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变频调速技术在石化生产现场应用小结

发布人:深圳市优顺达电气有限公司 林东宇 发布时间:2008-12-25 16:19:10

摘要:介绍了炼油厂生产装置机泵应用变频调速技术的构成原理,阐述了变频调速装置现场工位的选择,并对实际应用中参数设置等问题进行了分析。
关键词:炼油生产装置变频调速技术现场工位参数设置体会
 
一、概述
  变频调速技术是一项节能“四新”(新工艺?新技术?新设备?新材料)技术。石化生产企业特别是炼油装置上应用变频调速技术已经非常普遍,在常减压、催化?加氢裂化?气分烷基化?重整加氢?延迟焦化?油品?供水等许多套装置的机泵上安装变频器后,经济效益极好,其主要表现为节电率较高,平均一年左右即可收回投资;同时,还有改善生产工艺?有利产品质量?降低机泵故障率及维修费用?减少工人劳动强度等综合效益。
  鉴于炼油厂现场机泵种类繁多,工艺流程不尽相同,因此,合理选择使用变频器的工位及控制目标量,有针对性地设置变频器运行参数,这直接影响到变频器的稳定运行及节能效益的大小。本文主要针对以上几个问题进行阐述。
二、机泵变频调速构成原理
· 离心式油(水)泵及风机

  

这类负载主要包括装置中的离心式油(水)泵?加热炉通风机?空冷风机等,与装置的仪表系统配合实现闭环自动控制,如图1。


  装置中介质的流量?液面?温度?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DC4-20mA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DC4-20mA信号转变为DC20-4mA信号。
  • 容积式机泵变频调速构成原理

  这类负载包括罗茨鼓风机和往复式气压机,原先是利用机泵出口气体的旁路控制阀组实现气体入口系统压力的自控。采用变频调速控制后,关闭气体出口旁路阀组,直接控制电机转速,根据气体负荷自动调节气体输送量,控制缓冲罐在一定安全压力范围,从而使气体入口系统压力参数恒定,如图2。
· 其他生产机械变频调速技术应用
  石化生产现场还有一些装置,如焦化装置桥式吊车等生产机械上也使用了许多变频器,主要是为了改善工艺?提高产品质量,同时大幅降低设备故障损坏率,减轻工人劳动强度,降低检修费用,有利于装置的安全稳定长期运行。
三、变频调速应用现场的选择和控制
  总的来说,炼油厂装置中使用变频器最多的负载是离心式油(水)泵及风机,但即使是同样性质的负载使用变频器后节电效果有较大差异,例如受泵的出口控制回路数量影响;同样的控制回路数量,因其工况及控制方式不同,加工负荷不同而产生不同的效果。现详细分析如下:
· 离心泵
· 单回路闭环自动控制

   单回路闭环自动控制变频运行节电率高,其原因是: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(控制阀相对副线阀缩径一个档次),其控制阀开启又不大,阻力降损失大。如某厂加氢裂化装置的航煤自控阀组(如图3),航煤泵P308/B工频运行时,控制阀开度约30%-50%,泵出口阀及出口管线为DN150,副线阀为DN100,控制阀为DN80。由此可见,该泵变频运行避免了工频运行时的节流压头损失,泵出口运行压力下降约38%-69%,电机实际电流下降约35%-68%,频率(转速)也大幅下降(低至15.7-35Hz),节电率达42%-76%。
  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。实际生产中测算,在一些装置的加工量达到或接近设计负荷时,上述泵变频运行节电率还有33%-55%。
  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太大,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。这些在生产中值得注意。
· 泵出口多回路闭环控制
  这里主要是打回流流控与出装置液控二种组合成多回路的离心泵。按四种情况分述如下:
· 介质打回流的流量远大于出装置流量,控制阀组后二管路系统静压头相当,并且比较小,此状况采用回流量作变频调速控制参数,相当于泵出口单回路控制工况,泵出口阀和副线阀可全开,变频较工频运行,泵出口压力降低幅度大,运行电流小,节电率高。
· 介质打回流的流量虽然大于液控出装置流量,但液控出装置回路压力降大,而回流回路压力降小,采用出装置液控参数指挥变频装置,也能得到很好的节电效果。
· 泵出口是多回路闭环自动控制,但各并列回路的介质流量均衡相等,管路系统的工艺操作压力均等且较小。这时可取任一回路的反馈量控制变频器,均衡控制各回路流量。
· 介质打回流的流量小于液控出装置流量,管路压力降相比也较小,但为了保证工艺参数要求,只好采用回流量作为变频器控制目标量,由于打回流回路仍存在一定程度的人为节流(控制阀组的副线阀开度不大),压力差小,因此电机运行频率下降的不多,这种情况节电率偏低。
· 通风机和空冷风机
  风机类负载基本上没有多回路控制的问题。通风机使用变频后入口蝶阀处于全开,根据工艺需要调节出口风压(或风流量);空冷风机的输出可随着油气冷却负荷的变化(油气流量及温度高低)?气温的变化而随时自动调节。这两种负载都具有较好的节能效果。
四、变频装置现场参数设置的注意问题
  通用型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,据我们观察,现场中许多变频器的参数仅属于“能够运行”,而并非是最佳,未经优化的参数甚至会使整个系统的效率下降,以下是几个常见问题:
· 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,变频器在启动和停止电机时所需时间不同,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,加减速时间都在两分钟以上甚至更长。这种观念的问题在于仅仅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(DC4-20mA)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震荡,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I参数则相对较长。这时如果加减速时间过长,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。
· 关于自动节能运行
  所谓自动节能运行,是指对于轻负载开环恒速运行,即输出频率一定的情况下,变频器可自动降低V/F曲线 ,即输出电压自动降低,以减少电动机的励磁电流和电动机损耗,使电机在电压和电流的乘积(功率)为最小的节能状态下运行。目前有很多品牌的通用变频器都具有这种功能。例如,日本富士电机公司FRN-P9S系列变频器在出厂时即将此参数设定为“有效”。
  但需要指出的是,此功能仅适用于离心式泵和风机等平方转矩负载;而对于往复式柱塞泵和空气压缩机等恒转矩负载,或者是负载经常快速变化的场合,使用此功能会出现许多问题。由于输出电压降低,电机输出转矩下降,电机电流大幅上升,致使变频器的电子热继电器动作;在负荷快速变化后,由于此功能跟随性差,所降低的电压并不能马上增补回来,往往使变频器在加速过程中提供不了足够的力矩,造成电流急剧上升,使变频器输出转矩计算值超过设定的转矩限制值,此时变频器将自动降低输出频率,使加速过程不能实现,导致变频器保护或整个控制系统延迟响应。因此,在使用此功能前一定要仔细区分负载的类型,做到分别对待。
· 变频器载波频率调整
  目前的低电压通用型变频器的逆变回路大多采用IGBT元件构成,IGBT元件具有开关速度快?损耗小?触发电路简单等优点。用于变频器上的IGBT元件,其载波频率一般设定在0.75-15KHz之间,通常这个数值是可调的。设定值小时,输出电流波形变差(高次谐波分量增加),电机有效转矩减少,损耗增加,温度增高;设定值大时,变频器自身损耗增加,温度上升,同时变频器输出电压的变化率dv/dt增大。见表1。
载波频率
电机噪音
输出电流波形
漏电流
发生干扰
dv/dt
很小
表1载波频率对变频运行的影响
  变频器输出电压的变化率dv/dt对电机绝缘有很大影响。dv/dt主要取决于两个方面:一是电压跳变台阶的幅值,它与变频器的电压等级和主电路结构有关;二是逆变器功率器件的开关速度,开关速度越高,dv/dt越大。
  许多品牌的低压变频器通常在出厂时将此载频参数设置为最大。然而,过高的载波频率不一定适合每个负载情况。因为现场使用中的低压变频器属于普通的二电平电压型变频器,相电压跳变台阶较大,达到直流母线电压,变频器输出多数未使用输出滤波器,且变频器至电机距离较长,大都在100米左右,由于线路分布电感和分布电容的存在,会产生行波反射放大作用,在参数适合时,加到电机绕组上的电压会成倍增加,对电机的绝缘(特别是F级绝缘以下的老式电机)构成很大威胁,甚至会烧毁电机。因此,现场中一定要对这个参数进行合理设置。确保高效安全运行。
五、结论与体会
· 变频装置应用的选择:
· 对泵出口单回路自动控制的离心泵,出口压力与控制阀后管路工作压力之差大的应优先应用,并优先选用大功率机泵。
· 对泵出口多回路闭环自动控制的离心泵应谨慎选取工位,确定控制目标量,确保好的节电效果。
· 加热炉通风机和空冷风机使用变频器效果好,宜实现闭环自动控制,更好发挥设备作用。
· 变频器现场设定参数要具体问题具体分析,配合整个装置的生产情况分别处理,使控制系统性能达到最佳,不搞一刀切。
· 变频调速机泵节电率高,投资回收期短,一般为1-2年。在新建或扩建生产装置时应做到设计?安装一次完成,达到节能增效目的。
参考文献:
1. 富士变频器FRENIC5000 G9S/P9S使用说明书日本富士电机公司

 

 
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