變頻技術在化工行業的應用

賀軍鵬 (陜西金泰氯堿神木化工有限公司， 陜西 神木 719319)

0 引言

變頻器是可以實現電源調壓調頻的變換設備，可以保證異步電動機產生良好的調速效果。依據生產的實際情況，對于風機、水泵等設備選擇合理的變頻器可以實現節能降耗的作用。化工生產中存在大量的風機、水泵以及需要實現調速的旋轉類設備，所以變頻器的應用具有可行性。

1 變頻技術的引入

1.1 變頻的定義

簡單地理解，變頻技術是將電路中的電流頻率加以改變，變頻器是完成變頻功能的控制裝置。變頻器的組成較為復雜，主要部位包括電源板、控制板、電容等，這些元件的共同作用，可以改變變頻器的電流頻率。在傳統的電氣設備控制中，電流頻率是恒定的，難以變化的。在設備運轉時，轉速因此也不能調節，這樣的控制模式不僅降低了設備的使用壽命，還造成了電能的浪費。變頻技術的引入可以解決此類問題，設備的運轉速度得以變化，可以結合生產的需要來調節設備的轉速，生產方式更加靈活。

1.2 變頻技術的原理

在電壓不發生改變的條件下，變頻器借助了電力半導體器件具有的通斷功能，將原有無法改變的交流電頻率變成了可變化的交流電，并且借助頻率的變化實現了頻率變化下的調速[1]。變頻技術的應用為工業生產創造了方便條件。變頻技術的產生最初是為了實現電流頻率變化的需求。在上世紀中期，由于技術的進步，電子器件在快速發展，從原有的晶閘管發展到絕緣柵雙極型晶體管，經歷了多次的更新發展，促進了變頻技術的進步。在上世紀70年代，經過研究產生了倠?—VVVF調速，這一成果的應用帶來良好的效果。在上世紀80年代PWM模式得以應用，PWM 模式是實現變頻的核心技術，它的出現推動了變頻技術的進一步發展，產生出多種優化模式，包括鞍形波PWM模式。在后來的發展中，發達國家推出了VVVF變頻器，它的投入使用，實現了更優質的變頻效果。

1.3 變頻技術的作用

在化工生產中，由于變頻技術的應用，在生產過程中發揮著重要的作用。首先是實現調速，在許多運轉設備，調速借助轉子串電阻的方式，這種技術的調速范圍有限，難以保證精準，可靠性差，在使用中易引發設備故障，降低了設備壽命，增加了維修成本。借助變頻技術來調速，操作簡單，設備的運行更加安全可靠，降低了設備故障，設備性能得以提升。其次是實現節能，在風機、水泵等設備中，流量調節多采用改變調節氣門開度的方式，造成了電能的浪費，影響經濟效益。應用變頻技術來調節流量，可以避免浪費現象，節能效果較好。此外，變頻技術的應用還促進了產品的標準化、設備體積得以減小等，但最主要的優勢體現在調速與節能。變頻器原理圖如圖1所示。

圖1 變頻器原理圖

2 變頻技術在化工行業的具體應用

2.1 變頻技術在流量調節上的應用

在化工生產中，需要對化工配料、催化劑的添加、反應釜的出料速度、液體輸送的流量加以精確控制，能否保證生產過程準確靈活的流量控制對于化工產品的最終質量發揮著重要的作用。在化工生產的工藝控制中，最為有效最適合的方法就是利用變頻器對生產過程加以控制，特別是在化工企業大規模生產中更有利于變頻器的應用。化工生產線通常存在計量配料泵、各類反應釜以及輸送泵等，不同生產線的數量各不相同，在化工生產時可以借助變頻器來實現對計量配 料流量進行精確控制，還可以控制反應釜的物料流入與流出的速度，控制生產環節液體的輸送流量，保證化工生產可以實現自動、精確的控制。此外，還可以解決不同濃稠液體混合時精確配比問題，保證配料可以實現動態化的控制，保證了控制的精度。由于變頻器的使用，化工產品生產質量得以保證，消除人工控制流量對產品質量造成的不良影響。將變頻器、控制器 PLC等加以組合，構成了功能完善的生產控制系統，這也是當前化工生產較為理想的控制模式[2]。電動機從靜止到平穩轉速可以借助變頻器完成軟啟動，避免了大電流帶來的沖擊。

2.2 變頻技術在壓力調節上的應用

變頻器采用了交直交電源加以變換的原理，可結合控制目標的需要輸出相應的頻率，輸出連續可調的交流電壓。在化工生產中，水泵、空壓機電機轉速的改變可以來調節壓力，介質的供應量也隨之改變。借助壓力變送器可對反應罐內的壓力進行不間斷采樣。在壓力發生改變時，變頻器會依據反饋信號動態調整，實現供需的動態平衡，消除了化學反應中壓力不穩定的弊端。在壓力容差的許可范圍內，借助變頻器PID調節，實現了頻率的變化。保證介質流動中的壓力恒定，可保證介質壓力恰好滿足反應需求，還可以達到恒壓供給的目的。在控制電路上引入“工頻”和“變頻”接觸器，實現了“工頻運行”和“變頻運行”不同模式間的切換。在工頻運行條件下，變頻器不進行控制，系統依據原有方式起停、工頻運行；在節電模式下，系統由變頻器直接完成拖動，系統結合用量的需要，自動調節電機轉速，使得介質在管道始終保持恒定壓力的輸出。在系統中由于變頻節能系統的應用，借助變頻技術改變電機轉速來實現管道壓力的調節，取代原有的閥門調節，可以取得更好的節能效果。變頻調速可以將管網壓力作為控制目標，裝在出口端的壓力變送器可以將壓力轉變為電信號，變頻器收到信號后內部的 PID調節器會和壓力的設定值加以比較，并結合差值的變化，按照 PID控制模式運算，輸出信號去改變變頻器的輸出電壓和變頻率，調整轉速，保證實際壓力處于設定壓力。

2.3 變頻技術在液位調節上的應用

在化工生產中，配料控制、催化劑的計量需要借助液壓調節來實現，反應釜的液位以及液態中間體的液位調節是非常重要的化工工藝控制， 液壓控制的靈活性和精確度會直接影響產品的品質。要保證靈活、精確的液位控制有多種多樣的方式， 變頻器是最為有效的方式之一。變頻器可以實現智能化的過程控制，因變頻器更適合于大規模的化工生產線的應用[3]。化工生產線存在數量不等的反應釜、計量配料泵與輸送泵等。在反應過程中， 反應釜的液位控制、計量泵的液位精確定量控制與生產中不同環節的匹配輸送可以借助變頻器來實現執行功能，以實現化工生產全過程的自動控制。除了上述與生產直接相關的優勢外，變頻器的應用還會解決濃稠液體的液位難以實現精確控制的弊端，實現了配料的精確，保證了控制的動態精度。變頻器的應用可以最大限度消除操作人員存在的人為因素對品質造成的不利影響。在當前技術條件下， 化工生產控制系統控是由變頻器、 控制器PLC、監視系統構成的。該系統的應用體現出液位控制低成本投入，降低維護工作量的優勢。

3 變頻技術的節能方式

3.1 降低化工工藝中的動力損耗

在化工企業的生產中，工藝設計中發生能源損耗主要為動力損耗，因此采用技術措施降低生產中的動力損耗，有利于降低化工企業的能源支出。化工企業引入變頻技術可以提升調節效果，調節儀器設備處于更優的運作模式下，可以利用變頻技術對閥門類常規調節系統加以改造升級，降低儀器設備的電量損耗。結合化工企業的生產特點，分析不同設備的工作狀況，優化調控裝置，可以借助化工設備的工藝交叉點，減少化工工藝中的動力損耗。

3.2 完善化工生產的工藝條件

化工生產的工藝條件不僅會影響到產品品質，還有利于降低化工生產中的能源損耗，對化工生產條件加以改善，可以推動節能技術在化工生產中的應用。當生產中外部壓力不合理時，生產中的能源損耗會增加。針對工藝條件，結合化學屬性與物理屬性，借助變頻技術改善反應條件，比如控制生產中的反應溫度，以保證熱能利用率的提升，減少能源損耗。借助變頻技術控制化學反應中的壓力，可以提高化學原材料的利用率，推動生產中的主反應效果，降低生產中副反應的發生[4]。因此借助變頻技術完善化工中的工藝條件，有利于降低能源損耗，提高原料利用率，降低化工中生產中的能源損耗。

4 變頻技術應用于化工行業的節能應用

4.1 啟動時節能

在化工企業生產過程中，電機難以正常啟動，電網會受到沖擊，大型電機在啟動時需要高的電網容量，所以在啟動時會發生較大的沖擊震動與大的電流波動，啟動若不正常，電機啟動時部分元件會發生損壞，機電設備的壽命也會受到影響。如果變頻技術應用于化工企業的生產中，電機的起動可以在電流是零的時候開始，電流不會超過額定電流，電網受到的沖擊也會大幅降低，消除了大電流的影響，電機驅動的各類輔助部位也可以得到保護，變頻技術的應用，降低了化工企業設備的維修費用。

4.2 功率方面的節能

無功功率會引發化工設備產生發熱或線損問題，若降低功率因數，電網的有功功率就會降低，會導致大量的無功電能被消耗，這樣會造成電能的浪費，化工企業設備的使用年限會因此降低。變頻技術的應用可以對內部的濾波電容起保護作用，并且可以降低無功功率引起的電能消耗，提升配電的有功功率，實現了節能的效果。

4.3 在變頻方面的節能

電機如果長期處于過負荷狀態下，正常運行會受到影響。要保證動力驅動的效果，要消耗有功功率，這會導致電能的浪費。傳統化工的設備是借助調節出口或入口的閥門或擋板以實現調節水量或風量的作用，這個過程需要的功率是較大的[5]。應用變頻技術后，如果要控制流量、壓力，可以通過改變機電設備的轉速來實現流量、壓力調節的作用，這種操作方式，降低了輸入的功率，同步降低了電能損耗，使得化工企業的電能利用更加科學合理。

4.4 變頻技術的節能效益

某化工企業引入變頻技術后，生產線的節能效果明顯。

生產線工頻運行年耗電量統計如表1所示。

表1 生產線工頻運行年耗電量統計

變頻下生產線實際運行參數如表2所示。

表2 變頻下生產線實際運行參數

結合表1表2，計算生產線在變頻運行方式下的耗電量，如表3所示。

表3 生產線變頻運行年耗電量

綜合以上表格，年節電量為1 784 852-1 484 529＝300 323 kW·h，按照上網電價0.339 4元∕kW·h計算，變頻技術應用后年節電效益為300 323×0.339 4＝10.19萬元。變頻技術的應用，節電效益明顯。

5 結語

變頻技術應用于化工行業，在化工生產中發揮著重要的作用。隨著技術的發展，變頻技術也會滲透到化工生產的多個環節，實現生產的高效率、高質量。變頻技術的應用推動了化工行業的節能減排，為化工生產的順利進行創造了條件，推動了化工技術的發展，同時也使得企業獲得良好的經濟效益。