，接近泵額定流量的50%，浪費了大量的電能；電機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生機(jī)械振蕩，且振動值一直較高；電動機(jī)一直在額定轉(zhuǎn)速工作，出力不變，消耗電能；電動機(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機(jī)，選用西門子公司成套變頻設(shè)備，對3臺渣油進(jìn)料泵（2臺運(yùn)行、1臺備用）的防爆電動機(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)信號有高速傳遞性，減少了以前儀表控制系統(tǒng)信號滯后現(xiàn)象，解決了由于調(diào)節(jié)閥故障率高給生產(chǎn)帶來的影響。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［2］。

經(jīng)變頻優(yōu)化改造后，節(jié)能效果顯著，節(jié)電率達(dá)到70%。按年運(yùn)行8000h計算，2臺渣油進(jìn)料泵年節(jié)約電量＝節(jié)電率×電動機(jī)工頻功率×工作時間×臺數(shù)＝70%×75kW×8000h×2臺＝840000kW·h

節(jié)約電費＝節(jié)電量×電價＝840000kW·h×0.6元／（kW·h）＝50.4萬元

該項目投資75萬元，投資回收期約1.5a。

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)帶來的影響，系統(tǒng)實現(xiàn)了軟啟動，減小了電機(jī)啟動時大電流對電網(wǎng)的沖擊。2009年7月—2011年4月，變頻器運(yùn)行可靠，自動化程度高，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 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)是企業(yè)5×106t／a常減壓蒸餾裝置加熱爐煙氣回收系統(tǒng)的重要設(shè)備，風(fēng)機(jī)電機(jī)輸出功率為185kW，原設(shè)計是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板實現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)，設(shè)備運(yùn)行能耗長期居高不下。

加熱爐鼓風(fēng)機(jī)原設(shè)計方案負(fù)載是根據(jù)滿負(fù)荷工作需用量來設(shè)計選型，留有10%以上的富余量。但隨著常減壓蒸餾裝置加工量、物料性質(zhì)等工況的變化，實際需求功率也產(chǎn)生變化，流量、壓力等工藝參數(shù)經(jīng)常隨工況的改變而改變。實際應(yīng)用中，加熱爐鼓風(fēng)機(jī)大部分工作時間并非處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，原來的電機(jī)恒速和機(jī)泵恒壓恒流設(shè)計則導(dǎo)致電能浪費；傳統(tǒng)方法是通過調(diào)節(jié)出口或入口的擋板、管路閥門及調(diào)節(jié)閥開度來調(diào)節(jié)流量、壓力等工藝參數(shù)，定速機(jī)泵輸出功率被工藝物流吸收作有用功的僅占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［3］。按年運(yùn)行8760h計算，原設(shè)計1臺鼓風(fēng)機(jī)每年消耗電能1.62GW·h，電費高達(dá)97萬元。

為提高加熱爐煙氣回收系統(tǒng)工藝自動化控制水平，使控制方案與實際負(fù)荷相匹配，節(jié)約電能，提高經(jīng)濟(jì)效益。2009年3月，企業(yè)在煉油裝置停工檢修期間對加熱爐鼓風(fēng)機(jī)的防爆電機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造，采用風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)取代低效率、高能耗的風(fēng)門擋板節(jié)流控制，以提高加熱爐煙氣回收系統(tǒng)的效率。

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。該變頻器采用最新智能絕緣柵雙極晶體管模塊和東芝獨特矢量運(yùn)算控制，具有良好的技術(shù)性能，主要特點包括：① 電流限制功能。當(dāng)機(jī)泵超過負(fù)荷時，通過抑制轉(zhuǎn)矩來限制過電流，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，可瞬時補(bǔ)償輸出電壓，保證變頻器穩(wěn)定運(yùn)行。③ 加、減速功能。根據(jù)負(fù)荷狀態(tài)自動調(diào)整最合適的加、減速時間，方便設(shè)備調(diào)試。④自動節(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，自動節(jié)電運(yùn)行。⑤ 內(nèi)置工頻／變頻切換時序電路，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。

2009年4月—2011年4月，加熱爐鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)過變頻節(jié)能改造投用兩年來，變頻調(diào)速器操作安全平穩(wěn)，具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動保護(hù)功能，實現(xiàn)了風(fēng)量、風(fēng)壓閉回路自動調(diào)節(jié)控制。驅(qū)動電機(jī)可以實現(xiàn)軟起動和無級調(diào)整轉(zhuǎn)速，消除了防爆電動機(jī)起動時6倍的沖擊電流，避開了機(jī)械共振點，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的振動值大幅降低，避免了鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行時的機(jī)械振蕩，大大降低了設(shè)備故障率，延長了機(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。

由于變頻器運(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調(diào)整風(fēng)量，也可以完全實現(xiàn)自動控制，并且可與加熱爐煙氣回收系統(tǒng)自動控制裝置進(jìn)行電氣、儀表聯(lián)鎖，實現(xiàn)加熱爐的自動保護(hù)及計算機(jī)控制，不會因鼓風(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，自動調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)輸出頻率在約20Hz時運(yùn)行，電機(jī)運(yùn)行時電流由原來的220A降至90A，可滿足常減壓蒸餾裝置2臺加熱爐的供風(fēng)量，該臺設(shè)備節(jié)電效率達(dá)到60%。據(jù)測算，每年可節(jié)約電費約60萬元，該項目投資80萬元，投資回收期約1.3a。

3 在液氨輸送泵6kV高壓防爆電動機(jī)上的應(yīng)用

液氨輸送泵 T－GA101A（設(shè)備位號）是九江石化3×105t／a合成氨裝置的關(guān)鍵設(shè)備，將生產(chǎn)的液態(tài)合成氨輸送到8000m3氨罐儲存，該泵采用富士高壓電動機(jī)，機(jī)泵技術(shù)參數(shù)：電動機(jī)功率P＝160kW，轉(zhuǎn)速n＝2975r／min，額定電壓U＝6kV，額定電流I＝220A，介質(zhì)密度ρ＝675.6kg／m3，出口流量Q＝91.4m3／h，無負(fù)偏差，進(jìn)口壓力Pin＝0.01～0.08MPa，進(jìn)口溫度t＝－33℃，出口壓力Pout＝2.6MPa，額定揚(yáng)程h＝362m。

液氨輸送泵為立式離心泵，采用機(jī)械密封。由于電動機(jī)長時間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)載波動大，電動機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生機(jī)械振蕩，振動值一直較高，加之液氨腐蝕性較強(qiáng)，經(jīng)常造成機(jī)封損壞出現(xiàn)氨泄漏，液氨又很容易吸熱氣化，造成泵體氣蝕打不上量。設(shè)備故障率高，維修工作量大，機(jī)泵2～3個月就要停機(jī)檢修、更換機(jī)封，影響了設(shè)備長周期運(yùn)行和裝置安全、平穩(wěn)生產(chǎn)。

2008年9月，九江石化公司對液氨輸送泵防爆電動機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造，采用日本富士6kV／160kW的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)自動控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速，以控制介質(zhì)流量，使機(jī)泵出口閥處于全開狀態(tài)，且揚(yáng)程與管網(wǎng)阻力特性曲線相吻合，電動機(jī)降速運(yùn)行，電流明顯降低。改造后，氨輸送泵及驅(qū)動電動機(jī)各項運(yùn)行參數(shù)都在正常范圍之內(nèi)；電動機(jī)實現(xiàn)了軟起動，減小了大電機(jī)起動時對電網(wǎng)的沖擊；電動機(jī)軸承運(yùn)行溫度不超過60℃，振動、軸位移符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求；機(jī)泵運(yùn)行時的機(jī)械振蕩、振動值大幅降低，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，有效延長了機(jī)泵軸承、機(jī)械密封等易損件的使用壽命，減少了工藝設(shè)備的泄漏；機(jī)泵故障率大幅降低，提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性，設(shè)備維護(hù)工作量減少［4］。2008年10月～2011年4月，液氨輸送泵運(yùn)行2年多來，只進(jìn)行了常規(guī)中修，實現(xiàn)了機(jī)泵的長周期運(yùn)行。

此外，變頻調(diào)速器的加速和減速時間可根據(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)自動控制時，還可用原有的儀表信號，能滿足化肥生產(chǎn)裝置長周期、連續(xù)生產(chǎn)等各種嚴(yán)格的工藝技術(shù)要求。

液氨輸送泵變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)改造獲得了良好的節(jié)能效果，節(jié)電率達(dá)到60%，年節(jié)電超過500MW·h，該項目投資100萬元，投資回收期約3a。為煉油化工生產(chǎn)裝置應(yīng)用推廣6kV高壓電機(jī)變頻節(jié)能技術(shù)積累了經(jīng)驗，使之成為石油化工企業(yè)節(jié)能降耗的亮點。

4 建 議

雖然，目前變頻調(diào)速技術(shù)已在石油化工工業(yè)的不同領(lǐng)域、不同深度得到了推廣和應(yīng)用，特別是九江石化公司等一批領(lǐng)先的石油化工企業(yè)，已實現(xiàn)了變頻調(diào)速技術(shù)的初步普及，且取得了良好的節(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，潛力仍然巨大。對此，筆者認(rèn)為應(yīng)抓好以下幾個環(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)特點的需要，研發(fā)制造成套變頻設(shè)備，在電力拖動系統(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)計環(huán)節(jié)。堅持同時設(shè)計、同時制造、同時訂貨、同時施工、同時投用的“五同時”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，對具有節(jié)能潛力的風(fēng)機(jī)、泵和壓縮機(jī)配套的驅(qū)動電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造，實現(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)和其他行業(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)系統(tǒng)。

5 結(jié) 語

石油化工行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，同時也是高能耗、高污染行業(yè)。多年來，在政府大力提倡、鼓勵和支持企業(yè)推廣高新技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，并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)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)、無級、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，可以滿足大型石油化工裝置安全穩(wěn)定、長周期、連續(xù)運(yùn)行的生產(chǎn)需要，越來越廣泛地應(yīng)用在石油化工行業(yè)的多種與工藝設(shè)備配套的電力拖動設(shè)備中，是石油化工等高能耗行業(yè)挖潛改造、節(jié)能降耗、降本增效的有效途徑，是石油化工工業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需要，必將成為石油化工電力拖動的中樞設(shè)備。

［1］張燕賓.變頻器應(yīng)用教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］陳 偉.機(jī)泵選用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［3］趙全慶.變頻調(diào)速技術(shù)在煉油廠節(jié)能改造設(shè)計中的應(yīng)用［J］.石油化工設(shè)計，2006，23（3）：38－40.

［4］劉軍祥.高壓變頻器應(yīng)用環(huán)境的研究與分析［J］.變頻器世界，2010（8）：75－78.