變頻調速器在磷復肥生產中的應用

摘要：在磷復肥的生產過程中介質的強腐蝕、易結垢、易結晶等特性，導致調節閥的投用和維護很困難，由此造成磷復肥生產的自動化水平很難提高。文章介紹了變頻調速技術，同時從流體力學及泵的特性曲線與管路特性曲線兩個方面分析了變頻調速器的節能原理，并給出了變頻調速器在磷復肥生產中的實際應用。

關鍵詞：變頻調速器；磷復肥生產；調節閥；變頻調速技術；節能原理 文獻標識碼：A

中圖分類號：TQ126 文章編號：1009-2374（2015）09-0067-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0789

在磷復肥的生產過程中，為了保證產品的品質和產量，減輕操作人員的勞動強度，需要對溫度、壓力、流量、物位等參數進行自動控制。傳統的自動控制通過調節閥門的開度進行控制。這類控制使得風機、泵類等設備大部分時間處于非滿負荷運行，造成大量能量的浪費。同時在磷復肥的生產過程中介質的強腐蝕、易結垢、易結晶等特性，導致調節閥的投用和維護很困難，由此造成磷復肥生產的自動化水平很難提高。采用變頻調速器對風機、泵類進行控制，不僅節約了能量，而且提高了控制系統的控制精度和可調比，提高了磷復肥生產的自動化水平。

1 變頻調速技術

在交流異步電動機的各種調速方法中，變頻調速性能優良，效率高。通過對電動機進行變頻調速改造，可以降低系統能耗、優化系統的整體性能，同時節約資源，減少環境污染、優化工作環境等，具有良好的社會經濟效益。變頻調速技術以其顯著的節電效果、優良的調速性能以及廣泛的適用性、系統的安全可靠性和延長設備使用壽命等優點而成為現代電力傳動技術的一個主要發展方向。

變頻調速技術的基本原理是通過改變輸入到交流電機的電源頻率調節交流電動機的輸出轉速。異步交流電動機的輸出轉速與輸入頻率的關系如下：

式中：

n——電動機的輸出轉速

f——輸入電動機的電源頻率

s——電動機的轉差率

p——電動機的極對數

電動機一旦購買，轉差率s、極對數p均不可變，只有改變輸入電動機的電源頻率f，才可改變電動機的輸出轉速n。

2 變頻調速器的節能原理

在磷復肥的生產過程中多使用離心泵輸送液體。當采用調節閥進行調節泵流量時，電機的輸出功率會被大量消耗在調節閥的截留過程中。當采用變頻調速器調節流量時，根據流體力學理論可知：

即泵的流量Q與轉速n成正比，揚程H與轉速n的平方成正比，功率P與轉速n的三次方成正比。因此可得出各項數據如表1所示：

表1 流量、轉速、揚程、功率的相對關系

流量（Q） 轉速（n） 揚程（H） 功率（P）

100 100 100 100

90 90 81 72.9

80 80 64 51.2

70 70 49 34.3

60 60 36 21.6

50 50 25 12.5

由表1可知：當流量減少到80%時，轉速下降到80%，揚程下降到64%，功率下降到51.2%；當流量減少到50%時，轉速下降到50%，揚程下降到25%，功率下降到12.5%，可節約87.5%的能量。

從離心泵的特性曲線和管路特性曲線可知，兩條曲線的交點，即為離心泵的工作點。在該點，泵的效率最高。當工藝要求流量、壓力發生變化時，就需要改變工作點。改變工作點的方法有兩種：一是改變管路特性曲線；二是改變泵的特性曲線。通過改變管路特性來改變工作點，是通過調節調節閥的開度來實現流量的控制，從而改變工作點。該方法人為增大管路阻力，使相當一部分電能轉換為機械能消耗在調節閥閥芯的阻力上，浪費大量電能。通過改變泵的特性曲線，是通過變頻器來改變泵的轉速來實現流量的控制，從而改變工作點。該方法節省了能量。具體分析如下。

離心泵的流量（Q）與揚程（H）的特性方程如圖1所示：

圖1 離心泵特性曲線

圖中n1表示離心泵在額定轉速為n1時的特性曲線，n2表示離心泵降速運行在n2時的特性曲線，S1表示未采用調節閥的管路特性曲線，S2表示采用調節閥管路特性曲線。Q1、Q2、H1、H2分別表示在兩種工況下的流量、壓力。由圖1可知，在額定轉速n1和未采用調節閥調節流量時，離心泵的功率正比于AH1OQ1所圍面積。當工況發生變化時，通過調節閥調節流量時，離心泵功率正比于BH3OQ2所圍面積，而采用變頻調速器調節流量時，離心泵功率正比于CH2OQ2所圍面積。由此可知，采用變頻調速器調節，可以節約能量。變頻調速器節能主要由兩部分組成：一部分是節約用來克服調節裝置阻力而損失的能耗；另一部分是克服因阻力調節而引起的風機或泵的效率減小而造成的能耗損失。

3 變頻調速器在磷復肥生產中的實際應用

磷復肥的生產過程的介質具有強腐蝕性、易結垢、易結晶等特性，采用調節閥或閥門，會使閥前管道結垢堵塞更嚴重。若采用變頻調速器取代調節閥，避免與工藝介質直接接觸，具有無腐蝕、無沖蝕等優點，同時簡化了控制系統結構，提高了控制系統的控制精度和可調比。

3.1 6×104t/a半水-二水濕法磷酸流量、流位等14個調節回路改用變頻調速器

該公司引進挪威羅什海角公司的生產工藝，原設計全部采用費希爾公司生產的氣動調節閥進行參數控制。因介質腐蝕性大，易結垢、堵塞、摩擦大，造成調節閥維護工作量大，管道堵塞嚴重，造成調節閥維護工作量大、管道堵塞嚴重。用變頻調速器替代調節閥后，生產控制良好，維護管理費用大幅度降低。PID參數的整定采用智能調節器的專家自整定功能或人工湊試法整定。改用變頻調速器后，該裝置的清管周期由原來的3天延長為7天，產量由1×104t/a提高到7.5×104t/a，每噸磷酸消耗磷礦由4.2t降為3.7t，硫酸消耗由3.2t降為2.6t，儀表的備件消耗由37萬元/年降為13萬元/年。

圖2 磷酸裝置調節回路的改造

3.2 2.4×105t/a DAP裝置、1×105t/a NPK裝置的流量控制回路

該公司引進西班牙英殼兒公司管式反應器，并在后期修改了英殼兒公司的初始設計，將進管式反應器的磷酸和預中和槽進造粒機的DAP料漿流量調節閥改為變頻調速器控制，生產的產品成分穩定，粒度均勻，色澤較好。PID參數整定為比例放大倍數Kc=0.5，積分時間I=10s，微分時間D=3s。

圖3 DAP、NPK裝置的流量控制回路

4 結語

在磷復肥的生產過程中，采用變頻調速器替代調節閥，可以節省能源，簡化控制操作系統，減少儀表的使用量，提高磷復肥生產的自動化水平。直接和間接的經濟效益非常顯著，有必要在磷復肥生產裝置中大力

推廣。

參考文獻

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作者簡介：胡嘉偉（1973-），男，湖北武漢人，貴州開磷集團礦肥有限公司工程師，研究方向：電子技術。

（責任編輯：秦遜玉）