108 m3聚合釜采用低壓變頻器調速的可行性和效益分析

耿慶魯，于張燕

（德州實華化工有限公司，山東 德州 253007）

1 108 m3聚合釜技術特點

采用8臺帶有釜頂冷凝器的聚合釜，配套外夾套伴管，夾套換熱面積為91.5 m2，釜頂冷凝器換熱面積為200 m2，大部分反應熱由釜頂冷凝器移出。該釜采用釜底低攪和高攪切換（280 kW/70 kW）運行，不僅有效節約電能，還可以減輕入料時泡沫的產生，并降低攪拌剪切力，保護攪拌器。該攪拌為二層三葉平槳攪拌，直徑為1 700 mm。該工藝循環水系統開車前經酸洗預膜處理，且日常加藥調水質，有效地保證了循環水水質，確保了換熱效果，再加上該釜強大的換熱系統—釜頂冷凝器、釜外壁半圓管式夾套、6組內冷管、釜上下封頭整體夾套，可完全滿足整個反應的換熱要求。

采用冷水和熱水交叉入料方式，加冷水的同時加入分散劑，然后再加入引發劑，接著加單體，最后加入設定量的高溫熱水；也可在加入設定量單體的同時加入熱水，使單體和熱水的入料同時完成。

108 m3聚合釜備有緊急事故終止劑加入罐，且保壓1.3 MPa以上，以確保反應異常時能及時加入；釜底攪拌除配有高低速電動機外，還配有氣動馬達和工藝空氣儲罐。遇緊急情況，可加入緊急事故終止劑，然后啟動氣動馬達。

2 108 m3聚合釜工藝流程

（1）涂釜操作。密閉入料涂釜時，根據設定的程序和時間，首先進行液封排水，然后啟動真空循環泵，同時開高攪，涂釜蒸汽經排液后與涂釜液混合，通過噴嘴均勻噴入釜中。通過真空泵釜底、釜頂切換打循環，可使涂釜均勻無死角。開蓋入料涂釜時同樣開高攪，但不開涂釜真空泵。整個過程中需注意攪拌功率，并觀察排水時是否見水。

（2）加水操作。開蓋入料時需先抽真空使釜內壓力達-0.08 MPa后再加水，先開低攪，根據設定料位低攪和高攪自動切換，同時開啟釜底、釜頂注水。去離子水從釜底入料，同時加入分散劑，當達到配方設定值時，通過氮氣管線進行氮氣鼓泡，置換釜內空氣，達設定量時關閉。密閉入料時同樣先啟動攪拌并注水，加去離子水到設定量，同時加入設定量的分散劑。

（3）引發劑入料。準確計量的2種引發劑經加入泵直接由入料管線進入聚合釜。DCS按設定程序對計量罐進行多次沖洗，最后一次沖洗后，當計量罐質量下降到規定值時，加入完成。

（4）單體入料。單體加入量達到設定值時，釜頂開始充入設定量的氮氣，同時開啟引發劑管線注水、涂釜管線注水和釜頂冷凝器注水。單體加入量達設定值時，加料完成。

（5）熱水入料。通過冷水加入管線加入設定量的熱水，加入完成后，把管線內的熱水置換回熱水槽。加完后，釜內溫度一般可達聚合要求溫度，如相差較大，可采用夾套升溫。

（6）正常反應。冷水系統自動調節釜溫，當反應達設定時間，釜頂開始間歇排氮氣，直到釜頂冷凝器換熱達設定值。各管線注水量按設定量正常加入。

（7）出料。當釜內壓力低于設定值時，可根據物料型號決定是否自升溫，如需自升溫，完畢后可自壓出料，不能出料則加入終止劑。出料前視型號加入消泡劑。出料時攪拌切到低攪，由出料管線加入中和劑和添加劑。當釜壓降到設定值時，自動開啟出料泵，釜內按程序進行一次回收，且對釜頂冷凝器和分散板進行多次沖洗。出料完成后，沖洗出料管線。

3 變頻器具有多種功能

（1）通過調節頻率，改變電機轉速，達到節能效果。

（2）對運行中的電機進行力矩調整，大幅度降低功率消耗。

（3）可根據產品的工藝要求，對電機進行閉環控制，使電機始終工作在高效節能狀態。

（4）降低機械磨損，齒輪箱的損耗，降低油溫，從而延長齒輪和密封件的使用壽命。

（5）變頻器自身有著超強的保護性能，當出現過流、過壓、過載、欠壓等系列問題，變頻器都會瞬間進行保護，停止輸出，從而保護負載免遭損害。

（6）變頻器啟動電流平緩，可減小啟動沖擊電流，避免了對電網的沖擊。

（7）變頻器運行時的功率因數可達到0.94，不消耗過多的無功功率，節能效果好。

4 聚合釜攪拌電機采用變頻器的必要性

攪拌的轉速對于懸浮液的流場的狀態起到至關重要的作用，攪拌轉速越高，流場的混合和剪切就越強，但轉速太高將會導致電力浪費。懸浮液體系隨著聚合反應階段的不同，黏度逐漸變大，所需要的攪拌強度也應該逐步加強。根據反應原理，聚合釜選用變頻器控制攪拌的轉速，在不同反應階段，控制不同的攪拌轉速，達到聚合反應的最佳效果，并且可以節約電能消耗。

由于聚合釜攪拌電機的功率較大，功率在300kW左右，是PVC生產裝置中耗電量較大的設備，并且在聚合的不同階段其運行電流變化較大，因此，給聚合釜攪拌電機增加變頻器來調節輸出功率，避免長時間出現“大馬拉小車”的現象，節電效果明顯。

（1）節能。

采用變頻器控制，滿足工藝要求的前提下達到最大限度的節能，達到了自動調速控制功能。

（2）可靠。

由于降速運行和軟啟動，獲得良好的轉矩，改善機械運行的性能。減少了振動、噪音和磨損，延長了設備維修期和使用壽命，提高了設備平均故障維修時間值，減少了對電網沖擊，提高了系統的可靠性。

（3）安全。

系統具有各種保護措施，使系統的運轉率和安全可靠性大大提高。

（4）變頻器維護中旁路可正常運行。

變頻調速閉環控制系統與工頻控制系統互為互鎖，不影響原系統的運行，且在變頻調速閉環控制系統檢修維護或故障時，原工頻控制系統通過旁路照樣可以正常運行。

5 高壓電機和低壓電機帶變頻器的對比

（1）設備投資

采用10 kV高壓電動機，并設置280 kW/70 kW雙速電動機，高壓柜需1面斷路器柜和2面高壓接觸器切換柜。采用380 V低壓電機，用變頻器調速，低壓柜需1面變頻器柜和1套旁路啟動的軟啟動柜。再考慮到高壓電纜的投資，采用低壓電動機用變頻器調節，與采用高壓電機相比，可節約12萬～18萬元。

（2）節能比較

采用10 kV高壓電動機，沒有明顯的節能效果，只是可以提高10 kV功率因數，可以減少10 kV電流的電能輸送消耗。而采用380 V低壓電機，用變頻器調速，功率因數可達到0.94，可減少低壓電流輸送中的電能消耗。同時，根據攪拌電機的運行狀況，可以方便調低運行轉速，降低電機功率消耗，節能效果顯著。

（3）運行安全比較

采用280 kW/70 kW雙速10 kV高壓電動機時，當高速攪拌切換低速攪拌時，需高壓開關柜進行切換，3面高壓柜的故障，直接影響攪拌電機的運行。每一批料反應過程是高攪涂釜30 min，低攪進料10 min，高攪反應5 h，低攪出料1 h。在高壓電動機運行過程中進行切換，屬于熱態啟動，直接啟動電流較大，因繞組過熱對高壓電機繞組的損害較大，甚至造成高壓電機燒毀。

采用380 V低壓電機，用變頻器調速，一般電機在低于額定負荷狀態下運行，在高速攪拌向低速攪拌切換時，無需重新啟動，只需調節變頻器的頻率，改變輸出電壓，即可調節攪拌電機的速度，安全性較高。

6 效益分析

（1）節電分析

因攪拌電機消耗功率與電源頻率的3次方成正比。例如，將供電頻率由50 Hz降為40 Hz，則P40/P50=（40/50）3=0.512，即P40=0.512P50（P為電機軸功率）。

聚合釜在PVC生產過程中，每一批料反應時間是:高攪涂釜 30 min，低攪進料 10 min，高攪反應5 h，低攪出料 1 h。

高壓雙速電機帶動攪拌的轉速，高攪為125r/min，低攪為62.5 r/min。設定電機功率280 kW，減速比為11，攪拌額定轉速為136.4 r/min。高攪和低攪為滿負荷運行，高攪280 kW，低攪70 kW。

當采用變頻器后，高攪時速率為125 r/min，低攪時速率為62.5 r/min。全天按生產3聚合釜PVC考慮。

高攪涂釜T1為0.5 h，速率125 r/min P1=0.5（125/136.4）3280=0.5×0.84×280=117.6

低攪進料T2為0.167 h，速率62.5 r/min P2=0.167（62.5/136.4）3280=9.8

高攪反應T3為5 h，速率125 r/min P3=5（125/136.4）3280=5×0.84×280=1 176；

低攪出料T4為1 h，速率62.5 r/min P4=1（62.5/136.4）3280=58.8；

全天用電量 W1=3×（P1+P2+P3+P4）=3 ×（117.6+9.8+1176+58.8）=4 086.6（kW·h）；

當采用高壓電機時:W2=3×（0.5×280+0.167×70+5×280+1×70）=4 865.1（kW·h）；

當采用變頻器后，全天節電量W=W2-W1=4865.1-4 086.6=778.5（kW·h）；

8臺聚合釜全年節電量

W總=8×W×365=2 273 220（kW·h）。

每度電按照0.6元計算，全年可節約成本:

2 273 220×0.6=136.393 2（萬元）。

實際上，當聚合反應溫度和壓力穩定后，在高攪反應后期，可以適當較低攪拌速率，節能效果更佳明顯。

（2）提高系統效率

采用變頻器驅動之后，反應釜攪拌機電機與減速器之間是直接硬聯接，中間減少了液力偶合器這個環節。而液力偶合器本身的傳遞效率不高，并且液力偶合器主要是通過液體來傳動，而液體的傳動效率比直接硬聯接的傳動效率要低許多，因而采用變頻器驅動后，系統總的傳遞效率要比液力偶合器驅動的效率要高5%～10%。

（3）降低維修率，提高了電網的安全運行

如果為了到達工藝要求采用機械方式調速，增大攪拌機的損耗，同時會使攪拌機工作在波動狀態。采用變頻器驅動之后，避免了工頻啟動對齒輪箱的沖擊，減少了齒輪箱的損耗。由于軟啟動方式啟動時，電流平緩，可減小啟動沖擊電流，避免了對電網的沖擊。

（4）提高產品質量和生產效率 通過變頻器的無級調速，逐漸提高和降低攪拌速率，可以改善了生產工藝條件，使化學物質反應條件達到最佳狀態，縮短反應周期大大提高了物料的反應效果。