汪學峰

（中國石化集團公司九江石油化工總廠，江西 九江 332004）

石油化工行業(yè)具有高溫高壓、易燃易爆、連續(xù)性生產(chǎn)等特點，電動機作為主要的動力設備，在石油化工、石油天然氣、化學工業(yè)、煤礦、冶金等行業(yè)得到廣泛應用，通常用于驅(qū)動泵、風機、壓縮機和其他傳動機械。電動機節(jié)能潛力巨大，目前我國已經(jīng)研制開發(fā)了各種類型防爆電動機變頻調(diào)速產(chǎn)品。

2002—2011年，中國石化股份有限公司九江石化公司作為煉油、化肥、化工一體化的國有大型煉油化工聯(lián)合企業(yè)，對具有節(jié)能潛力的風機、泵和壓縮機配套的驅(qū)動電動機進行變頻調(diào)速節(jié)能改造。公司在煉油、化工、化肥等生產(chǎn)裝置的防爆電動機上，廣泛使用了富士、東芝、西門子、三菱、ABB等各種型號的變頻器，先后對化肥氣化爐渣油進料泵、液氨輸送泵、常減壓加熱爐鼓風機、催化解析塔進料泵、延遲焦化溶劑泵、原油輸送泵等重要生產(chǎn)裝置機泵的電動機進行了變頻調(diào)速節(jié)能改造，均取得了較好的節(jié)能效果。

實踐證明，應用變頻調(diào)速節(jié)能技術控制風機、泵類負載是一種先進、科學的控制方法。利用變頻器內(nèi)置的PID（Proportion Integration Differentiation）控制器調(diào)節(jié)軟件，可以根據(jù)工藝負荷精確地自動調(diào)節(jié)電動機輸出頻率和轉(zhuǎn)速，保持恒定的壓力、流量和液位，滿足生產(chǎn)裝置工藝系統(tǒng)要求的壓力。實際應用證明，當電動機在額定轉(zhuǎn)速的80%下運行時，節(jié)能效率可以達到40%。變頻調(diào)速器還可以實現(xiàn)大型防爆電動機的軟起動和軟停機，避免了電動機起動電流對電力系統(tǒng)的沖擊，不僅減少了電動機、機泵和閥門設備的故障率，延長其使用壽命，而且節(jié)約電能效果顯著，從而實現(xiàn)了電動機、風機、泵類設備的經(jīng)濟運行。變頻調(diào)速節(jié)能原理矢量圖［1］圖1所示。

圖1 變頻調(diào)速節(jié)能原理矢量圖

2002—2011年，企業(yè)投入資金5000多萬元用于風機、水泵變頻調(diào)速節(jié)能技術改造，平均投資回收期約2年。截至2010年12月，已投入運行的變頻調(diào)速器有485臺，總裝機容量達到16MW。若按每臺設備平均節(jié)電率40%計算，則每年至少可節(jié)約電能42GW·h，每年僅節(jié)約電費一項就達2500多萬元，節(jié)約設備維修費、材料費100多萬元。

本文介紹了變頻調(diào)速節(jié)能技術在本企業(yè)煉油、化肥、化工等主要生產(chǎn)裝置防爆電機上的應用。

1 在氣化爐渣油進料泵防爆電機上的應用

渣油進料泵 A－GA101（設備位號）是本企業(yè)3×105t／a合成氨裝置的重要設備，其作用是將減壓渣油、脫油瀝青等原料輸送到氣化爐。渣油進料泵的驅(qū)動電動機為德國西門子電動機，技術參數(shù)如下：電機功率P＝75kW，轉(zhuǎn)速n＝2982r／min，額定電壓U＝380V，額定電流I＝140A，額定出口流量Q＝28.52m3／h。原采用儀表控制系統(tǒng)，通過控制出口閥門的方法控制介質(zhì)流量，即將差壓變送器檢測流量信號送至PID調(diào)節(jié)器，由PID調(diào)節(jié)器輸出控制信號來控制出口調(diào)節(jié)閥的開度，從而控制出口介質(zhì)流量，以保持流量穩(wěn)定。

原系統(tǒng)運行中存在以下問題：儀表控制系統(tǒng)信號滯后，調(diào)節(jié)閥故障率高，控制精度低，出口介質(zhì)流量波動大；出口閥門的節(jié)流量較大，接近泵額定流量的50%，浪費了大量的電能；電機運行時產(chǎn)生機械振蕩，且振動值一直較高；電動機一直在額定轉(zhuǎn)速工作，出力不變，消耗電能；電動機運行噪聲較大；泵和管線閥門承受的壓力較大，經(jīng)常造成機封損壞，導致介質(zhì)泄漏；設備故障率高，經(jīng)常造成泵打不上量，嚴重影響了渣油進料泵長周期運行和化肥裝置安全、平穩(wěn)生產(chǎn)。

2009年6月，利用化肥裝置停工檢修的時機，選用西門子公司成套變頻設備，對3臺渣油進料泵（2臺運行、1臺備用）的防爆電動機進行變頻優(yōu)化節(jié)能改造。投入運行后，工藝控制平穩(wěn)。由于變頻器的高精度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)信號有高速傳遞性，減少了以前儀表控制系統(tǒng)信號滯后現(xiàn)象，解決了由于調(diào)節(jié)閥故障率高給生產(chǎn)帶來的影響。變頻調(diào)速系統(tǒng)控制精度高，工藝運行指標得到了優(yōu)化，出口閥全開，電動機降速運行，管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，減少了工藝設備的泄漏，降低了機泵磨損和電機溫升，機泵故障率大幅降低［2］。

經(jīng)變頻優(yōu)化改造后，節(jié)能效果顯著，節(jié)電率達到70%。按年運行8000h計算，2臺渣油進料泵年節(jié)約電量＝節(jié)電率×電動機工頻功率×工作時間×臺數(shù)＝70%×75kW×8000h×2臺＝840000kW·h

節(jié)約電費＝節(jié)電量×電價＝840000kW·h×0.6元／（kW·h）＝50.4萬元

該項目投資75萬元，投資回收期約1.5a。

用變頻器代替儀表調(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，系統(tǒng)實現(xiàn)了軟啟動，減小了電機啟動時大電流對電網(wǎng)的沖擊。2009年7月—2011年4月，變頻器運行可靠，自動化程度高，渣油進料泵流量控制精度高，可充分滿足生產(chǎn)需要，節(jié)能效果顯著，取得了良好的經(jīng)濟效益。

2 在加熱爐鼓風機防爆電機上的應用

加熱爐鼓風機是企業(yè)5×106t／a常減壓蒸餾裝置加熱爐煙氣回收系統(tǒng)的重要設備，風機電機輸出功率為185kW，原設計是通過調(diào)節(jié)風門擋板實現(xiàn)風量調(diào)節(jié)，設備運行能耗長期居高不下。

加熱爐鼓風機原設計方案負載是根據(jù)滿負荷工作需用量來設計選型，留有10%以上的富余量。但隨著常減壓蒸餾裝置加工量、物料性質(zhì)等工況的變化，實際需求功率也產(chǎn)生變化，流量、壓力等工藝參數(shù)經(jīng)常隨工況的改變而改變。實際應用中，加熱爐鼓風機大部分工作時間并非處于滿負荷運行狀態(tài)，原來的電機恒速和機泵恒壓恒流設計則導致電能浪費；傳統(tǒng)方法是通過調(diào)節(jié)出口或入口的擋板、管路閥門及調(diào)節(jié)閥開度來調(diào)節(jié)流量、壓力等工藝參數(shù)，定速機泵輸出功率被工藝物流吸收作有用功的僅占30%～40%，而60%～70%的電能消耗在擋板、閥門節(jié)流壓降上，造成極大的電能損失和浪費［3］。按年運行8760h計算，原設計1臺鼓風機每年消耗電能1.62GW·h，電費高達97萬元。

為提高加熱爐煙氣回收系統(tǒng)工藝自動化控制水平，使控制方案與實際負荷相匹配，節(jié)約電能，提高經(jīng)濟效益。2009年3月，企業(yè)在煉油裝置停工檢修期間對加熱爐鼓風機的防爆電機進行變頻節(jié)能改造，采用風機變頻調(diào)速系統(tǒng)取代低效率、高能耗的風門擋板節(jié)流控制，以提高加熱爐煙氣回收系統(tǒng)的效率。

選用日本東芝公司專用于平方減轉(zhuǎn)矩負載的A5P系列變頻器。該變頻器采用最新智能絕緣柵雙極晶體管模塊和東芝獨特矢量運算控制，具有良好的技術性能，主要特點包括：① 電流限制功能。當機泵超過負荷時，通過抑制轉(zhuǎn)矩來限制過電流，使變頻器不跳閘，機泵繼續(xù)運轉(zhuǎn)。② 電壓反饋控制功能。當電源電壓變化時，可瞬時補償輸出電壓，保證變頻器穩(wěn)定運行。③ 加、減速功能。根據(jù)負荷狀態(tài)自動調(diào)整最合適的加、減速時間，方便設備調(diào)試。④自動節(jié)電運行方式功能。在確保負荷所需轉(zhuǎn)矩的條件下，將電流降到最小，自動節(jié)電運行。⑤ 內(nèi)置工頻／變頻切換時序電路，保證石油化工流程工業(yè)裝置生產(chǎn)的連續(xù)性和可靠性，可以方便切換、互為備用。

2009年4月—2011年4月，加熱爐鼓風機經(jīng)過變頻節(jié)能改造投用兩年來，變頻調(diào)速器操作安全平穩(wěn)，具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動保護功能，實現(xiàn)了風量、風壓閉回路自動調(diào)節(jié)控制。驅(qū)動電機可以實現(xiàn)軟起動和無級調(diào)整轉(zhuǎn)速，消除了防爆電動機起動時6倍的沖擊電流，避開了機械共振點，風機運行的振動值大幅降低，避免了鼓風機運行時的機械振蕩，大大降低了設備故障率，延長了機械負載的運轉(zhuǎn)壽命，減輕了設備維修工作量，節(jié)能效果明顯。

由于變頻器運轉(zhuǎn)方式靈活多樣、操作方便，操作人員只需調(diào)節(jié)變頻器面板上的電位器旋鈕即可手動調(diào)整風量，也可以完全實現(xiàn)自動控制，并且可與加熱爐煙氣回收系統(tǒng)自動控制裝置進行電氣、儀表聯(lián)鎖，實現(xiàn)加熱爐的自動保護及計算機控制，不會因鼓風機突發(fā)故障影響裝置安全生產(chǎn)。根據(jù)工藝負荷，自動調(diào)節(jié)鼓風機電機輸出頻率在約20Hz時運行，電機運行時電流由原來的220A降至90A，可滿足常減壓蒸餾裝置2臺加熱爐的供風量，該臺設備節(jié)電效率達到60%。據(jù)測算，每年可節(jié)約電費約60萬元，該項目投資80萬元，投資回收期約1.3a。

3 在液氨輸送泵6kV高壓防爆電動機上的應用

液氨輸送泵 T－GA101A（設備位號）是九江石化3×105t／a合成氨裝置的關鍵設備，將生產(chǎn)的液態(tài)合成氨輸送到8000m3氨罐儲存，該泵采用富士高壓電動機，機泵技術參數(shù)：電動機功率P＝160kW，轉(zhuǎn)速n＝2975r／min，額定電壓U＝6kV，額定電流I＝220A，介質(zhì)密度ρ＝675.6kg／m3，出口流量Q＝91.4m3／h，無負偏差，進口壓力Pin＝0.01～0.08MPa，進口溫度t＝－33℃，出口壓力Pout＝2.6MPa，額定揚程h＝362m。

液氨輸送泵為立式離心泵，采用機械密封。由于電動機長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)，負載波動大，電動機運行時產(chǎn)生機械振蕩，振動值一直較高，加之液氨腐蝕性較強，經(jīng)常造成機封損壞出現(xiàn)氨泄漏，液氨又很容易吸熱氣化，造成泵體氣蝕打不上量。設備故障率高，維修工作量大，機泵2～3個月就要停機檢修、更換機封，影響了設備長周期運行和裝置安全、平穩(wěn)生產(chǎn)。

2008年9月，九江石化公司對液氨輸送泵防爆電動機進行變頻節(jié)能改造，采用日本富士6kV／160kW的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)自動控制電動機轉(zhuǎn)速，以控制介質(zhì)流量，使機泵出口閥處于全開狀態(tài)，且揚程與管網(wǎng)阻力特性曲線相吻合，電動機降速運行，電流明顯降低。改造后，氨輸送泵及驅(qū)動電動機各項運行參數(shù)都在正常范圍之內(nèi)；電動機實現(xiàn)了軟起動，減小了大電機起動時對電網(wǎng)的沖擊；電動機軸承運行溫度不超過60℃，振動、軸位移符合相關技術標準要求；機泵運行時的機械振蕩、振動值大幅降低，軸承等機械部件磨損減少，避免了泵的抽空現(xiàn)象；泵端面密封系統(tǒng)不易損壞，有效延長了機泵軸承、機械密封等易損件的使用壽命，減少了工藝設備的泄漏；機泵故障率大幅降低，提高了設備運行的安全性和可靠性，設備維護工作量減少［4］。2008年10月～2011年4月，液氨輸送泵運行2年多來，只進行了常規(guī)中修，實現(xiàn)了機泵的長周期運行。

此外，變頻調(diào)速器的加速和減速時間可根據(jù)工藝要求調(diào)節(jié)，機械特性硬，調(diào)速性能極好。液氨輸送泵變頻閉環(huán)自動控制時，還可用原有的儀表信號，能滿足化肥生產(chǎn)裝置長周期、連續(xù)生產(chǎn)等各種嚴格的工藝技術要求。

液氨輸送泵變頻調(diào)速節(jié)能技術改造獲得了良好的節(jié)能效果，節(jié)電率達到60%，年節(jié)電超過500MW·h，該項目投資100萬元，投資回收期約3a。為煉油化工生產(chǎn)裝置應用推廣6kV高壓電機變頻節(jié)能技術積累了經(jīng)驗，使之成為石油化工企業(yè)節(jié)能降耗的亮點。

4 建 議

雖然，目前變頻調(diào)速技術已在石油化工工業(yè)的不同領域、不同深度得到了推廣和應用，特別是九江石化公司等一批領先的石油化工企業(yè)，已實現(xiàn)了變頻調(diào)速技術的初步普及，且取得了良好的節(jié)能效果。但是，變頻調(diào)速節(jié)能技術應用得還不夠廣泛，潛力仍然巨大。對此，筆者認為應抓好以下幾個環(huán)節(jié)的工作。

（1）成套設備制造環(huán)節(jié)。要根據(jù)石油化工行業(yè)特點的需要，研發(fā)制造成套變頻設備，在電力拖動系統(tǒng)大力推廣和應用變頻技術，進一步優(yōu)化和完善系統(tǒng)配置，取得理想的節(jié)能降耗效果，達到提高企業(yè)經(jīng)濟效益的目的。

（2）工程設計環(huán)節(jié)。堅持同時設計、同時制造、同時訂貨、同時施工、同時投用的“五同時”原則，推進變頻節(jié)能技術的推廣普及。

（3）工業(yè)應用環(huán)節(jié)。積極推廣應用變頻節(jié)能技術，使其成為石油化工行業(yè)機泵電力控制的主要技術之一，對具有節(jié)能潛力的風機、泵和壓縮機配套的驅(qū)動電動機進行變頻調(diào)速節(jié)能改造，實現(xiàn)節(jié)電降耗的目的。

（4）技術研發(fā)環(huán)節(jié)。根據(jù)石油化工行業(yè)和其他行業(yè)的需求，進一步開發(fā)、豐富變頻調(diào)速技術與產(chǎn)品，使之系列化、標準化、高技術化，為石油化工企業(yè)提供更好的變頻器和成套技術系統(tǒng)。

5 結 語

石油化工行業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，同時也是高能耗、高污染行業(yè)。多年來，在政府大力提倡、鼓勵和支持企業(yè)推廣高新技術實現(xiàn)節(jié)能減排目標，并在資金上給予了很多優(yōu)惠政策，為石油化工等高能耗行業(yè)節(jié)能降耗改造開辟了新的途徑。

變頻調(diào)速技術以其顯著的節(jié)能效果，安全、易控，優(yōu)質(zhì)、無級、平滑調(diào)速，高精度控制工藝參數(shù)，投資回收期短等優(yōu)勢，可以滿足大型石油化工裝置安全穩(wěn)定、長周期、連續(xù)運行的生產(chǎn)需要，越來越廣泛地應用在石油化工行業(yè)的多種與工藝設備配套的電力拖動設備中，是石油化工等高能耗行業(yè)挖潛改造、節(jié)能降耗、降本增效的有效途徑，是石油化工工業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需要，必將成為石油化工電力拖動的中樞設備。

［1］張燕賓.變頻器應用教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［2］陳 偉.機泵選用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2009.

［3］趙全慶.變頻調(diào)速技術在煉油廠節(jié)能改造設計中的應用［J］.石油化工設計，2006，23（3）：38－40.

［4］劉軍祥.高壓變頻器應用環(huán)境的研究與分析［J］.變頻器世界，2010（8）：75－78.