变频技术在石化设备的应用分析

摘要 针对石化设备的特点，分析了设备应用变频技术后的节能效果，以催化裂化装置为例，对变频系统出现的问题提出了解决方案。
关键词 石化 设备 变频 催化裂化 节能
中图分类号 TE964 文献标识码 B

    石化企业80％的电耗用于机泵电机驱动，近年来，中石化济南分公司通过应用电机变频调速技术，取得了良好的节电效果和经济效益。
    一、节能分析

   以离心泵为例，管路流程见图1，管径相同的吸入、排除管路串联输送液体，所需的能量（机泵有效扬程H）用伯努利方程表示为：
    H=△p/γ+△Z+h                              (1)
    △p= p_b—p_a                                 (2)
    △Z=Z_b—Z_a                                  (3)
    h=KQ²                                       (4)
式中 p_a一吸液罐液面压力，MPa
     p_b—排液罐液面压力，MPa
     △p—吸、排液罐液面压力差，MPa
     Z_a—吸液罐液面至泵轴中心线距离，m
     Z_b一排液罐液面至泵轴中心线距离，m
     △Z一液体举升高度，m
     γ一液体重度，kgf/m³
     △p/γ+△Z一静扬程
     h—液体流经管路时的总流动损失，m
     K—管路特性系数，与管路长度、截面积、各种阻力系数等有关
     Q—管路中液体流量，m³/s
    实际生产过程中，静扬程与Q无关，基本不变。对于相同工况，随着静扬程减小，H亦变小，H中克服总流动损失h的能头比例将增大，设备变频调速的节电效果明显，典型工艺流程如塔中段循环回流泵和多数塔顶冷回流泵等，均具有泵吸、排液面压力及液面高度相当的特点(p_a≈p_b、Z_a≈Z_b)，即△p/γ+△Z →0，低负荷时，变频调速后节电率一般为60%~70%，个别泵甚至超过85%。对于工作在吸、排液面压差大或位差大工艺流程的设备，设备变频调速的节电效果则不明显，如高中压过程的机泵，由于△p/γ+△Z >h，即使在低负荷下运行，H中静扬程所占比例也较大，变频调速后节电率通常小于30%。
    二、应用对比
    企业1998年、2001年对140万t/a催化裂化装置中的12台机泵增加了变频调速控制系统，液体流量由调节阀控制改为转速控制，调节阀开度增大或全开，泵出口压力大幅下降，电机电流、电压均有不同程度的改善，见表1。

    从表1看到，由于P103/1、P204/2、P206/2、P302/2、P303的△p/γ+△Z值较小，因此节能效果明显。在变频调速系统中，出口阀不再节流，管路特性曲线h—Q相应趋缓（K值变小），使得机泵在转速降低时，新工作点流量能够大于原工作点流量(QB1>QA1)，见图2。

    以P103为例，实际生产中催化裂化装置需要大掺渣比和大剂油比，外取热器取热负荷大幅度提高，正常发汽量达40~55t/h，需要2台泵P103/1、2 (H=77.4m、Q=400m³/h)同时运行才能满足循环倍率8~10的要求。变频调速后，循环倍率由人工控制节流阀改为DCS控制，只需1台泵运行（P103/1）即可达到循环流量，P103/1变频控制后最大安全流量将近700m³/h，电流仅为193A，低于电机额定电流，机泵密封的使用寿命超过1年，提高了设备运行可靠性。
    三、应用中的问题
    1．阀门的调节
    在泵控制回路中，调节阀C处的管路一般存在缩颈和阀自身的节流压降，尽管投入变频系统后可将调节阀全开，但依然存在部分节流损失。对于出口为单回路的机泵（P204/2、P206/2等），设备正常运行时将调节阀的副线阀D全开，可进一步减少节流损失。而多回路的机泵(P301/1、P308/2)，由于回路管路特性不同，互相影响，设备运行中不可能将调节阀D、d完全打开，需要在操作中不断调节优化，在降低电机转速的同时尽可能加大调节阀开度，降低节流损失，见图3。

    2．电机保护
    管路特性曲线只要发生趋缓变化（管路阻力变小），则无论是否应用变频调速，在调节流量过程中均要注意流量上限或机泵负荷的问题。图2中，机泵在管路特性曲线R1（阀门节流）下运行，变频器可以在0~50H，范围内连续调整，不会引起电机过负荷但实际应用变频系统时要将节流阀全部打开，管路特性曲线由R₁变为R₂，根据流体力学理论，Q∝n，H∝n²，N∝n³，当电机运行接近额定转速n_N时，变频器、电机负荷N将大幅度增加，导致变频器过流保护，因此要注意变频器调整的频率上限，避免电机过负荷。例如标定P103/1当前最大安全运行上限：输入信号85%、42.5Hz、电压304V、电流190A、流量710m³/h (P103额定功率1l0kW，额定电流205A）。另外，水泵、电机、变频器的效率会随电机转速改变而变化，当离心泵转速偏离额定转速较大时，效率下降，实践表明电机在相对转速低于25%、变频器在电机相对转速低于50％时，效率下降很快，因此从效率角度考虑，变频调速的幅度应限制在一定范围。
    3．电流显示
    本例变频系统中的电流表沿用原电气回路的普通电流表，此类电流表针对工频正弦波电流设计生产，变频器输出侧电流波形存在畸变，已不是标准正弦波，因此普通电流表无法准确计量实际电流值，即使变频器输出50Hz电流，电流表显示值与变频器实际输出电流值也存在较大误差，若变频器工作在低频状态，误差会更大，见图4。通过技术改造可解决电流表指示偏差问题，用变频器AM的电流输出端口作为计量回路电流表的指示，现场和盘上选用1mA直流电流表，再经过设置、调试使现场电流表指示和变频器实际输出电流值完全吻合，以便用户根据电流表判断电机的运行负荷。

    4．变频器维护
    (1)参数设置。现代变频器功能强大，用户应根据设备特点和制造工艺合理配置参数，否则变频器的保护功能在设备运行过程中会频繁出现，影响生产的顺利进行。
    (2)散热。变频器故障率随温度升高成指数上升，由于夏季气温高、散热不良导致催化裂化装置中约95％的变频器动作保护，因此用户选择、安装变频器时应考虑散热问题，平时要定期清理变频器内部，采取有效的通风降温措施。