浅谈炼油化工装置变频器系统的控制方案_4
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1 概述

  在工业企业中,电机是应用面最广和数量最多的电气设备之一。目前,大量交流电机均工作在固定的转速运行,这已愈来愈不能适应生产工艺对于自动化的要求。同时,其运行在低功率因数和低效率的工况下,对电能是极大浪费。

  由于石化行业的日益激烈的市场竞争,对我厂石油化工产品的型号、质量、数量等提出了新的要求。为了满足这些工艺上要求, 在原驱动电机上,增加变频器系统。这样既可平滑改变物料的输送量,满足了生产工艺的要求,又达到了节能的效果。

  在我厂常一线、常二中采用的变频器系统,既是动力源又是改变工艺参数的执行机构,它取代了原有的执行机构调节阀,使得介质传输工艺过程控制发生了变革。

2 变频器调速运行时的节能原理

  在实际的生产过程中,各类泵的负荷选择都大于生产实际需要的流量,而在实际运行中,所需的流量往往比设计的流量小很多,如果所用的电机不能调速,通常只能通过调节阀门来控制流量,其结果在阀门上会造成很大的能量损耗。如果不用阀门调节,而是让电机调速运行,那么,当需要的流量减小时,电机的转速降低,消耗的能量会明显减小。

  H(n1),H(n2)表示调速时的Q=f(H)曲线,R1、 R2表示阀门调节时的管路阻力曲线。阀门控制时,由于要减少流量,关小阀门,使阀门的摩擦阻力变大,Q2 Q1, AB,HAHB阀门控制时功率消耗P1由0HBBQ1表示。当调速控制时,Q2Q1,AC,HAHC调速控制时功率消耗P2由0HCCQ1表示,若P1》P2则表示调速时功率消耗小于阀门节流时的功率消耗。

  P=rQH 泵的轴功率

  Q 流量 H 扬程 r 液体重度

  在B点和C点运行时 PB-PC=Q1(HB-HC)r 这部分就是所节约的电能。

  对于泵负载,有如下表达式:

  Q1/Q2 = n1/n2

  H1/H2 = (n1/n2)2

  P1/p2 = (n1/n2)3

  由上式可知,当转速下降1/2时,流量下降1/2,压力下降1/4,功率下降1/8, 即功率与转速成3 次方的关系下降。如果不用关小阀门的方法,而是把电机的转速降下来,那么随着泵的输出压力的降低,在输送同样流量的情况下,原来消耗在阀门上的功率就可完全避免。在不装变频器时,泵的出口流量靠出口阀控制调节。流量小时,靠关小阀门调节,增加了泵管压差,使部分能量白白消耗在出口阀门上。使用变频器后,可以降低泵的转速,泵扬程也相应降低,电动机输出功率也降低了,从而消除了原来消耗在泵出口阀上的管压差。

3 变频器系统的控制方案

  我厂的常一线泵B109和常二中泵B114的电动机功率分别为75kW和55kW,转速2982转/分,额定电压380V,额定电流分别为132A和103A,额定出口流量分别为28.520M3/h和20M3/h。

  在正常工作负荷情况下,电机工作在额定转速2982rpm,转速不可调。为保持流量稳定,采用控制出口阀门的方法进行控制,即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4-20mA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。原系统实际运行中,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(约3%)。

  (3) 电机工作在额定转速,出力不变消耗电能。

  (4) 电机噪音较大,泵和管线阀门压力较大,易造成泄漏。

  根据系统的上述工艺要求,我们对变频器系统进行设计时,遵循了以下原则:

  a、 保持出口流量稳定;b、 出口流量的控制精度0.5% ;c、电动机的转速范围应在 0~2982转/分;d、根据泵的工作特性,系统设计应按恒转距原则进行;e、节能降耗;f、系统设计采用工频和变频双切换,保证的生产的连续性和可靠性,可以互为备用; g、采用两路DCS输出接点,一路控制原调节阀,一路控制变频器,在变频器故障状态时,DCS能自动识别变频故障信号,然后切换到调节阀调节流量。而当变频器处于正常运行状态时,调节阀处于全开位置;

  遵照上述原则,经过调研、比较,我们选择了日本东芝A5P变频器。该变频器具有技术先进、功能齐全、结构紧凑、可靠性高等特点,专为泵和风机类负载设计。

  FRH:频率设定;ACC/DEC:加/减速控制电路;A/D:模数变换;V/F:压频变换;BD:基极驱动电路;CPU:微处理器;LED:显示电路 。

  变频器的主电路为典型的交直交SPWM电压型主电路。

  变频器的控制电路:频率给定FRH(即速度给定)经过ACC和DED加减速控制电路,变成频率和电压基准信号,分别经过A/D转换电路和V/F函数发生器电路,再进入CPU内,形成SPWM脉冲,成为IGBT的控制信号,驱动IGBT,从而使电压恒定、频率恒定的交流电,经过变频器后,变成了电压和频率可调的交流电。A5P变频器结构图如图3所示。整个控制系统采用微机进行采样、计算、实时控制、事故报警和显示。

4 变频器系统的运行情况

  1997年7月,我厂在常一线泵和常二中泵电机上安装东芝A5P变频器后,运行情况与工频比较,如下所示:

  (1) 电机运行参数和节能情况的比较

  节电功率=((39.160.82380)-(16.30.9168))1.73=16846(W)

  节电率=((39.160.82380)-(16.30.9158))/(39.160.82380)=79%

  节电功率=((44.60.8380)-(200.9121))1.73=19688 (W)

  节电率=((44.60.8380)-(200.9121))/(44.60.8380)=83%

  从比较表可以看出,使用变频器后既可满足生产需要,又可大量节能。

  (2) 控制精度的比较

  在相同的工艺条件下,采用工频和变频运行时,泵的出口流量波动曲线分别如上图4所示。所以泵采用变频调速后,流量控制精度非常高,记录仪记录的曲线为一条非常平稳的记录线。

5 应用效果及经济效益分析

  变频器投入运行以来,运行可靠,自动化程度高,节能效果显著,取得了良好的经济效益。

  (1) 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带来的滞后现象,从而使系统控制精度提高,压力稳定,产品质量得到了提高。

  (2) 节能效果显著:按年8000小时计算,泵114/1年节约电量:节电率电动机工频功率工作时间=79%21.11千瓦8000小时 =133415千瓦时 泵109/2年节约电量:节电率电动机工频功率工作时间=83%23.45千瓦8000小时 =155708千瓦时 泵114/1和泵109/2共节约电费:节电量电价=2891230.50=144561元 变频器改造费用为15万元,所以只需1年左右,就可收回投资。

  (3) 维护量减少: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,降低了电机的温升,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,使仪表的维护量减少。

  (4) 系统实现了软起动:由于变频器具有软起动功能,减小了对电网的冲击。

6 变频器应用时应注意的问题

  (1) 用变频器时一定要满足工艺的要求,在某种特定环境下,老装置的机泵因扬程、流量所限制,变频器不一定适用,且非变工况运行的机泵也不宜采用。不能千篇一律照搬,而应从工艺条件、机泵本身的参数出发而定。

  (2) 变频器调速时,需要电气、仪表、工艺、设备各专业人员密切配合,以保证变频器安全运行。工程技术人员在安装投用前要对有关专业人员进行培训。

  (3) 大多数生产装置的仪表控制阀大多采用风关阀。采用变频器后,风关改为风开调节,需要注意,以免造成事故。

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