变频泵在乌石化炼厂的应用

机泵是炼油厂的心脏，在炼油过程中机泵输送的物流总量约为原油加工量的40多倍，所以耗电量大是可想而知的。在炼油装置中，电动机是应用面最广、数量最多的电气设备之一，其大部分负载为机泵，而定速泵在所耗功率中，被工艺物流吸收作有用功率的仅占30%-40%，其60%-70%的电能消耗于调节阀节流控制压降和因为处理量、及设计裕量大所造成的“大马拉小车”而导致的泵出口阀压降上。 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，使之在控制过程中降低阻力，提高系统效率。这就为变频调速技术提供了广阔的应用空间。实践证明，变频调速装置是企业技术改造、节能降耗的理想设备。毫无疑问，这种调速方式将成为石化企业中驱动系统的中枢。 一、离心泵性能概述 在炼油化工行业，泵无处不在。正确选择和使用泵，就要从了解泵的性能开始。离心泵的主要性能参数包括流量Q、扬程H、功率N和效率η。在转速一定时，离心式泵的特性曲线如下（图一）： 而在转速变化时，由泵的近似法则: n/n1=Q/Q1 H/H1=[n/n1]3 N/N1= [n/n1]3=[Q/Q1]3 (公式一) 二、变频泵的选择 泵类的选择，多是根据满负荷工作需要来选型。实际应用中，泵在大部分时间并非工作于满负荷状态。 由上面公式一可以看出当改变泵的转速时，其流量、扬程及功率都变化。功率与转速的三次方成正比，转速降低时功率大大降低。例如当电机在额定转速的80%运行时，理论上其消耗的功率为额定功率的(80%)3，即51.2%，除去机械损耗、电机铜、铁损等影响，节能效率也接近40%。由于转速与频率成正比，变频节能即源于此。 在泵的使用中，由于交流电机调速很困难，同时大电机在工频状态下频繁开、停，电力冲击较大，势必造成电能损耗和开、停机时的电流冲击。因而传统泵常用挡风板、回流阀或开、停机时间来调节流量。 采用变频器直接控制泵类负载是一种科学的控制方法。装置中介质的流量、液面、温度和压力等工艺参数由变送器检测送至调节器，经PID控制运算，以4～20mADC电信号送至变频器，调节机泵转速，从而控制工艺参数。若原系统的调节阀为风关阀，则需增加信号倒相器，将4～20mADC信号转变为20～4mADC信号。 由于变频器可实现大电动机的软停、软起，避免了启动时的电压冲击，减少电动机故障率，延长使用奉命，同时也降低了对电网的容量要求和无功损耗，因此为达到节能目的推广使用变频器已成为各地节能工作部门以及各单位节能工作的重点。 三、变频泵的节能理论分析 变频调速技术通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速，相应地改变机泵的转速和工况，使其流量与扬程适应管网介质流量的变化。 如图二所示，ｎ为泵特性曲线，A为管路特性曲线，H0为管网未端的服务压力，H为泵出口压力。当流量达到最大(Qmax)时，泵全速运转，出口阀门全开，达到了满负荷运行，泵的特性曲线n0和管网特性曲线A0汇交于ｂ点，则其工况点为ｂ，此时，泵的出口压力为H，未端服务压力刚好为H0。当流量从Qmax减少到Q1的过程中，泵全速运转，靠泵出口阀门关小控制:此时，管网阻力特性曲线变陡(A2)，泵的工况点由ｂ上滑到ｃ点，而管网所需的扬程将由ｂ点下滑到ｄ点，这样，ｃ点和ｄ点扬程的差值即为全速泵的能量浪费。泵变速运转，管网压力恒定来控制:此时，当流量为Qmax下降到Q1时，泵降低转数，泵特性曲线变为n1，其工况点为ｄ，正好落在管路特性曲线A0上，这样可使泵工作点始终沿A0滑动。管网的服务压力H0恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量的浪费，从而达到了调速节能的目的。 图二 变频调速特性曲线 在节能上，单回路闭环自动控制变频运行节电原因是：变频运行时，介质走控制阀组的副线阀 ，且副线阀可全开，泵出口阀全开。而以往不使用变频器时，调节工艺参数的执行机构是控制阀，其控制阀开起又不大，阻力降损大。 出口单回路闭环自动控制的离心泵，一般来说，在装置满负荷生产的情况下仍有节电效果， 原因是：工频运行时，介质走控制阀缩径节流路线，变频运行时介质走公称直径高一个档次的副线阀(全开)的路线，减少了压头损失。单回路闭环控制离心泵变频运行一般来说节电效果好，但也有个别因工况差异，节电率有所下降：一是控制阀后管路系统工艺要求的操作压力较大，而离心泵工频与变频运行的泵出口 压力差不大，则节电率有所降低。其次是变频泵打出来的介 质不流经控制阀组的副线阀，而仍走控制阀路线，则节电率低。 四、变频泵应用在乌石化节能效果计算 当电机以额定转速N运行，若想减小管道流量到Q1，则必须减小阀门开度到，这使得阀前压力由原来的P0降到Ph。阀前阀后存在一个较大的压差 △P=Pq-Ph 　　如果让阀门全开，采用变频调速，使风机转速至n1，且流量等于Q1，压力等于Ph，那么在工艺上则与阀门调节一样，达到控制的要求。而在电机的功耗上则大不一样，泵的轴功率与流量Q和压力P的乘积成正比见公式二。 N = QPρ/102η (公式二) 其中：ρ输送液体密度。 η泵的总效率。 在流量为Q1，用阀门节流时，令电动机的功率为N1=KPhQ1，用变频调速比阀门节流节省的电能： 　　　　　　　　　Ni-N1=K(Pq-Ph)Q1=Q1△P (公式三) 可见，流量越低，阀门前后压差越大，也就是说用变频调速在流量小、转速低时，节能效果更好。 下面我用两个例子说明： 　　一、乌石化输送原油的泵P-1/1，原配用357kW电机，全年十个月运行，平均控制阀开度在40%以下。设电机全速供量为Qn，空载损耗为0.1。每天总供风量为40%Qn，则全速Pq=(357-357*0.1)kW=321.3kW。(下标q为全速，下同) 1、现采用上海科达机电控制有限公司提供的MAXF高压变频调速装置500kw电动机。每天只需功率 Pb=(500*0.1+(40%)×500)kW=250kW (下标b为变频，下同) 节约的功率：Pj=(321.3-250)kW=71.3kW (下标j为节约，下同) 2、如果电费按0.46元/kW小时计算，每年药的电费是： 　　　　　　　71.3kW×24×300×0.46元/kWh=236145.6元=24万元 二、乌石化输送拔头油的泵P-3/1，原配用315kW电机，全年十个月运行以上，平均控制阀开度在50%以下。设电机全速供量为Qn，空载损耗为0.1。每天总供风量为50%Qn，则全速Pq=(315-315*0.1)kW=283.5kW。 1、现采用上海科达机电控制有限公司提供的MAXF高压变频调速装置315kw电动机。每天只需功率 Pb=(315*0.1+(50%)×315)kW=189kW 节约的功率：Pj=(283.5-189)kW=94.5kW 2、如果电费按0.46元/kW小时计算，每年药的电费是： 　　　　　　　94.5kW×24×300×0.46元/kWh=312984元=31万元 变频调速用变压器的售价由其容量而定：300KVA—700KVA的报价在6.7万到10.8万之间，整个变频装置的售价稍稍估算一下，由以上情况可知，一年内轻易可收回投资. 五、变频装置现场的合理加减速时间问题 变频器在炼油厂一般负载上使用，其电气参数的设置较为简单，一般技术人员经过简单培训后都能掌握，但在掌握一般性原则后还要注意负载的特殊性。一般变频泵最常见问题也是最容易错误的是：合理的加减速时间。 所谓“合理”，是针对一些错误的观念而言。我们知道，根据所驱动负载性质的不同，主要是负载的转动惯量的大小，变频器在起动和停止电动机时所需时间不同，过短的加减速时间 会导致变频器在加速过程中过电流、在减速过程中过电压保护。但这样一来就很容易产生一个误区：只要变频器不跳闸保护、加减速时间越长越好。这种观点在许多技术人员的概念中普遍存在，经常发现变频器无论驱动什么负载，加减速时间都在2min以上甚至更长。这种观念的问题就在于片面地考虑了变频器单机的运行，而忽略了整个系统的控制性能和效率。无论是改造还是新建项目，装置中的变频器频率控制命令(4～20mA DC)一般由仪表系统或DCS系统给定，在没有使用变频器之前，这个信号是用来控制阀门开度的，由于阀门跟随信号变化的动作很快，因此，为防止闭环控制系统产生振荡，仪表或DCS中PI调节器的比例增益P参数通常设置的较小，而积分时间t参数则相对较长。这时如果加减速时间长，那么变频器输出长时间才能达到给定命令值，再进行PI调节，这就使得整个系统跟随性差，调节缓慢， 同时，对外部扰动的控制能力变差，容易处于小幅不稳定状态中，控制效率较低，在负荷经常变化的工位尤其突出。这种情况在实际生产中因设备外表正常而很容易被忽略。正确的做法是：区分泵和风机的特点，在现场允许的情况下测试负载允许的尽可能短的加减速时间并加以设定。 我厂新近的上海科达机电控制有限公司提供的MAXF高压变频装置性能：说明中说过载能力在1.6倍时，可以坚持60s；采用高效铜散热技术；单元中增设了dv/dt抑制电路，降低对其他设备的干扰；参数设置较为简单；整体性能良好。但对于上述问题，在使用中还是要注意一下为好。 六、变频调速技术的展望 1．变频调速应用领域将不断扩大。 随着科学技术的进步、大功率电力电子技术的迅速发展，大规模集成电路和微机技术的突飞猛进，交流电动机变频技术已日趋完善，变频调速器用于交流异步电动机调速，其性能胜过以往任何一种交流调速方式，已成为电动机调速最新潮流。在国外交频调速已广泛在钢铁、有色冶金、油田、炼油、石化、化工、纺织、印染、医药、造纸、卷烟、高层建筑供水、建材及机械行业应用，功率大到上万千瓦的轧钢机，小到只有几十瓦的公园喷水头，从工厂装备到家用电器，应用范围相当广阔，并且还将继续扩大，在日本100KVA的各种变频器销售量在1988到1993车五年内多数增加了一倍，在我国亦可看到这种销售势头。 耗电大、生产环境恶劣的行业对推广变频技术尤具有积极性，虽然要初次投资，但是一