變頻調速技術在石化生產現場應用
發布時間：2019-08-02 10:21:44來源：
變頻調速技術在石化生產現場應用
一、概述 變頻調速技術是一項節能“四新”（新工藝?新技術?新設備?新材料）技術。石化生產企業特別是煉油裝置上應用變頻調速技術已經非常普遍，在常減壓、催化?加氫裂化?氣分烷基化?重整加氫?延遲焦化?油品?供水等許多套裝置的機泵上安裝變頻器后，經濟效益極好，其主要表現為節電率較高，平均一年左右即可收回投資；同時，還有改善生產工藝?有利產品質量?降低機泵故障率及維修費用?減少工人勞動強度等綜合效益。
鑒于煉油廠現場機泵種類繁多，工藝流程不盡相同，因此，合理選擇使用變頻器的工位及控制目標量，有針對性地設置變頻器運行參數，這直接影響到變頻器的穩定運行及節能效益的大小。本文主要針對以上幾個問題進行闡述。
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二、機泵變頻調速構成原理 離心式油（水）泵及風機
這類負載主要包括裝置中的離心式油（水）泵?加熱爐通風機?空冷風機等，與裝置的儀表系統配合實現閉環自動控制，如圖1。
裝置中介質的流量?液面?溫度?壓力等工藝參數由變送器檢測送至調節器，經PID控制運算，以DC4-20mA電信號送至變頻器，調節機泵轉速，從而控制工藝參數。若原系統的調節閥為風關閥，則需增加信號倒相器，將DC4-20mA信號轉變為DC20-4mA信號。
容積式機泵變頻調速構成原理
這類負載包括羅茨鼓風機和往復式氣壓機，原先是利用機泵出口氣體的旁路控制閥組實現氣體入口系統壓力的自控。采用變頻調速控制后，關閉氣體出口旁路閥組，直接控制電機轉速，根據氣體負荷自動調節氣體輸送量，控制緩沖罐在一定安全壓力范圍，從而使氣體入口系統壓力參數恒定，如圖2。
其他生產機械變頻調速技術應用
石化生產現場還有一些裝置，如焦化裝置橋式吊車等生產機械上也使用了許多變頻器，主要是為了改善工藝?提高產品質量，同時大幅降低設備故障損壞率，減輕工人勞動強度，降低檢修費用，有利于裝置的安全穩定長期運行。
三、變頻調速應用現場的選擇和控制
總的來說，煉油廠裝置中使用變頻器比較多的負載是離心式油（水）泵及風機，但即使是同樣性質的負載使用變頻器后節電效果有較大差異，例如受泵的出口控制回路數量影響；同樣的控制回路數量，因其工況及控制方式不同，加工負荷不同而產生不同的效果。現詳細分析如下：
離心泵 單回路閉環自動控制
單回路閉環自動控制變頻運行節電率高，其原因是：變頻運行時，介質走控制閥組的副線閥，且副線閥可全開，泵出口閥全開。而以往不使用變頻器時，調節工藝參數的執行機構是控制閥（控制閥相對副線閥縮徑一個檔次），其控制閥開啟又不大，阻力降損失大。如某廠加氫裂化裝置的航煤自控閥組（如圖3），航煤泵P308/B工頻運行時，控制閥開度約30%-50%，泵出口閥及出口管線為DN150，副線閥為DN100，控制閥為DN80。由此可見，該泵變頻運行避免了工頻運行時的節流壓頭損失，泵出口運行壓力下降約38%-69%，電機實際電流下降約35%-68%，頻率（轉速）也大幅下降（低至15.7-35Hz），節電率達42%-76%。
出口單回路閉環自動控制的離心泵，一般來說，在裝置滿負荷生產的情況下仍有節電效果，原因是：工頻運行時，介質走控制閥縮徑節流路線，變頻運行時介質走公稱直徑高一個檔次的副線閥（全開）的路線，減少了壓頭損失。實際生產中測算，在一些裝置的加工量達到或接近設計負荷時，上述泵變頻運行節電率還有33%-55%。
單回路閉環控制離心泵變頻運行一般來說節電效果好，但也有個別因工況差異，節電率有所下降：一是控制閥后管路系統工藝要求的操作壓力較大，而離心泵工頻與變頻運行的泵出口壓力差不太大，則節電率有所降低。其次是變頻泵打出來的介質不流經控制閥組的副線閥，而仍走控制閥路線，則節電率低。這些在生產中值得注意。
泵出口多回路閉環控制
這里主要是打回流流控與出裝置液控二種組合成多回路的離心泵。按四種情況分述如下：
介質打回流的流量遠大于出裝置流量，控制閥組后二管路系統靜壓頭相當，并且比較小，此狀況采用回流量作變頻調速控制參數，相當于泵出口單回路控制工況，泵出口閥和副線閥可全開，變頻較工頻運行，泵出口壓力降低幅度大，運行電流小，節電率高。 介質打回流的流量雖然大于液控出裝置流量，但液控出裝置回路壓力降大，而回流回路壓力降小，采用出裝置液控參數指揮變頻裝置，也能得到很好的節電效果。 泵出口是多回路閉環自動控制，但各并列回路的介質流量均衡相等，管路系統的工藝操作壓力均等且較小。這時可取任一回路的反饋量控制變頻器，均衡控制各回路流量。 介質打回流的流量小于液控出裝置流量，管路壓力降相比也較小，但為了保證工藝參數要求，只好采用回流量作為變頻器控制目標量，由于打回流回路仍存在一定程度的人為節流（控制閥組的副線閥開度不大），壓力差小，因此電機運行頻率下降的不多，這種情況節電率偏低。 通風機和空冷風機 風機類負載基本上沒有多回路控制的問題。通風機使用變頻后入口蝶閥處于全開，根據工藝需要調節出口風壓（或風流量）；空冷風機的輸出可隨著油氣冷卻負荷的變化（油氣流量及溫度高低）?氣溫的變化而隨時自動調節。這兩種負載都具有較好的節能效果。
四、變頻裝置現場參數設置的注意問題
通用型變頻器在煉油廠一般負載上使用，其電氣參數的設置較為簡單，一般技術人員經過簡單培訓后都能掌握。但在掌握一般性原則后還要注意負載的特殊性，據我們觀察，現場中許多變頻器的參數僅屬于“能夠運行”，而并非是比較佳，未經優化的參數甚至會使整個系統的效率下降，以下是幾個常見問題：
合理的加/減速時間
所謂“合理”，是針對一些錯誤的觀念而言。我們知道，根據所驅動負載性質的不同，主要是負載的轉動慣量的大小，變頻器在啟動和停止電機時所需時間不同，過短的加減速時間會導致變頻器在加速過程中過電流、在減速過程中過電壓保護。
但這樣一來就很容易產生一個誤區：只要變頻器不跳閘保護，加減速時間越長越好。這種觀點在許多技術人員的概念中普遍存在，經常發現變頻器無論驅動什么負載，加減速時間都在兩分鐘以上甚至更長。這種觀念的問題在于僅僅片面地考慮了變頻器單機的運行，而忽略了整個系統的控制性能和效率。無論是改造還是新建項目，裝置中的變頻器頻率控制命令（DC4-20mA）一般由儀表系統或DCS系統給定，在沒有使用變頻器之前，這個信號是用來控制閥門開度的，由于閥門跟隨信號變化的動作很快，因此，為防止閉環控制系統產生震蕩，儀表或DCS中PI調節器的比例增益P參數通常設置的較小，而積分時間I參數則相對較長。這時如果加減速時間過長，那么變頻器輸出長時間才能達到給定命令值，再進行PI調節，這就使得整個系統跟隨性差，調節緩慢，同時，對外部擾動的控能力變差，容易處于小幅不穩定狀態中，控制效率較低，在負荷經常變化的工位尤其突出。這種情況在實際生產中因設備外表正常而很容易被忽略。正確的做法是：區分泵和風機的特點，在現場允許的情況下測試負載允許的盡可能短的加減速時間并加以設定。
關于自動節能運行
所謂自動節能運行，是指對于輕負載開環恒速運行，即輸出頻率一定的情況下，變頻器可自動降低V/F曲線 ，即輸出電壓自動降低，以減少電動機的勵磁電流和電動機損耗，使電機在電壓和電流的乘積（功率）為比較小的節能狀態下運行。目前有很多品牌的通用變頻器都具有這種功能。例如，日本富士電機公司FRN-P9S系列變頻器在出廠時即將此參數設定為“有效”。
但需要指出的是，此功能僅適用于離心式泵和風機等平方轉矩負載；而對于往復式柱塞泵和空氣壓縮機等恒轉矩負載，或者是負載經常快速變化的場合，使用此功能會出現許多問題。由于輸出電壓降低，電機輸出轉矩下降，電機電流大幅上升，致使變頻器的電子熱繼電器動作；在負荷快速變化后，由于此功能跟隨性差，所降低的電壓并不能馬上增補回來，往往使變頻器在加速過程中提供不了足夠的力矩，造成電流急劇上升，使變頻器輸出轉矩計算值超過設定的轉矩限制值，此時變頻器將自動降低輸出頻率，使加速過程不能實現，導致變頻器保護或整個控制系統延遲響應。因此，在使用此功能前一定要仔細區分負載的類型，做到分別對待。
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