淺談煉油化工裝置變頻器系統的控制方案
1 概述
在工業企業中，電機是應用面最廣和數量最多的電氣設備之一。目前，大量交流電機均工作在固定的轉速運行，這已愈來愈不能適應生產工藝對于自動化的要求。同時，其運行在低功率因數和低效率的工況下，對電能是極大浪費。
由于石化行業的日益激烈的市場競爭,對我廠石油化工產品的型號、質量、數量等提出了新的要求。為了滿足這些工藝上要求,在原驅動電機上，增加變頻器系統。這樣既可平滑改變物料的輸送量,滿足了生產工藝的要求，又達到了節能的效果。
在我廠常一線、常二中采用的變頻器系統，既是動力源又是改變工藝參數的執行機構，它取代了原有的執行機構——調節閥，使得介質傳輸工藝過程控制發生了變革。
2 變頻器調速運行時的節能原理
在實際的生產過程中，各類泵的負荷選擇都大于生產實際需要的流量，而在實際運行中，所需的流量往往比設計的流量小很多，如果所用的電機不能調速，通常只能通過調節閥門來控制流量，其結果在閥門上會造成很大的能量損耗。如果不用閥門調節，而是讓電機調速運行，那么，當需要的流量減小時，電機的轉速降低，消耗的能量會明顯減小。
H（n1）,H（n2）表示調速時的Q=f（H）曲線，R1、R2表示閥門調節時的管路阻力曲線。閥門控制時，由于要減少流量，關小閥門，使閥門的摩擦阻力變大，Q2→Q1，A→B，HA→HB閥門控制時功率消耗P1由0HBBQ1表示。當調速控制時，Q2→Q1，A→C，HA→HC調速控制時功率消耗P2由0HCCQ1表示，若P1>P2則表示調速時功率消耗小于閥門節流時的功率消耗。
P=rQH泵的軸功率
Q流量H揚程r液體重度
在B點和C點運行時PB-PC=Q1（HB-HC）r這部分就是所節約的電能。
對于泵負載，有如下表達式:
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=（n1/n2）2
P1/p2=（n1/n2）3
由上式可知，當轉速下降1/2時，流量下降1/2，壓力下降1/4，功率下降1/8，即功率與轉速成3次方的關系下降。如果不用關小閥門的方法，而是把電機的轉速降下來，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，泵的出口流量靠出口閥控制調節。流量小時，靠關小閥門調節，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，可以降低泵的轉速，泵揚程也相應降低，電動機輸出功率也降低了，從而消除了原來消耗在泵出口閥上的管壓差。
3 變頻器系統的控制方案
我廠的常一線泵B109和常二中泵B114的電動機功率分別為75kW和55kW，轉速2982轉/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。
在正常工作負荷情況下，電機工作在額定轉速2982rpm，轉速不可調。為保持流量穩定，采用控制出口閥門的方法進行控制，即差壓變送器檢測流量信號送至PID調節器,再由PID調節器輸出4-20mA控制信號，控制出口調節閥的開度，從而控制出口流量，保持流量穩定。原系統實際運行中，存在以下問題:
（1）節流量較大，泵出口閥的節流量已接近泵額定流量的一半，浪費大量的電能。
（2）控制精度低，出口流量波動較大（約3％）。
（3）電機工作在額定轉速，出力不變消耗電能。
（4）電機噪音較大，泵和管線閥門壓力較大，易造成泄漏。
根據系統的上述工藝要求，我們對變頻器系統進行設計時，遵循了以下原則:
a、保持出口流量穩定;b、出口流量的控制精度0.5%;c、電動機的轉速范圍應在0～2982轉/分;d、根據泵的工作特性，系統設計應按恒轉距原則進行;e、節能降耗;f、系統設計采用工頻和變頻雙切換，保證的生產的連續性和可靠性，可以互為備用;g、采用兩路DCS輸出接點，一路控制原調節閥，一路控制變頻器，在變頻器故障狀態時，DCS能自動識別變頻故障信號，然后切換到調節閥調節流量。而當變頻器處于正常運行狀態時，調節閥處于全開位置;
遵照上述原則，經過調研、比較，我們選擇了日本東芝A5P變頻器。該變頻器具有技術先進、功能齊全、結構緊湊、可靠性高等特點，專為泵和風機類負載設計。
FRH:頻率設定;ACC/DEC:加/減速控制電路;A/D:模數變換;V/F:壓頻變換;BD:基極驅動電路;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）經過ACC和DED加減速控制電路，變成頻率和電壓基準信號，分別經過A/D轉換電路和V/F函數發生器電路，再進入CPU內，形成SPWM脈沖，成為IGBT的控制信號，驅動IGBT，從而使電壓恒定、頻率恒定的交流電，經過變頻器后，變成了電壓和頻率可調的交流電。A5P變頻器結構圖如圖3所示。整個控制系統采用微機進行采樣、計算、實時控制、事故報警和顯示。
4 變頻器系統的運行情況
1997年7月，我廠在常一線泵和常二中泵電機上安裝東芝A5P變頻器后，運行情況與工頻比較，如下所示:
（1）電機運行參數和節能情況的比較
節電功率=（（39.16×0.82×380）-（16.3×0.9×168））×1.73=16846（W）
節電率=（（39.16×0.82×380）-（16.3×0.9×158））/（39.16×0.82×380）=79%
節電功率=（（44.6×0.8×380）-（20×0.9×121））×1.73=19688（W）
節電率=（（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需要,又可大量節能。
（2）控制精度的比較
在相同的工藝條件下，采用工頻和變頻運行時，泵的出口流量波動曲線分別如上圖4所示。所以泵采用變頻調速后，流量控制精度非常高，記錄儀記錄的曲線為一條非常平穩的記錄線。
5 應用效果及經濟效益分析
變頻器投入運行以來，運行可靠，自動化程度高，節能效果顯著，取得了良好的經濟效益。
（1）工藝控制平穩:由于變頻器的高精度調節，調節信號有高速傳遞性，減少了以前儀表控制帶來的滯后現象，從而使系統控制精度提高，壓力穩定，產品質量得到了提高。
（2）節能效果顯著:按年8000小時計算，泵114/1年節約電量:節電率×電動機工頻功率×工作時間＝79%×21.11千瓦×8000小時＝133415千瓦時泵109/2年節約電量:節電率×電動機工頻功率×工作時間＝83%×23.45千瓦×8000小時＝155708千瓦時泵114/1和泵109/2共節約電費:節電量×電價=289123×0.50＝144561元變頻器改造費用為15萬元，所以只需1年左右，就可收回投資。
（3）維護量減少:由于出口閥全開，電動機降速運行，使得管網壓力下降，減少了工藝設備的泄漏，降低了機泵磨損，降低了電機的溫升，設備維護周期延長。由于變頻器代替了調節閥，解決了由于調節閥故障高給生產帶來的影響，使儀表的維護量減少。
（4）系統實現了軟起動:由于變頻器具有軟起動功能，減小了對電網的沖擊。
6變頻器應用時應注意的問題
（1）用變頻器時一定要滿足工藝的要求，在某種特定環境下，老裝置的機泵因揚程、流量所限制，變頻器不一定適用，且非變工況運行的機泵也不宜采用。不能千篇一律照搬，而應從工藝條件、機泵本身的參數出發而定。
（2）變頻器調速時，需要電氣、儀表、工藝、設備各專業人員密切配合，以保證變頻器安全運行。工程技術人員在安裝投用前要對有關專業人員進行培訓。
（3）大多數生產裝置的儀表控制閥大多采用風關閥。采用變頻器后，風關改為風開調節，需要注意，以免造成事故。
在工業企業中，電機是應用面最廣和數量最多的電氣設備之一。目前，大量交流電機均工作在固定的轉速運行，這已愈來愈不能適應生產工藝對于自動化的要求。同時，其運行在低功率因數和低效率的工況下，對電能是極大浪費。
由于石化行業的日益激烈的市場競爭,對我廠石油化工產品的型號、質量、數量等提出了新的要求。為了滿足這些工藝上要求,在原驅動電機上，增加變頻器系統。這樣既可平滑改變物料的輸送量,滿足了生產工藝的要求，又達到了節能的效果。
在我廠常一線、常二中采用的變頻器系統，既是動力源又是改變工藝參數的執行機構，它取代了原有的執行機構——調節閥，使得介質傳輸工藝過程控制發生了變革。
2 變頻器調速運行時的節能原理
在實際的生產過程中，各類泵的負荷選擇都大于生產實際需要的流量，而在實際運行中，所需的流量往往比設計的流量小很多，如果所用的電機不能調速，通常只能通過調節閥門來控制流量，其結果在閥門上會造成很大的能量損耗。如果不用閥門調節，而是讓電機調速運行，那么，當需要的流量減小時，電機的轉速降低，消耗的能量會明顯減小。
H（n1）,H（n2）表示調速時的Q=f（H）曲線，R1、R2表示閥門調節時的管路阻力曲線。閥門控制時，由于要減少流量，關小閥門，使閥門的摩擦阻力變大，Q2→Q1，A→B，HA→HB閥門控制時功率消耗P1由0HBBQ1表示。當調速控制時，Q2→Q1，A→C，HA→HC調速控制時功率消耗P2由0HCCQ1表示，若P1>P2則表示調速時功率消耗小于閥門節流時的功率消耗。
P=rQH泵的軸功率
Q流量H揚程r液體重度
在B點和C點運行時PB-PC=Q1（HB-HC）r這部分就是所節約的電能。
對于泵負載，有如下表達式:
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=（n1/n2）2
P1/p2=（n1/n2）3
由上式可知，當轉速下降1/2時，流量下降1/2，壓力下降1/4，功率下降1/8，即功率與轉速成3次方的關系下降。如果不用關小閥門的方法，而是把電機的轉速降下來，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，泵的出口流量靠出口閥控制調節。流量小時，靠關小閥門調節，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，可以降低泵的轉速，泵揚程也相應降低，電動機輸出功率也降低了，從而消除了原來消耗在泵出口閥上的管壓差。
3 變頻器系統的控制方案
我廠的常一線泵B109和常二中泵B114的電動機功率分別為75kW和55kW，轉速2982轉/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。
在正常工作負荷情況下，電機工作在額定轉速2982rpm，轉速不可調。為保持流量穩定，采用控制出口閥門的方法進行控制，即差壓變送器檢測流量信號送至PID調節器,再由PID調節器輸出4-20mA控制信號，控制出口調節閥的開度，從而控制出口流量，保持流量穩定。原系統實際運行中，存在以下問題:
（1）節流量較大，泵出口閥的節流量已接近泵額定流量的一半，浪費大量的電能。
（2）控制精度低，出口流量波動較大（約3％）。
（3）電機工作在額定轉速，出力不變消耗電能。
（4）電機噪音較大，泵和管線閥門壓力較大，易造成泄漏。
根據系統的上述工藝要求，我們對變頻器系統進行設計時，遵循了以下原則:
a、保持出口流量穩定;b、出口流量的控制精度0.5%;c、電動機的轉速范圍應在0～2982轉/分;d、根據泵的工作特性，系統設計應按恒轉距原則進行;e、節能降耗;f、系統設計采用工頻和變頻雙切換，保證的生產的連續性和可靠性，可以互為備用;g、采用兩路DCS輸出接點，一路控制原調節閥，一路控制變頻器，在變頻器故障狀態時，DCS能自動識別變頻故障信號，然后切換到調節閥調節流量。而當變頻器處于正常運行狀態時，調節閥處于全開位置;
遵照上述原則，經過調研、比較，我們選擇了日本東芝A5P變頻器。該變頻器具有技術先進、功能齊全、結構緊湊、可靠性高等特點，專為泵和風機類負載設計。
FRH:頻率設定;ACC/DEC:加/減速控制電路;A/D:模數變換;V/F:壓頻變換;BD:基極驅動電路;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）經過ACC和DED加減速控制電路，變成頻率和電壓基準信號，分別經過A/D轉換電路和V/F函數發生器電路，再進入CPU內，形成SPWM脈沖，成為IGBT的控制信號，驅動IGBT，從而使電壓恒定、頻率恒定的交流電，經過變頻器后，變成了電壓和頻率可調的交流電。A5P變頻器結構圖如圖3所示。整個控制系統采用微機進行采樣、計算、實時控制、事故報警和顯示。
4 變頻器系統的運行情況
1997年7月，我廠在常一線泵和常二中泵電機上安裝東芝A5P變頻器后，運行情況與工頻比較，如下所示:
（1）電機運行參數和節能情況的比較
節電功率=（（39.16×0.82×380）-（16.3×0.9×168））×1.73=16846（W）
節電率=（（39.16×0.82×380）-（16.3×0.9×158））/（39.16×0.82×380）=79%
節電功率=（（44.6×0.8×380）-（20×0.9×121））×1.73=19688（W）
節電率=（（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需要,又可大量節能。
（2）控制精度的比較
在相同的工藝條件下，采用工頻和變頻運行時，泵的出口流量波動曲線分別如上圖4所示。所以泵采用變頻調速后，流量控制精度非常高，記錄儀記錄的曲線為一條非常平穩的記錄線。
5 應用效果及經濟效益分析
變頻器投入運行以來，運行可靠，自動化程度高，節能效果顯著，取得了良好的經濟效益。
（1）工藝控制平穩:由于變頻器的高精度調節，調節信號有高速傳遞性，減少了以前儀表控制帶來的滯后現象，從而使系統控制精度提高，壓力穩定，產品質量得到了提高。
（2）節能效果顯著:按年8000小時計算，泵114/1年節約電量:節電率×電動機工頻功率×工作時間＝79%×21.11千瓦×8000小時＝133415千瓦時泵109/2年節約電量:節電率×電動機工頻功率×工作時間＝83%×23.45千瓦×8000小時＝155708千瓦時泵114/1和泵109/2共節約電費:節電量×電價=289123×0.50＝144561元變頻器改造費用為15萬元，所以只需1年左右，就可收回投資。
（3）維護量減少:由于出口閥全開，電動機降速運行，使得管網壓力下降，減少了工藝設備的泄漏，降低了機泵磨損，降低了電機的溫升，設備維護周期延長。由于變頻器代替了調節閥，解決了由于調節閥故障高給生產帶來的影響，使儀表的維護量減少。
（4）系統實現了軟起動:由于變頻器具有軟起動功能，減小了對電網的沖擊。
6變頻器應用時應注意的問題
（1）用變頻器時一定要滿足工藝的要求，在某種特定環境下，老裝置的機泵因揚程、流量所限制，變頻器不一定適用，且非變工況運行的機泵也不宜采用。不能千篇一律照搬，而應從工藝條件、機泵本身的參數出發而定。
（2）變頻器調速時，需要電氣、儀表、工藝、設備各專業人員密切配合，以保證變頻器安全運行。工程技術人員在安裝投用前要對有關專業人員進行培訓。
（3）大多數生產裝置的儀表控制閥大多采用風關閥。采用變頻器后，風關改為風開調節，需要注意，以免造成事故。
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