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        108 m3聚合釜采用低壓變頻器調速的可行性和效益分析

        2019-01-26 04:04:48耿慶魯于張燕
        中國氯堿 2019年4期
        關鍵詞:變頻器

        耿慶魯,于張燕

        (德州實華化工有限公司,山東 德州 253007)

        1 108 m3聚合釜技術特點

        采用8臺帶有釜頂冷凝器的聚合釜,配套外夾套伴管,夾套換熱面積為91.5 m2,釜頂冷凝器換熱面積為200 m2,大部分反應熱由釜頂冷凝器移出。該釜采用釜底低攪和高攪切換(280 kW/70 kW)運行,不僅有效節(jié)約電能,還可以減輕入料時泡沫的產生,并降低攪拌剪切力,保護攪拌器。該攪拌為二層三葉平槳攪拌,直徑為1 700 mm。該工藝循環(huán)水系統(tǒng)開車前經酸洗預膜處理,且日常加藥調水質,有效地保證了循環(huán)水水質,確保了換熱效果,再加上該釜強大的換熱系統(tǒng)—釜頂冷凝器、釜外壁半圓管式夾套、6組內冷管、釜上下封頭整體夾套,可完全滿足整個反應的換熱要求。

        采用冷水和熱水交叉入料方式,加冷水的同時加入分散劑,然后再加入引發(fā)劑,接著加單體,最后加入設定量的高溫熱水;也可在加入設定量單體的同時加入熱水,使單體和熱水的入料同時完成。

        108 m3聚合釜備有緊急事故終止劑加入罐,且保壓1.3 MPa以上,以確保反應異常時能及時加入;釜底攪拌除配有高低速電動機外,還配有氣動馬達和工藝空氣儲罐。遇緊急情況,可加入緊急事故終止劑,然后啟動氣動馬達。

        2 108 m3聚合釜工藝流程

        (1)涂釜操作。密閉入料涂釜時,根據設定的程序和時間,首先進行液封排水,然后啟動真空循環(huán)泵,同時開高攪,涂釜蒸汽經排液后與涂釜液混合,通過噴嘴均勻噴入釜中。通過真空泵釜底、釜頂切換打循環(huán),可使涂釜均勻無死角。開蓋入料涂釜時同樣開高攪,但不開涂釜真空泵。整個過程中需注意攪拌功率,并觀察排水時是否見水。

        (2)加水操作。開蓋入料時需先抽真空使釜內壓力達-0.08 MPa后再加水,先開低攪,根據設定料位低攪和高攪自動切換,同時開啟釜底、釜頂注水。去離子水從釜底入料,同時加入分散劑,當達到配方設定值時,通過氮氣管線進行氮氣鼓泡,置換釜內空氣,達設定量時關閉。密閉入料時同樣先啟動攪拌并注水,加去離子水到設定量,同時加入設定量的分散劑。

        (3)引發(fā)劑入料。準確計量的2種引發(fā)劑經加入泵直接由入料管線進入聚合釜。DCS按設定程序對計量罐進行多次沖洗,最后一次沖洗后,當計量罐質量下降到規(guī)定值時,加入完成。

        (4)單體入料。單體加入量達到設定值時,釜頂開始充入設定量的氮氣,同時開啟引發(fā)劑管線注水、涂釜管線注水和釜頂冷凝器注水。單體加入量達設定值時,加料完成。

        (5)熱水入料。通過冷水加入管線加入設定量的熱水,加入完成后,把管線內的熱水置換回熱水槽。加完后,釜內溫度一般可達聚合要求溫度,如相差較大,可采用夾套升溫。

        (6)正常反應。冷水系統(tǒng)自動調節(jié)釜溫,當反應達設定時間,釜頂開始間歇排氮氣,直到釜頂冷凝器換熱達設定值。各管線注水量按設定量正常加入。

        (7)出料。當釜內壓力低于設定值時,可根據物料型號決定是否自升溫,如需自升溫,完畢后可自壓出料,不能出料則加入終止劑。出料前視型號加入消泡劑。出料時攪拌切到低攪,由出料管線加入中和劑和添加劑。當釜壓降到設定值時,自動開啟出料泵,釜內按程序進行一次回收,且對釜頂冷凝器和分散板進行多次沖洗。出料完成后,沖洗出料管線。

        3 變頻器具有多種功能

        (1)通過調節(jié)頻率,改變電機轉速,達到節(jié)能效果。

        (2)對運行中的電機進行力矩調整,大幅度降低功率消耗。

        (3)可根據產品的工藝要求,對電機進行閉環(huán)控制,使電機始終工作在高效節(jié)能狀態(tài)。

        (4)降低機械磨損,齒輪箱的損耗,降低油溫,從而延長齒輪和密封件的使用壽命。

        (5)變頻器自身有著超強的保護性能,當出現過流、過壓、過載、欠壓等系列問題,變頻器都會瞬間進行保護,停止輸出,從而保護負載免遭損害。

        (6)變頻器啟動電流平緩,可減小啟動沖擊電流,避免了對電網的沖擊。

        (7)變頻器運行時的功率因數可達到0.94,不消耗過多的無功功率,節(jié)能效果好。

        4 聚合釜攪拌電機采用變頻器的必要性

        攪拌的轉速對于懸浮液的流場的狀態(tài)起到至關重要的作用,攪拌轉速越高,流場的混合和剪切就越強,但轉速太高將會導致電力浪費。懸浮液體系隨著聚合反應階段的不同,黏度逐漸變大,所需要的攪拌強度也應該逐步加強。根據反應原理,聚合釜選用變頻器控制攪拌的轉速,在不同反應階段,控制不同的攪拌轉速,達到聚合反應的最佳效果,并且可以節(jié)約電能消耗。

        由于聚合釜攪拌電機的功率較大,功率在300kW左右,是PVC生產裝置中耗電量較大的設備,并且在聚合的不同階段其運行電流變化較大,因此,給聚合釜攪拌電機增加變頻器來調節(jié)輸出功率,避免長時間出現“大馬拉小車”的現象,節(jié)電效果明顯。

        (1)節(jié)能。

        采用變頻器控制,滿足工藝要求的前提下達到最大限度的節(jié)能,達到了自動調速控制功能。

        (2)可靠。

        由于降速運行和軟啟動,獲得良好的轉矩,改善機械運行的性能。減少了振動、噪音和磨損,延長了設備維修期和使用壽命,提高了設備平均故障維修時間值,減少了對電網沖擊,提高了系統(tǒng)的可靠性。

        (3)安全。

        系統(tǒng)具有各種保護措施,使系統(tǒng)的運轉率和安全可靠性大大提高。

        (4)變頻器維護中旁路可正常運行。

        變頻調速閉環(huán)控制系統(tǒng)與工頻控制系統(tǒng)互為互鎖,不影響原系統(tǒng)的運行,且在變頻調速閉環(huán)控制系統(tǒng)檢修維護或故障時,原工頻控制系統(tǒng)通過旁路照樣可以正常運行。

        5 高壓電機和低壓電機帶變頻器的對比

        (1)設備投資

        采用10 kV高壓電動機,并設置280 kW/70 kW雙速電動機,高壓柜需1面斷路器柜和2面高壓接觸器切換柜。采用380 V低壓電機,用變頻器調速,低壓柜需1面變頻器柜和1套旁路啟動的軟啟動柜。再考慮到高壓電纜的投資,采用低壓電動機用變頻器調節(jié),與采用高壓電機相比,可節(jié)約12萬~18萬元。

        (2)節(jié)能比較

        采用10 kV高壓電動機,沒有明顯的節(jié)能效果,只是可以提高10 kV功率因數,可以減少10 kV電流的電能輸送消耗。而采用380 V低壓電機,用變頻器調速,功率因數可達到0.94,可減少低壓電流輸送中的電能消耗。同時,根據攪拌電機的運行狀況,可以方便調低運行轉速,降低電機功率消耗,節(jié)能效果顯著。

        (3)運行安全比較

        采用280 kW/70 kW雙速10 kV高壓電動機時,當高速攪拌切換低速攪拌時,需高壓開關柜進行切換,3面高壓柜的故障,直接影響攪拌電機的運行。每一批料反應過程是高攪涂釜30 min,低攪進料10 min,高攪反應5 h,低攪出料1 h。在高壓電動機運行過程中進行切換,屬于熱態(tài)啟動,直接啟動電流較大,因繞組過熱對高壓電機繞組的損害較大,甚至造成高壓電機燒毀。

        采用380 V低壓電機,用變頻器調速,一般電機在低于額定負荷狀態(tài)下運行,在高速攪拌向低速攪拌切換時,無需重新啟動,只需調節(jié)變頻器的頻率,改變輸出電壓,即可調節(jié)攪拌電機的速度,安全性較高。

        6 效益分析

        (1)節(jié)電分析

        因攪拌電機消耗功率與電源頻率的3次方成正比。例如,將供電頻率由50 Hz降為40 Hz,則P40/P50=(40/50)3=0.512,即P40=0.512P50(P為電機軸功率)。

        聚合釜在PVC生產過程中,每一批料反應時間是:高攪涂釜 30 min,低攪進料 10 min,高攪反應5 h,低攪出料 1 h。

        高壓雙速電機帶動攪拌的轉速,高攪為125r/min,低攪為62.5 r/min。設定電機功率280 kW,減速比為11,攪拌額定轉速為136.4 r/min。高攪和低攪為滿負荷運行,高攪280 kW,低攪70 kW。

        當采用變頻器后,高攪時速率為125 r/min,低攪時速率為62.5 r/min。全天按生產3聚合釜PVC考慮。

        高攪涂釜T1為0.5 h,速率125 r/min P1=0.5(125/136.4)3280=0.5×0.84×280=117.6

        低攪進料T2為0.167 h,速率62.5 r/min P2=0.167(62.5/136.4)3280=9.8

        高攪反應T3為5 h,速率125 r/min P3=5(125/136.4)3280=5×0.84×280=1 176;

        低攪出料T4為1 h,速率62.5 r/min P4=1(62.5/136.4)3280=58.8;

        全天用電量 W1=3×(P1+P2+P3+P4)=3 ×(117.6+9.8+1176+58.8)=4 086.6(kW·h);

        當采用高壓電機時:W2=3×(0.5×280+0.167×70+5×280+1×70)=4 865.1(kW·h);

        當采用變頻器后,全天節(jié)電量W=W2-W1=4865.1-4 086.6=778.5(kW·h);

        8臺聚合釜全年節(jié)電量

        W總=8×W×365=2 273 220(kW·h)。

        每度電按照0.6元計算,全年可節(jié)約成本:

        2 273 220×0.6=136.393 2(萬元)。

        實際上,當聚合反應溫度和壓力穩(wěn)定后,在高攪反應后期,可以適當較低攪拌速率,節(jié)能效果更佳明顯。

        (2)提高系統(tǒng)效率

        采用變頻器驅動之后,反應釜攪拌機電機與減速器之間是直接硬聯(lián)接,中間減少了液力偶合器這個環(huán)節(jié)。而液力偶合器本身的傳遞效率不高,并且液力偶合器主要是通過液體來傳動,而液體的傳動效率比直接硬聯(lián)接的傳動效率要低許多,因而采用變頻器驅動后,系統(tǒng)總的傳遞效率要比液力偶合器驅動的效率要高5%~10%。

        (3)降低維修率,提高了電網的安全運行

        如果為了到達工藝要求采用機械方式調速,增大攪拌機的損耗,同時會使攪拌機工作在波動狀態(tài)。采用變頻器驅動之后,避免了工頻啟動對齒輪箱的沖擊,減少了齒輪箱的損耗。由于軟啟動方式啟動時,電流平緩,可減小啟動沖擊電流,避免了對電網的沖擊。

        (4)提高產品質量和生產效率 通過變頻器的無級調速,逐漸提高和降低攪拌速率,可以改善了生產工藝條件,使化學物質反應條件達到最佳狀態(tài),縮短反應周期大大提高了物料的反應效果。

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