引風機變頻調速節能技術在化工生產中的應用

全永光（大慶油田化工集團）

引風機變頻調速節能技術在化工生產中的應用

全永光（大慶油田化工集團）

大慶油田甲醇廠引進的合成氨裝置引風機啟動力矩大，需配置大功率電動機，能源浪費巨大；風量的調節靠調節風機入口擋板的開度來完成，風機振動大。為解決這一問題，在風機上采用了變頻調速技術，引風機風量的調節方式由節流調節改為變頻調節。變頻器投入使用后引風機的運行狀況得到明顯的改善：低負荷運行時，風機轉速降低，無需再調節風機入口擋板，解決了風機低負荷運行振動的問題；利用負壓來控制風機的轉速，轉化爐輻射段的負壓非常平穩，大大提高了原料氣的轉化率，風機在70%負荷運轉時，能耗僅為額定值的34%，節能效果非常顯著。

引風機 節流調節 變頻調節 經濟效益

D O I:10.3969/j.i ssn.2095-1493.2011.05.008

大慶油田甲醇廠合成氨裝置是從美國引進的二手裝置，年生產液氨能力為6×104t。該裝置采用凱洛格工藝，即天然氣蒸汽一段轉化、空氣二段轉化、MEA脫碳、高壓合成制氨工藝。

一段轉化爐是該裝置的核心設備，其主要作用是將天然氣轉化為氫氣和一氧化碳。操作壓力為2.2 MPa，操作溫度為1100℃，負壓運行，其負壓操作靠引風機不斷從爐子輻射段抽取煙氣來實現。由于一段轉化爐引風機的輪轂直徑為1.2 m，風機的啟動力矩非常大，因此風機所配置的拖動電動機功率也非常大。在風機正常運行時，電動機處于大馬拉小車狀態，造成極大的能源浪費。另外由于電動機為固定轉速，風量的調節靠調節風機入口擋板的開度來完成。小風量時，風機擋板開度很小，造成風機的振動非常大，裝置無法實現低負荷平穩運行。鑒于此，對引風機采用變頻調速技術，并建立依照爐膛負壓值來控制電動機轉速的閉環控制系統。

1 引風機變頻器

1.1 節能分析

利用變頻器實現調速節能運行，是變頻器的一個最典型的例子，其中以風機和泵類機械的節能效果最為顯著。下面以引風機為例做節能分析。

風機的機械特性符合下列公式[1]：

式中：T——轉矩；T0——空載轉矩；Kr——比例系數；n——轉數；P——功率；P0——空載功率；kp——比例系數。

通常控制風量的方法有A和B兩種方法：

◇A法是控制輸出或輸入的風門開度；

◇B法是控制旋轉速度。

采用A法時，管路的節流阻力改變，可得到所需的送風特性，此方法的優點是投資少，操作簡單。采用B法時由于功率與速度的3次方成正比，節能效果十分明顯，加之采用變頻裝置容易操作，并可以實現高功能化，因而采用變頻器驅動的方案開始逐步取代風門控制方案，見圖1[2]。

由圖1可知，當Q=0.7Qn（Q——風量，Qn——額定風量）時，通過調速的方法來調節風量，消耗的電功率P=0.34Pn（P——電功率，Pn——額定電功率），而直接用風門調節風量所耗功率則為Px=0.94Pn。可見，用變頻器調速節能效果十分明顯。

1.2 變頻器的選擇

根據電動機的額定功率、額定頻率、額定轉速、額定電流、額定電壓等特性選擇相應的變頻器。

變頻器連續運轉時所需的變頻器容量應滿足以下公式[3]：

式中：

Pm——負載所要求的電動機的軸輸出功率，kW；

y——電動機效率（0.85）；

cos?——電動機的功率因數（通常選為0.95）；

Um——電動機電壓，V；

Im——電動機電流，A；

k——電流波形修正參數；

Pcn——變頻器的額定容量，kvar；

Icn——變頻器的額定電流，A。

2 系統自動控制

合成氨裝置一段轉化爐引風機運行的自動控制過程是：現場變送器送回的爐膛負壓值與控制室的設定值相比較，再通過PID調整，使其對應變頻器線性輸出20～50 Hz，變頻器的頻率又對應著一定的爐膛負壓，從而達到控制目的。引風機工作時所測數據見表1。

表1 引風機工作時所測數據

控制系統[4]的結構見圖2。

3 變頻調速系統應用效果

通過對合成氨裝置一段轉化爐引風機變頻調速系統的研究，得到了系統的設置方案，完成了變頻器的選型，確立了自動控制方案。變頻器選擇德國西門子公司的MIDIMASTER Ecd型變頻器。最大功率為110 kW，頻率調節范圍為0～50 Hz；負壓變送器采用合資廠生產的3051型智能變送器；頻率表、電壓表、電流表選用國內性能穩定的產品，控制部分利用現有裝置的ABB公司DCS控制系統。

安裝、調試，投入運行后引風機的運行狀況得到明顯的改善：低負荷運行時，風機轉速降低，無需再調節風機入口擋板，解決了風機低負荷運行振動的問題；利用負壓來控制風機的轉速，轉化爐輻射段的負壓非常平穩，大大提高了原料氣的轉化率，利用變頻器調速后，風機在70%負荷運轉時，能耗僅為額定值的34%，節能效果非常顯著。裝置運行數據見表2。

表2 合成氨裝置一段轉化爐引風機檢測數據

風機的額定功率是110 W，沒裝變頻器前日用電量約為2640 kW·h，裝變頻器后能耗僅為額定值的34%，每天節約的電量為1742.4 kW·h。按化工裝置每年生產運行300 d計算，一年節約的電量為52.272×104kW·h，按0.50元/（kW·h）計算，每年可節約26×104元。運行一年即可收回安裝費用。同時又實現了自動調節控制，使風機運行更加平穩，裝置操作更加省力，保證了化工裝置的安、穩、長、滿、優運行。

[1]韓安榮.通用變頻器及其應用[M].北京：機械工業出社，1996.

[2]吳忠智，吳加林.變頻器應用手冊[M]．北京：機械工業出版社，1995.

[3]席志紅，曲杰琳.電工技術[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1998.

[4]錢積新，王慧，邵之江.控制系統的數字仿真及計算機輔助設計[M].杭州：浙江大學出版社，1999.

全永光，2001年畢業于天津大學，助理工程師，從事變電運行工作，E-mail：quanyongguang@126.com，地址：大慶市讓胡路區馬鞍山大慶油田甲醇廠調度室，163000。

2011-05-28)