淺談煉油化工裝置變頻器系統(tǒng)的控制方案
1 概述
在工業(yè)企業(yè)中，電機(jī)是應(yīng)用面最廣和數(shù)量最多的電氣設(shè)備之一。目前，大量交流電機(jī)均工作在固定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，這已愈來愈不能適應(yīng)生產(chǎn)工藝對(duì)于自動(dòng)化的要求。同時(shí)，其運(yùn)行在低功率因數(shù)和低效率的工況下，對(duì)電能是極大浪費(fèi)。
由于石化行業(yè)的日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),對(duì)我廠石油化工產(chǎn)品的型號(hào)、質(zhì)量、數(shù)量等提出了新的要求。為了滿足這些工藝上要求,在原驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，增加變頻器系統(tǒng)。這樣既可平滑改變物料的輸送量,滿足了生產(chǎn)工藝的要求，又達(dá)到了節(jié)能的效果。
在我廠常一線、常二中采用的變頻器系統(tǒng)，既是動(dòng)力源又是改變工藝參數(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它取代了原有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)——調(diào)節(jié)閥，使得介質(zhì)傳輸工藝過程控制發(fā)生了變革。
2 變頻器調(diào)速運(yùn)行時(shí)的節(jié)能原理
在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，各類泵的負(fù)荷選擇都大于生產(chǎn)實(shí)際需要的流量，而在實(shí)際運(yùn)行中，所需的流量往往比設(shè)計(jì)的流量小很多，如果所用的電機(jī)不能調(diào)速，通常只能通過調(diào)節(jié)閥門來控制流量，其結(jié)果在閥門上會(huì)造成很大的能量損耗。如果不用閥門調(diào)節(jié)，而是讓電機(jī)調(diào)速運(yùn)行，那么，當(dāng)需要的流量減小時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，消耗的能量會(huì)明顯減小。
H（n1）,H（n2）表示調(diào)速時(shí)的Q=f（H）曲線，R1、R2表示閥門調(diào)節(jié)時(shí)的管路阻力曲線。閥門控制時(shí)，由于要減少流量，關(guān)小閥門，使閥門的摩擦阻力變大，Q2→Q1，A→B，HA→HB閥門控制時(shí)功率消耗P1由0HBBQ1表示。當(dāng)調(diào)速控制時(shí)，Q2→Q1，A→C，HA→HC調(diào)速控制時(shí)功率消耗P2由0HCCQ1表示，若P1>P2則表示調(diào)速時(shí)功率消耗小于閥門節(jié)流時(shí)的功率消耗。
P=rQH泵的軸功率
Q流量H揚(yáng)程r液體重度
在B點(diǎn)和C點(diǎn)運(yùn)行時(shí)PB-PC=Q1（HB-HC）r這部分就是所節(jié)約的電能。
對(duì)于泵負(fù)載，有如下表達(dá)式:
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=（n1/n2）2
P1/p2=（n1/n2）3
由上式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降1/2時(shí)，流量下降1/2，壓力下降1/4，功率下降1/8，即功率與轉(zhuǎn)速成3次方的關(guān)系下降。如果不用關(guān)小閥門的方法，而是把電機(jī)的轉(zhuǎn)速降下來，那么隨著泵的輸出壓力的降低，在輸送同樣流量的情況下，原來消耗在閥門上的功率就可完全避免。在不裝變頻器時(shí)，泵的出口流量靠出口閥控制調(diào)節(jié)。流量小時(shí)，靠關(guān)小閥門調(diào)節(jié)，增加了泵管壓差，使部分能量白白消耗在出口閥門上。使用變頻器后，可以降低泵的轉(zhuǎn)速，泵揚(yáng)程也相應(yīng)降低，電動(dòng)機(jī)輸出功率也降低了，從而消除了原來消耗在泵出口閥上的管壓差。
3 變頻器系統(tǒng)的控制方案
我廠的常一線泵B109和常二中泵B114的電動(dòng)機(jī)功率分別為75kW和55kW，轉(zhuǎn)速2982轉(zhuǎn)/分，額定電壓380V，額定電流分別為132A和103A，額定出口流量分別為28.520M3/h和20M3/h。
在正常工作負(fù)荷情況下，電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速2982rpm，轉(zhuǎn)速不可調(diào)。為保持流量穩(wěn)定，采用控制出口閥門的方法進(jìn)行控制，即差壓變送器檢測(cè)流量信號(hào)送至PID調(diào)節(jié)器,再由PID調(diào)節(jié)器輸出4-20mA控制信號(hào)，控制出口調(diào)節(jié)閥的開度，從而控制出口流量，保持流量穩(wěn)定。原系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，存在以下問題:
（1）節(jié)流量較大，泵出口閥的節(jié)流量已接近泵額定流量的一半，浪費(fèi)大量的電能。
（2）控制精度低，出口流量波動(dòng)較大（約3％）。
（3）電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速，出力不變消耗電能。
（4）電機(jī)噪音較大，泵和管線閥門壓力較大，易造成泄漏。
根據(jù)系統(tǒng)的上述工藝要求，我們對(duì)變頻器系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，遵循了以下原則:
a、保持出口流量穩(wěn)定;b、出口流量的控制精度0.5%;c、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)在0～2982轉(zhuǎn)/分;d、根據(jù)泵的工作特性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)按恒轉(zhuǎn)距原則進(jìn)行;e、節(jié)能降耗;f、系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用工頻和變頻雙切換，保證的生產(chǎn)的連續(xù)性和可靠性，可以互為備用;g、采用兩路DCS輸出接點(diǎn)，一路控制原調(diào)節(jié)閥，一路控制變頻器，在變頻器故障狀態(tài)時(shí)，DCS能自動(dòng)識(shí)別變頻故障信號(hào)，然后切換到調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量。而當(dāng)變頻器處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)閥處于全開位置;
遵照上述原則，經(jīng)過調(diào)研、比較，我們選擇了日本東芝A5P變頻器。該變頻器具有技術(shù)先進(jìn)、功能齊全、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等特點(diǎn)，專為泵和風(fēng)機(jī)類負(fù)載設(shè)計(jì)。
FRH:頻率設(shè)定;ACC/DEC:加/減速控制電路;A/D:模數(shù)變換;V/F:壓頻變換;BD:基極驅(qū)動(dòng)電路;CPU:微處理器;LED:顯示電路。
變頻器的主電路為典型的“交—直—交”SPWM電壓型主電路。
變頻器的控制電路:頻率給定FRH（即速度給定）經(jīng)過ACC和DED加減速控制電路，變成頻率和電壓基準(zhǔn)信號(hào)，分別經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路和V/F函數(shù)發(fā)生器電路，再進(jìn)入CPU內(nèi)，形成SPWM脈沖，成為IGBT的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)IGBT，從而使電壓恒定、頻率恒定的交流電，經(jīng)過變頻器后，變成了電壓和頻率可調(diào)的交流電。A5P變頻器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。整個(gè)控制系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行采樣、計(jì)算、實(shí)時(shí)控制、事故報(bào)警和顯示。
4 變頻器系統(tǒng)的運(yùn)行情況
1997年7月，我廠在常一線泵和常二中泵電機(jī)上安裝東芝A5P變頻器后，運(yùn)行情況與工頻比較，如下所示:
（1）電機(jī)運(yùn)行參數(shù)和節(jié)能情況的比較
節(jié)電功率=（（39.16×0.82×380）-（16.3×0.9×168））×1.73=16846（W）
節(jié)電率=（（39.16×0.82×380）-（16.3×0.9×158））/（39.16×0.82×380）=79%
節(jié)電功率=（（44.6×0.8×380）-（20×0.9×121））×1.73=19688（W）
節(jié)電率=（（44.6×0.8×380）-（20×0.9×121））/（44.6×0.8×380）=83%
從比較表可以看出,使用變頻器后既可滿足生產(chǎn)需要,又可大量節(jié)能。
（2）控制精度的比較
在相同的工藝條件下，采用工頻和變頻運(yùn)行時(shí)，泵的出口流量波動(dòng)曲線分別如上圖4所示。所以泵采用變頻調(diào)速后，流量控制精度非常高，記錄儀記錄的曲線為一條非常平穩(wěn)的記錄線。
5 應(yīng)用效果及經(jīng)濟(jì)效益分析
變頻器投入運(yùn)行以來，運(yùn)行可靠，自動(dòng)化程度高，節(jié)能效果顯著，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
（1）工藝控制平穩(wěn):由于變頻器的高精度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)信號(hào)有高速傳遞性，減少了以前儀表控制帶來的滯后現(xiàn)象，從而使系統(tǒng)控制精度提高，壓力穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量得到了提高。
（2）節(jié)能效果顯著:按年8000小時(shí)計(jì)算，泵114/1年節(jié)約電量:節(jié)電率×電動(dòng)機(jī)工頻功率×工作時(shí)間＝79%×21.11千瓦×8000小時(shí)＝133415千瓦時(shí)泵109/2年節(jié)約電量:節(jié)電率×電動(dòng)機(jī)工頻功率×工作時(shí)間＝83%×23.45千瓦×8000小時(shí)＝155708千瓦時(shí)泵114/1和泵109/2共節(jié)約電費(fèi):節(jié)電量×電價(jià)=289123×0.50＝144561元變頻器改造費(fèi)用為15萬(wàn)元，所以只需1年左右，就可收回投資。
（3）維護(hù)量減少:由于出口閥全開，電動(dòng)機(jī)降速運(yùn)行，使得管網(wǎng)壓力下降，減少了工藝設(shè)備的泄漏，降低了機(jī)泵磨損，降低了電機(jī)的溫升，設(shè)備維護(hù)周期延長(zhǎng)。由于變頻器代替了調(diào)節(jié)閥，解決了由于調(diào)節(jié)閥故障高給生產(chǎn)帶來的影響，使儀表的維護(hù)量減少。
（4）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng):由于變頻器具有軟起動(dòng)功能，減小了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
6變頻器應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題
（1）用變頻器時(shí)一定要滿足工藝的要求，在某種特定環(huán)境下，老裝置的機(jī)泵因揚(yáng)程、流量所限制，變頻器不一定適用，且非變工況運(yùn)行的機(jī)泵也不宜采用。不能千篇一律照搬，而應(yīng)從工藝條件、機(jī)泵本身的參數(shù)出發(fā)而定。
（2）變頻器調(diào)速時(shí)，需要電氣、儀表、工藝、設(shè)備各專業(yè)人員密切配合，以保證變頻器安全運(yùn)行。工程技術(shù)人員在安裝投用前要對(duì)有關(guān)專業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)。
（3）大多數(shù)生產(chǎn)裝置的儀表控制閥大多采用風(fēng)關(guān)閥。采用變頻器后，風(fēng)關(guān)改為風(fēng)開調(diào)節(jié)，需要注意，以免造成事故。
在工業(yè)企業(yè)中，電機(jī)是應(yīng)用面最廣和數(shù)量最多的電氣設(shè)備之一。目前，大量交流電機(jī)均工作在固定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，這已愈來愈不能適應(yīng)生產(chǎn)工藝對(duì)于自動(dòng)化的要求。同時(shí)，其運(yùn)行在低功率因數(shù)和低效率的工況下，對(duì)電能是極大浪費(fèi)。
由于石化行業(yè)的日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),對(duì)我廠石油化工產(chǎn)品的型號(hào)、質(zhì)量、數(shù)量等提出了新的要求。為了滿足這些工藝上要求,在原驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，增加變頻器系統(tǒng)。這樣既可平滑改變物料的輸送量,滿足了生產(chǎn)工藝的要求，又達(dá)到了節(jié)能的效果。
在我廠常一線、常二中采用的變頻器系統(tǒng)，既是動(dòng)力源又是改變工藝參數(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它取代了原有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)——調(diào)節(jié)閥，使得介質(zhì)傳輸工藝過程控制發(fā)生了變革。
2 變頻器調(diào)速運(yùn)行時(shí)的節(jié)能原理
在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，各類泵的負(fù)荷選擇都大于生產(chǎn)實(shí)際需要的流量，而在實(shí)際運(yùn)行中，所需的流量往往比設(shè)計(jì)的流量小很多，如果所用的電機(jī)不能調(diào)速，通常只能通過調(diào)節(jié)閥門來控制流量，其結(jié)果在閥門上會(huì)造成很大的能量損耗。如果不用閥門調(diào)節(jié)，而是讓電機(jī)調(diào)速運(yùn)行，那么，當(dāng)需要的流量減小時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，消耗的能量會(huì)明顯減小。
H（n1）,H（n2）表示調(diào)速時(shí)的Q=f（H）曲線，R1、R2表示閥門調(diào)節(jié)時(shí)的管路阻力曲線。閥門控制時(shí)，由于要減少流量，關(guān)小閥門，使閥門的摩擦阻力變大，Q2→Q1，A→B，HA→HB閥門控制時(shí)功率消耗P1由0HBBQ1表示。當(dāng)調(diào)速控制時(shí)，Q2→Q1，A→C，HA→HC調(diào)速控制時(shí)功率消耗P2由0HCCQ1表示，若P1>P2則表示調(diào)速時(shí)功率消耗小于閥門節(jié)流時(shí)的功率消耗。
P=rQH泵的軸功率
Q流量H揚(yáng)程r液體重度
在B點(diǎn)和C點(diǎn)運(yùn)行時(shí)PB-PC=Q1（HB-HC）r這部分就是所節(jié)約的電能。
對(duì)于泵負(fù)載，有如下表達(dá)式:
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=（n1/n2）2
P1/p2=（n1/n2）3
由上式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降1/2時(shí)，流量下降1/2，壓力下降1/4，功率下降1/8，即功率與轉(zhuǎn)速成3次方的關(guān)系下降。如果不用關(guān)小閥門的方法，而是把電機(jī)的轉(zhuǎn)速降下來，那么隨著泵的輸出壓力的降低，在輸送同樣流量的情況下，原來消耗在閥門上的功率就可完全避免。在不裝變頻器時(shí)，泵的出口流量靠出口閥控制調(diào)節(jié)。流量小時(shí)，靠關(guān)小閥門調(diào)節(jié)，增加了泵管壓差，使部分能量白白消耗在出口閥門上。使用變頻器后，可以降低泵的轉(zhuǎn)速，泵揚(yáng)程也相應(yīng)降低，電動(dòng)機(jī)輸出功率也降低了，從而消除了原來消耗在泵出口閥上的管壓差。
3 變頻器系統(tǒng)的控制方案
我廠的常一線泵B109和常二中泵B114的電動(dòng)機(jī)功率分別為75kW和55kW，轉(zhuǎn)速2982轉(zhuǎn)/分，額定電壓380V，額定電流分別為132A和103A，額定出口流量分別為28.520M3/h和20M3/h。
在正常工作負(fù)荷情況下，電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速2982rpm，轉(zhuǎn)速不可調(diào)。為保持流量穩(wěn)定，采用控制出口閥門的方法進(jìn)行控制，即差壓變送器檢測(cè)流量信號(hào)送至PID調(diào)節(jié)器,再由PID調(diào)節(jié)器輸出4-20mA控制信號(hào)，控制出口調(diào)節(jié)閥的開度，從而控制出口流量，保持流量穩(wěn)定。原系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，存在以下問題:
（1）節(jié)流量較大，泵出口閥的節(jié)流量已接近泵額定流量的一半，浪費(fèi)大量的電能。
（2）控制精度低，出口流量波動(dòng)較大（約3％）。
（3）電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速，出力不變消耗電能。
（4）電機(jī)噪音較大，泵和管線閥門壓力較大，易造成泄漏。
根據(jù)系統(tǒng)的上述工藝要求，我們對(duì)變頻器系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，遵循了以下原則:
a、保持出口流量穩(wěn)定;b、出口流量的控制精度0.5%;c、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)在0～2982轉(zhuǎn)/分;d、根據(jù)泵的工作特性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)按恒轉(zhuǎn)距原則進(jìn)行;e、節(jié)能降耗;f、系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用工頻和變頻雙切換，保證的生產(chǎn)的連續(xù)性和可靠性，可以互為備用;g、采用兩路DCS輸出接點(diǎn)，一路控制原調(diào)節(jié)閥，一路控制變頻器，在變頻器故障狀態(tài)時(shí)，DCS能自動(dòng)識(shí)別變頻故障信號(hào)，然后切換到調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量。而當(dāng)變頻器處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)閥處于全開位置;
遵照上述原則，經(jīng)過調(diào)研、比較，我們選擇了日本東芝A5P變頻器。該變頻器具有技術(shù)先進(jìn)、功能齊全、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等特點(diǎn)，專為泵和風(fēng)機(jī)類負(fù)載設(shè)計(jì)。
FRH:頻率設(shè)定;ACC/DEC:加/減速控制電路;A/D:模數(shù)變換;V/F:壓頻變換;BD:基極驅(qū)動(dòng)電路;CPU:微處理器;LED:顯示電路。
變頻器的主電路為典型的“交—直—交”SPWM電壓型主電路。
變頻器的控制電路:頻率給定FRH（即速度給定）經(jīng)過ACC和DED加減速控制電路，變成頻率和電壓基準(zhǔn)信號(hào)，分別經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路和V/F函數(shù)發(fā)生器電路，再進(jìn)入CPU內(nèi)，形成SPWM脈沖，成為IGBT的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)IGBT，從而使電壓恒定、頻率恒定的交流電，經(jīng)過變頻器后，變成了電壓和頻率可調(diào)的交流電。A5P變頻器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。整個(gè)控制系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行采樣、計(jì)算、實(shí)時(shí)控制、事故報(bào)警和顯示。
4 變頻器系統(tǒng)的運(yùn)行情況
1997年7月，我廠在常一線泵和常二中泵電機(jī)上安裝東芝A5P變頻器后，運(yùn)行情況與工頻比較，如下所示:
（1）電機(jī)運(yùn)行參數(shù)和節(jié)能情況的比較
節(jié)電功率=（（39.16×0.82×380）-（16.3×0.9×168））×1.73=16846（W）
節(jié)電率=（（39.16×0.82×380）-（16.3×0.9×158））/（39.16×0.82×380）=79%
節(jié)電功率=（（44.6×0.8×380）-（20×0.9×121））×1.73=19688（W）
節(jié)電率=（（44.6×0.8×380）-（20×0.9×121））/（44.6×0.8×380）=83%
從比較表可以看出,使用變頻器后既可滿足生產(chǎn)需要,又可大量節(jié)能。
（2）控制精度的比較
在相同的工藝條件下，采用工頻和變頻運(yùn)行時(shí)，泵的出口流量波動(dòng)曲線分別如上圖4所示。所以泵采用變頻調(diào)速后，流量控制精度非常高，記錄儀記錄的曲線為一條非常平穩(wěn)的記錄線。
5 應(yīng)用效果及經(jīng)濟(jì)效益分析
變頻器投入運(yùn)行以來，運(yùn)行可靠，自動(dòng)化程度高，節(jié)能效果顯著，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
（1）工藝控制平穩(wěn):由于變頻器的高精度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)信號(hào)有高速傳遞性，減少了以前儀表控制帶來的滯后現(xiàn)象，從而使系統(tǒng)控制精度提高，壓力穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量得到了提高。
（2）節(jié)能效果顯著:按年8000小時(shí)計(jì)算，泵114/1年節(jié)約電量:節(jié)電率×電動(dòng)機(jī)工頻功率×工作時(shí)間＝79%×21.11千瓦×8000小時(shí)＝133415千瓦時(shí)泵109/2年節(jié)約電量:節(jié)電率×電動(dòng)機(jī)工頻功率×工作時(shí)間＝83%×23.45千瓦×8000小時(shí)＝155708千瓦時(shí)泵114/1和泵109/2共節(jié)約電費(fèi):節(jié)電量×電價(jià)=289123×0.50＝144561元變頻器改造費(fèi)用為15萬(wàn)元，所以只需1年左右，就可收回投資。
（3）維護(hù)量減少:由于出口閥全開，電動(dòng)機(jī)降速運(yùn)行，使得管網(wǎng)壓力下降，減少了工藝設(shè)備的泄漏，降低了機(jī)泵磨損，降低了電機(jī)的溫升，設(shè)備維護(hù)周期延長(zhǎng)。由于變頻器代替了調(diào)節(jié)閥，解決了由于調(diào)節(jié)閥故障高給生產(chǎn)帶來的影響，使儀表的維護(hù)量減少。
（4）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng):由于變頻器具有軟起動(dòng)功能，減小了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
6變頻器應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題
（1）用變頻器時(shí)一定要滿足工藝的要求，在某種特定環(huán)境下，老裝置的機(jī)泵因揚(yáng)程、流量所限制，變頻器不一定適用，且非變工況運(yùn)行的機(jī)泵也不宜采用。不能千篇一律照搬，而應(yīng)從工藝條件、機(jī)泵本身的參數(shù)出發(fā)而定。
（2）變頻器調(diào)速時(shí)，需要電氣、儀表、工藝、設(shè)備各專業(yè)人員密切配合，以保證變頻器安全運(yùn)行。工程技術(shù)人員在安裝投用前要對(duì)有關(guān)專業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)。
（3）大多數(shù)生產(chǎn)裝置的儀表控制閥大多采用風(fēng)關(guān)閥。采用變頻器后，風(fēng)關(guān)改為風(fēng)開調(diào)節(jié)，需要注意，以免造成事故。
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