在石油化工企业生产过程中, 电动机是应用最广和数量最多的电气设备之一, 其大部分是风机、水泵类负载。早期设计的炼化装置机泵设备一般未考虑使用变频器, 但是也并非所有机泵设备都适合使用变频器。首先要考虑工艺要求的功能, 其次是经济效益。一般而言, 风机、水泵类负载大多是根据满负荷工作需用量来设计选型的,都留有10% 以上的余量。此外, 随着生产装置加工量、物料性质等工况的变化, 实际需求功率也产生变化, 流量、液面、压力等工艺参数经常随工况的改变而改变。实际应用中, 风机、水泵大部分工作时间并非处于满负荷运行状态, 原来的电机恒速和机泵恒压恒流设计则会导致电能浪费。传统方法是通过调节出口或入口的挡板、管路阀门及调节阀开度来调节流量、液面等工艺参数, 定速机泵输出功率被工艺物流吸收做有用功的仅占30% ~ 40% , 而60% ~ 70% 的电能消耗在挡板、阀门节流压降上, 造成极大的电能损失和浪费。机泵节能的根本问题在于如何使控制方案与实际负荷相匹配, 在控制过程中降低阀门阻力, 提高系统效率, 这就为石油化工行业应用变频调速节能技术提供了广阔的发展领域。
运用变频调速节能技术, 变频调速器直接控制风机、泵类负载是一种最科学的控制方法。利用变频器内置的PID 调节软件, 可根据工艺负荷精确地自动调节电动机输出频率和转速, 保持恒定的水压、风压, 满足生产装置工艺系统要求的压力。实际应用证明, 当电机在额定转速的80% 运行时, 节能效率可以达到40% 。变频调速器还可以实现大型电动机的软起动和软停机, 避免了电动机起动时对电力系统的电压冲击, 降低了运行电流, 不仅减少了电动机、机泵和阀门等设备的故障率, 延长其使用寿命, 而且节电效果显著, 可以取得较好的经济效益, 实现了电动机、风机、泵类设备的经济运行。其节能原理矢量图见图1。
据 不完全统计, 九江石化公司已经投入资金5 000多万元用于风机、水泵变频调速节能技术改造, 平均投资回收期约2 年。截止2009 年7 月底, 九江石化公司已投入运行的变频调速器有462台, 总装机容量达到16 000 kW。若按每台设备平均节电率40% 计算, 则每年至少可节约电能4 200万kWh, 每年仅节约电费一项就达2 500多万元, 节约设备维修费、材料费100多万元。
二、变频调速技术在化肥装置渣油进料泵上的应用
渣 油进料泵A-GA101 是九江石化公司30万t/a合成氨装置的重要设备, 将减压渣油原料输送到气化炉。渣油进料泵为德国西门子电动机,功率75 kW, 转速2 982 r /m in, 额定电压380 V,额定电流140 A, 额定出口流量28. 52 m3 /h。原系统采用控制出口阀门的方法进行控制, 即将差压变送器检测流量信号送至PID 调节器, 再由PID调节器输出控制信号, 控制出口调节阀的开度, 从而控制出口流量, 保持流量稳定。原系统运行中存在以下问题: ( 1)节流量较大, 泵出口阀的节流量已接近泵额定流量的一半, 浪费大量的电能; ( 2)控制精度低, 出口流量波动较大; ( 3)电机工作在额定转速, 出力不变, 消耗电能; ( 4 )电机噪声较大, 泵和管线阀门压力较大, 易造成泄漏。
2008年5月, 九江石化公司利用化肥装置检修的时机, 选用德国西门子公司成套变频设备, 对3台渣油进料泵( 2台运行、1台备用)进行变频优化节能改造。投入运行后工艺控制平稳, 由于变频器的高精度调节, 调节信号有高速传递性, 减少了以前仪表控制系统带来的滞后现象, 从而使系统控制精度提高, 压力稳定, 工艺运行指标得到了优化。节能效果显著, 节电率达到70% , 按年运行8 000 h计算, 2台渣油进料泵年节约电量: 节电率 电动机工频功率 工作时间 2 台 =70%×75 kW×8000h = 420 000 kW h; 节约电费: 节电量 电价= 420 000 × 0. 6 = 252 000 元。维护量大幅减少, 由于出口阀全开, 电动机降速运行, 使得管网压力下降, 减少了工艺设备的泄漏,降低了机泵磨损和电机的温升, 设备维护周期延长。由于变频器代替了调节阀, 解决了由于调节阀故障高给生产带来的影响, 使设备的维护量减少。系统实现了软起动, 由于变频器具有软起动功能, 减小了电机起动时对电网的冲击。变频器投入运行1年多来, 运行可靠,自动化程度高, 渣油进料泵流量控制精度高, 可以充分满足生产需要, 节能效果显著,取得了良好的经济效益。
三、变频调速技术在化肥装置液氨输送泵6 kV 高压电动机上的应用
液氨输送泵T- GA101A 是九江石化公司30万t/a合成氨装置的关键设备, 将生产的液态合成氨输送到8 000 m3 氨罐储存, 该泵采用日本富士高压电动机, 机泵关键技术参数为: 电机功率160 kW, 转速2 975 r /m in, 额定电压6 kV, 额定电流220 A, 介质密度675. 6 kg /m3, 流量91. 4m3 /h,无负偏差, 进口压力0. 01 ~ 0. 08 MPa, 进口温度- 33℃, 出口压力2. 6MPa, 额定扬程362 m。
液氨输送泵为立式离心泵, 采用机械密封, 由于电机长时间连续运转, 负载波动大,电机运行时产生机械振荡, 振动值一直较高, 加之液氨腐蚀性较强, 经常造成机封损坏,出现氨泄露, 液氨很容易吸热气化, 造成泵体气蚀, 打不上量。设备故障率高, 维修工作量大, 基本上两、三个月就要检修更换机封, 影响了设备的长周期运行和装置的安全平稳生产。
2008 年9月份, 九江石化公司对液氨输送泵进行变频节能改造, 采用了日本富士6 kV、160kW 的高压变频调速系统进行变频节能技术改造, 通过电气、仪表、工艺、设备各专业人员密切配合, 保证了液氨输送泵变频改造后安全可靠地投入运行。实现了靠自动控制电动机转速来控制介质流量, 使机泵出口阀处于全开状态, 扬程与管网阻力特性曲线相吻合, 电动机降速运行, 电动机输出有功功率也明显降低。氨输送泵及驱动电机各项运行参数都在正常范围之内, 电机实现了软起动, 减小了大电机起动对电网的冲击,电机轴承运行温度不超过60℃, 振动、轴位移符合相关技术标准要求, 机泵运行时的机械振荡、振动值大幅降低, 轴承等机械部件磨损减少, 避免了泵的抽空现象, 泵端面密封系统不易损坏, 有效延长了机泵轴承、机械密封等易损件的使用寿命, 减少了工艺设备的泄漏, 机泵故障率大幅降低, 提高了设备运行的安全可靠性, 设备维护工作量减少, 连续运行1年多后进行常规中修, 实现了机泵的长周期运行。变频调速器的加速和减速时间可根据工艺要求调节, 最快可达0. 2 s。调速范围从0. 5% ~ 100% ,调速精度达0. 5% , 机械特性硬, 调速性能极好。液氨输送泵变频闭环自动控制时可用原有仪表信号, 能满足化肥生产装置长周期、连续生产各种严格的工艺技术要求。液氨输送泵变频调速节能技术改造获得了良好的节能效果, 节电率达到60% , 年节电50多万kWh。为炼油化工装置应用推广高压电机变频节能技术积累了经验, 使之成为石油化工企业节能降耗的亮点。
四、变频调速技术在炼油装置鼓风机上的应用
加 热炉鼓风机是九江石化公司500万t /a常减压装置加热炉烟气回收系统的重要设备, 风机输出功率为185 kW, 原设计是通过调节风门挡板实现风量调节, 设备运行能耗长期居高不下。为提高加热炉烟气回收系统工艺自动化控制水平,节约电能, 提高经济效益, 2009年3 月份, 九江石化公司在炼油装置停工检修期间对其进行变频节能改造,采用风机变频调速系统取代低效率、高能耗的风门挡板节流控制。选用日本东芝公司专用于平方减转 矩负载的A5P系列变频器。该变频器采用最新智能绝缘栅双极晶体( IGBT )模块和东芝独特矢量运算控制, 有良好的技术性能。其主要特点有: 新的电流限制功能, 当机泵超负荷时, 通过抑制转矩来限制过电流, 使变频器不跳闸, 机泵继续运转; 电压反馈控制功能, 当电源电压变化时, 可瞬时补偿输出电压、保证变频器稳定运行; 学习加减速功能, 根据负荷状态自动调整最合适的加减速时间, 方便设备调试; 自动节电运行方式功能, 在确保负荷所需转矩的条件下, 将电流降到最小, 自动节电运行;内置工频/变频切换时序电路, 保证石化流程工业装置生产的连续性和可靠性, 可以方便地切换、互为备用。
加热炉鼓风机经过变频节能改造投用后, 变频调速器操作安全平稳, 具有过载、过压、过流、欠压、电源缺相等自动保护功能, 实现了风量压闭回路自动调节控制。驱动电机可以实现软起动和无级调整转速, 消除了电机起动时6倍的冲击电流,避开机械共振点及运转噪声, 风机运行的振动值大幅降低, 避免了鼓风机运行时的机械振荡, 大大降低了设备故障率, 延长了机械负载的运转寿命,减轻了设备维修工作量, 节能效果明显。变频器运转方式灵活多样, 操作方便, 操作人员只需调节变频器面板上的电位器旋钮即可手动调整风量。变频器可以手动控制也可以完全实现自动控制,并且可与加热炉烟气回收系统自动控制装置进行电 气、仪表连锁, 实现加热炉的自动保护及计算机控制, 不会因鼓风机突发事故影响装置安全生产。根据工艺负荷自动调节鼓风机电机输出频率, 在约20H z时运行, 电机运行电流从原来的220 A降至90 A, 可以同时满足常减压装置2台加热炉的供风量, 该台设备节电效率达到60% , 据测算每年可节约电费60万元。
五、结语
多年来, 我国政府大力提倡、鼓励和支持企业推广高新技术实现节能减排目标, 并且在资金上给予了很多优惠政策, 为石油化工等高能耗行业进行节能降耗改造开辟了新的途径。虽然企业对节能项目进行了较大的投资, 但是节能项目投用后的未来收益是巨大的, 不仅降低了企业对节能项目的投资风险, 而且使企业设备升级、降低了运行成本。
目前, 变频调速技术已经在石油化工行业的不同领域、不同深度得到了推广和应用, 中国石化股份有限公司九江石化公司等一批石油化工企业实现了变频调速技术的初步普及。但是, 变频调速节能技术应用还不够广泛, 潜力仍然巨大。作者认为, 还要抓好以下几个环节: 一是成套设备制造环节, 要根据需要, 在电力拖动系统中大力应用变频调速技术; 二是工程设计环节, 设计师是工程应用变频调速等高新技术的先导, 对成熟技术要坚持同时设计、同时订货、同时施工、同时投用的“四同时”原则, 推进变频节能技术的推广普及;三是应用环节, 石油化工企业的管理者、操作者、运行维护者, 都要学习新技术、引进新技术、推广新技术、更好地使用新技术, 让变频节能技术作为石油化工行业机泵电力控制的主要技术之一, 实现节电降耗的目的; 四是研发环节, 要根据国民经济的发展需要、石油化工行业和其他行业的需求,进一步开发、丰富变频调速技术与产品, 使之系列化、标准化、高技术化, 为石油化工企业提供更好的变频器和成套技术系统, 让节电、节能进一步落实到石油化工生产的全流程, 在取得明显节能效果的基础上, 保证石油化工企业安全平稳运行。
变频调速技术以其显著的节能效果、安全易控、优质无级平滑调速、高精度的控制工艺参数、投资回收期短等 优势, 越来越广泛地应用在石油化工行业的多种与工艺设备配套的电力拖动设备中, 必将成为石油化工电力拖动的中枢设备。应用变频调速技术也是石油化工等高能耗行业改造挖潜、增加效益的有效途径, 同时也是国民经济实现可持续发展的战略需要。现阶段我国电力等能源供应缺口仍然很大, 供需矛盾突出, 在加快电力建设速度的同时, 石油化工企业应该积极依靠科技进步, 应用和推广变频调速等节能高新技术, 提高企业的经济效益和社会效益, 不断提升企业的核心竞争力, 推进企业节能降耗、降本增效, 实现石油化工工业的可持续发展。
