引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

全永光（大慶油田化工集團(tuán)）

引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

全永光（大慶油田化工集團(tuán)）

大慶油田甲醇廠引進(jìn)的合成氨裝置引風(fēng)機(jī)啟動(dòng)力矩大，需配置大功率電動(dòng)機(jī)，能源浪費(fèi)巨大；風(fēng)量的調(diào)節(jié)靠調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)入口擋板的開度來完成，風(fēng)機(jī)振動(dòng)大。為解決這一問題，在風(fēng)機(jī)上采用了變頻調(diào)速技術(shù)，引風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)方式由節(jié)流調(diào)節(jié)改為變頻調(diào)節(jié)。變頻器投入使用后引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況得到明顯的改善：低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，無需再調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)入口擋板，解決了風(fēng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行振動(dòng)的問題；利用負(fù)壓來控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)化爐輻射段的負(fù)壓非常平穩(wěn)，大大提高了原料氣的轉(zhuǎn)化率，風(fēng)機(jī)在70%負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，能耗僅為額定值的34%，節(jié)能效果非常顯著。

引風(fēng)機(jī) 節(jié)流調(diào)節(jié) 變頻調(diào)節(jié) 經(jīng)濟(jì)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(guó)引進(jìn)的二手裝置，年生產(chǎn)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(zhuǎn)化、空氣二段轉(zhuǎn)化、MEA脫碳、高壓合成制氨工藝。

一段轉(zhuǎn)化爐是該裝置的核心設(shè)備，其主要作用是將天然氣轉(zhuǎn)化為氫氣和一氧化碳。操作壓力為2.2 MPa，操作溫度為1100℃，負(fù)壓運(yùn)行，其負(fù)壓操作靠引風(fēng)機(jī)不斷從爐子輻射段抽取煙氣來實(shí)現(xiàn)。由于一段轉(zhuǎn)化爐引風(fēng)機(jī)的輪轂直徑為1.2 m，風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)力矩非常大，因此風(fēng)機(jī)所配置的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率也非常大。在風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于大馬拉小車狀態(tài)，造成極大的能源浪費(fèi)。另外由于電動(dòng)機(jī)為固定轉(zhuǎn)速，風(fēng)量的調(diào)節(jié)靠調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)入口擋板的開度來完成。小風(fēng)量時(shí)，風(fēng)機(jī)擋板開度很小，造成風(fēng)機(jī)的振動(dòng)非常大，裝置無法實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷平穩(wěn)運(yùn)行。鑒于此，對(duì)引風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)，并建立依照爐膛負(fù)壓值來控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1 引風(fēng)機(jī)變頻器

1.1 節(jié)能分析

利用變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速節(jié)能運(yùn)行，是變頻器的一個(gè)最典型的例子，其中以風(fēng)機(jī)和泵類機(jī)械的節(jié)能效果最為顯著。下面以引風(fēng)機(jī)為例做節(jié)能分析。

風(fēng)機(jī)的機(jī)械特性符合下列公式[1]：

式中：T——轉(zhuǎn)矩；T0——空載轉(zhuǎn)矩；Kr——比例系數(shù)；n——轉(zhuǎn)數(shù)；P——功率；P0——空載功率；kp——比例系數(shù)。

通?？刂骑L(fēng)量的方法有A和B兩種方法：

◇A法是控制輸出或輸入的風(fēng)門開度；

◇B法是控制旋轉(zhuǎn)速度。

采用A法時(shí)，管路的節(jié)流阻力改變，可得到所需的送風(fēng)特性，此方法的優(yōu)點(diǎn)是投資少，操作簡(jiǎn)單。采用B法時(shí)由于功率與速度的3次方成正比，節(jié)能效果十分明顯，加之采用變頻裝置容易操作，并可以實(shí)現(xiàn)高功能化，因而采用變頻器驅(qū)動(dòng)的方案開始逐步取代風(fēng)門控制方案，見圖1[2]。

由圖1可知，當(dāng)Q=0.7Qn（Q——風(fēng)量，Qn——額定風(fēng)量）時(shí)，通過調(diào)速的方法來調(diào)節(jié)風(fēng)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(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量所耗功率則為Px=0.94Pn。可見，用變頻器調(diào)速節(jié)能效果十分明顯。

1.2 變頻器的選擇

根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定功率、額定頻率、額定轉(zhuǎn)速、額定電流、額定電壓等特性選擇相應(yīng)的變頻器。

變頻器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的變頻器容量應(yīng)滿足以下公式[3]：

式中：

Pm——負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)的軸輸出功率，kW；

y——電動(dòng)機(jī)效率（0.85）；

cos?——電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)（通常選為0.95）；

Um——電動(dòng)機(jī)電壓，V；

Im——電動(dòng)機(jī)電流，A；

k——電流波形修正參數(shù)；

Pcn——變頻器的額定容量，kvar；

Icn——變頻器的額定電流，A。

2 系統(tǒng)自動(dòng)控制

合成氨裝置一段轉(zhuǎn)化爐引風(fēng)機(jī)運(yùn)行的自動(dòng)控制過程是：現(xiàn)場(chǎng)變送器送回的爐膛負(fù)壓值與控制室的設(shè)定值相比較，再通過PID調(diào)整，使其對(duì)應(yīng)變頻器線性輸出20～50 Hz，變頻器的頻率又對(duì)應(yīng)著一定的爐膛負(fù)壓，從而達(dá)到控制目的。引風(fēng)機(jī)工作時(shí)所測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 引風(fēng)機(jī)工作時(shí)所測(cè)數(shù)據(jù)

控制系統(tǒng)[4]的結(jié)構(gòu)見圖2。

3 變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用效果

通過對(duì)合成氨裝置一段轉(zhuǎn)化爐引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究，得到了系統(tǒng)的設(shè)置方案，完成了變頻器的選型，確立了自動(dòng)控制方案。變頻器選擇德國(guó)西門子公司的MIDIMASTER Ecd型變頻器。最大功率為110 kW，頻率調(diào)節(jié)范圍為0～50 Hz；負(fù)壓變送器采用合資廠生產(chǎn)的3051型智能變送器；頻率表、電壓表、電流表選用國(guó)內(nèi)性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，控制部分利用現(xiàn)有裝置的ABB公司DCS控制系統(tǒng)。

安裝、調(diào)試，投入運(yùn)行后引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況得到明顯的改善：低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，無需再調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)入口擋板，解決了風(fēng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行振動(dòng)的問題；利用負(fù)壓來控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)化爐輻射段的負(fù)壓非常平穩(wěn)，大大提高了原料氣的轉(zhuǎn)化率，利用變頻器調(diào)速后，風(fēng)機(jī)在70%負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，能耗僅為額定值的34%，節(jié)能效果非常顯著。裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)見表2。

表2 合成氨裝置一段轉(zhuǎn)化爐引風(fēng)機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)

風(fēng)機(jī)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(jié)約的電量為1742.4 kW·h。按化工裝置每年生產(chǎn)運(yùn)行300 d計(jì)算，一年節(jié)約的電量為52.272×104kW·h，按0.50元/（kW·h）計(jì)算，每年可節(jié)約26×104元。運(yùn)行一年即可收回安裝費(fèi)用。同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，裝置操作更加省力，保證了化工裝置的安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行。

[1]韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出社，1996.

[2]吳忠智，吳加林.變頻器應(yīng)用手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

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

[4]錢積新，王慧，邵之江.控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1999.

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

2011-05-28)