变频器在炼油厂中的应用
导语：阐述了电机变频调速技术在炼油企业中的水泵、油泵、风机上的应用，收到了良好的节电效果，一般节电在30%以上。变频调速技术可靠，利于安全、环保及延长电机的使用寿命，可广泛应用于炼油行业。
摘 要：阐述了电机变频调速技术在炼油企业中的水泵、油泵、风机上的应用，收到了良好的节电效果，一般节电在30%以上。变频调速技术可靠，利于安全、环保及延长电机的使用寿命，可广泛应用于炼油行业。 关键词：变频器；炼油厂；节电 近几年来，随着电子技术的迅猛发展，变频调速技术的日益成熟，变频器价格的相对下降，节电‘效果明显，使得变频器在炼油工业中得到了广泛的应用。国内较大炼油厂己在常减压、催化裂化、延迟焦化、酮苯脱蜡、糠醛精制、气体分馏等装置上不同程度地使用了变频器，均收到了40%～60%的节电效果。 我公司于20世纪90年代初，首先，在排水车间的污水提升泵上安了 FRNP7系列变频器，经过一年时间的运行，证明变频调速技术可靠，节电效果显著，可以推广应用，于是，又先后购进了40多台变频器，安装在常减压、催化裂化、气体分馏、气体储运、油品储运、锅炉、加热炉风机、供水泵上等。有的采用了闭环控制，有的采用了开环控制，均以转速调节流量，泵出口阀、调节阀全开，取得了较大的节电效果，全年节电可达400 ×10[sup]4[/sup]kW•h以上。 1 变频器的节电原理 1．1 变频器工作原理 变频器电路基本工作原理为：三相交流电源经二级管整流桥输出恒定的直流电压，由六组大功率晶体管组成逆变器，利用其开关功能，由高频脉宽调制（PWM）驱动器按一定规律输出脉冲信号，控制晶体管的基极，使晶体管输出一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，其幅值为逆变器直流侧电压 Vd而宽度则按正弦规律变化，这一组脉冲可以用正弦波来等效，此脉冲电压用来驱动电机运转，通过控制 PWM驱动器输出波形的幅值和频率，即可改变晶体管输出波形的频率和电压，达到变频调速的目的。 1．2 节电原理 在生产中，许多设备的能耗都与机组的转速有关，其中油、水泵最为突出，这些设备一般都是根据生产中可能出现的最大负荷条件，如最大流量和扬程进行选择的，但实际生产中所需的流量往往比设计的最大流量小的多，如果所用的电动机是不能调速的，通常只能通过调节阀门的开度来控制流量其结果在阀门上会造成很大的能量损耗，如果不用阀门调节，而是让电机调速运行，那么，当需要的流量减少时，电动机的转数降低，消耗的能量将会明显减少。 根据
可知，当转速下降1/2时，流量下降1/2，压力下降 1/4，功率下降为1/8，即功率与转速成3次方的关系下降。如果不是用关小阀门的方法，而是把电机转速降下来，那么随着泵的输出压头的降低，在输出同样流量的情况下，原来消耗在阀门上的功率就可以完全避免，这就是调速节电的原理所在。简单地说，就是在不装变频调速装置时，泵的出口排量靠出口阀调节，电机易过负荷，流量小时，靠关小阀门调节，增加了管道阻力， 使部分能量白白消耗在泵出口阀门上，安装变频调速器后， 可以降低泵的转速，泵的扬程也相应降低， 电机的电耗也相应降低，使原来消耗在泵出口阀上的能量， 用变频调速方法得到了解决。由于采用恒转矩特性， 变频降速后的电机转矩不变，拖动力矩恒定，可以保证排量，从而实现了节约电能的作用。 2 变频器的应用 2．1 变频器在水泵上的应用 我公司第一台变频器是用在污水提升泵上的，型号是FRN75-P74的日本富士产品。由于当时对变频器的性能，可靠性等并不十分了解，所以在污水提升泵上应用变频器属于试验性质的。第一台变频器投用后，电机工作电流下降了近50%，电机运行温度明显下降，机械磨损减少了，维护工作量也减少了，运行中发现，变频器各种保护功能可靠，消除了因电机过载或单相运行而烧毁电机的现象，确保了安全运行。 根据污水提升泵应用变频器的效果，我公司又在生活饮用水和生活热水泵上安装了变频调速器。饮用水和热水泵电机的功率分别是 55 kw 和 37kw，白天用水量大，需将泵的出口阀全打开，而夜间用水量较小，需适当关小出口阀，而关小出阀的后果是造成泵憋压，管网被憋漏的情况也时有发生，为了解决以上问题在饮用水和热水泵上分别安装了变频器，采用了恒压闭环控制方案。投用后，运行平稳，未出现任何故障，即解决了憋压问题又收到了较好的节电效果。 2.2 变频器在油泵上的应用 我公司共有各类油泵上百台，总装机容量为近万kw，其中，最大电机容量为500kw。在近几年的工艺改造过程中，为了适应今后生产发展的需要，泵和电机的富裕量都较大，以常减压装置为例，主要机泵的能力可以达到每年加工原油250×10[sup]4[/sup] t。而实际生产中，每年的实际加工量为（l00～140）×10[sup]4[/sup]t。调查结果表明，泵的功率消耗在泵出口阀和控制阀上为30%～60%。所以在油泵上应用变频器将有较大的节能潜力。 （l）变频器在炼油装置上的应用 根据变频在水泵上的应用效果及油泵的运行现状，首先选择了常减压装置的一、二中段回流油泵安装变频器。为了安全稳妥，控制采用了开环、闭环、调节阀控制可以互相切换的方案，投用后，效果明显。一中泵转速由2950r/而n降为990r/min，节电达35%，二中段泵转速由2950r/min降为650r/min，节电43%。运行结果表明，闭环控制方案更能发挥变频器的优点，该装置在以后安装的常顶及一、二、三线泵，减一线泵上的变频器均采用了闭环控制。大面积应用变频器以后，节电效果明显，全年节电约100×10[sup]4[/sup]kW•h。 重油催化装置设计加工能力80×10[sup]4[/sup]t/a，而实际加工量不足70×10[sup]4[/sup]t/a少血，机泵设计的富裕量也较大。该装置是我公司的耗电大户，为了降低装置电耗，先后在原料、回炼油、顶循环、吸收塔进料、液态烃外送泵上安装了变频器， 电节在 30%～ 60%，全年可节电80×10[sup]4[/sup]tkW•h。同时还解决了液态烃泵漏，故障较频繁等设备问题。 气体分馏装置于1994年11月建成并投产，设计加工能力为12×10[sup]4[/sup]t/a扩血，当时由于原料不足，加工量仅维持6×10[sup]4[/sup]t/a左右。尽管塔盘进行了堵孔，测量孔板进行了调整，可以维持生产，但是，按当时生产量，机泵过大，用控制阀调节，也不能维持正常生产。为了解决这一生产难题，在脱乙烷塔回流泵、精丙烯塔中间泵、精丙烯塔顶回流泵上安装了变频器，投用后，调节精度满足了生产要求，调节准确及时，操作平稳，产品质量合格，节电效果在30%～60%，年节电60×10[sup]4[/sup]tkW•h，达到了既解决生产难题，又节约了电耗的目的。 （2）变频器在油品储运系统上的应用 我公司每年都有（50～70） ×10[sup]4[/sup]t的汽、柴油出厂，为了提高装车速度，汽、柴油装车泵的电机容量都较大，均为132kw， 装车开始时，机泵可以满负荷运行，随着装车的不断进行，输送的油量需逐渐减少，泵出口阀逐渐关小，以调节流量，当装到最后几节车时，出口阀关至最小，造成泵憋压，以至于泵被憋漏，泵房内油气浓度严重超标，所以该泵房被公司列为重大安全隐患，为了解决这一矛盾，汽、柴油先后安装了变频器，投用后，电压，电流均有所降低，憋压现象消除了，流量调节灵活。员工在操作室内，根据站台上的装车情况及时调节流量，劳动强度也大大减轻了。 液态烃储运系统同样存在以上现象，先后在气分送料泵，叠合送料泵上安装了容量均为为 18.5kw 的变频器，解决了憋压问题，送料均匀，为气分，叠合两套装置的平稳操作创造了条件。 2.3 变频器在风机上的应用 由于锅炉是炼油企业的主要动力，而锅炉鼓风机是锅炉系统主要耗电设备，运行中常有风机震动，轴温过高等现象，所以在鼓风机上安装变频器具有重要意义。选用的变频调速装置应具备多种保护功能，才能较好的保障锅炉运行的安全性和可靠性。 经过对锅炉运行状况的调查和认真分析，认为在锅炉鼓风机安装变频器，须在技术上解决以下问题。 （l）锅炉的安全运行是全公司动力的根本保证，虽然变频调速装置是可靠的， 但发生问题时，须确保锅炉安全供汽。所以，必须实现工频一变频调速运行的自动切换。 （2）锅炉风机的拖动电机容量为135kw，对于这种大惯量负荷的风机，可能存在扭曲共振。运行中，一旦发生共振，将严重损坏风机和拖动电机。所以，必须计算风机一电机连接轴系扭振临界转速以及采取相应的技术措施。 针对以上问题，采取了如下办法。 （1）设置了由工频切换至变频及变频切至工频的快速瞬时切换工能。 经过现场试验及实际应用，切换功能保证了工频一变频间快速瞬时互相切换，能够满足风机运行过程中的切换要求。 （2）为了进一步分析风机一电机系统是否可能存在扭曲共振问题，经查阅有关资料及结构图，获得了风机一电机轴系扭振固有频率为：第一阶扭振固有频率为1222.4Hz，第二阶为3867.4Hz。由此可以得出，在0～50HZ 调速绝不会出现扭曲共振。 锅炉鼓风机安装变频器后，收到了以下效果。 （1）适当降低炉膛压力可以大幅度地降低风机电耗。当锅炉负荷均为 50 t/h，燃烧工况及操作条件相似的情况下，安装变频器前后的电机电流由180A降为90A，按年8000h计算，年节电30×10[sup]4[/sup]kw•h。 （2）由于操作控制调节系统的改善，使燃烧工况趋于低氧燃烧，提高了锅炉热效率。风机变频安装前，锅炉风量控制手段是调节风机入口挡板和火嘴风门，入口挡板的调节方法即不灵活又十分粗略，无法进行风量的准确调节，为此，操作中风量往往过大。实现变频调速后，锅炉燃烧过程中氧含量的控制十分方便准确。在操作室就可以对锅炉燃烧所需的风量进行微量调节，使燃烧工况趋于低氧燃烧，过剩空气系数由1.2降为1.1，锅炉热效率提高0.8个百分点，降低了燃料消耗，年节约燃烧油 200～500t。 （3）提高了功率因数。变频调速装置上增加了直流电抗器附件，这样即可以防止变频器产生的高次谐波污染电源，也可防止冲击电流，保护整流模块。并使功率因数提高到0.95以上。 3 结论与应注意的问题 通过变频器在炼油厂中的应用可以看出，变频器有诸多优点，现归纳如下。 （1）变频调速技术可靠，可广泛用于炼油企业中的风机、水泵、油泵等异步电机上，节电效果明显，一般节电在30%以上。 （2）采用变频调速器带动异步电机的调速方式，可以实现从零转数到任意转数的平滑启动，电流小，升速快，没有启动时的冲击电流。而且保护功能完善，操作方便、准确，调节精度高，取消了阀门控制，实现了闭环控制。 （3）使用变频调速器后，由于没有了一般电机启动时的5～7倍于额定电流的冲击电流，使电气开关过负荷损坏的可能性减少，也使变压器减小了冲击，提高了变压器的使用效率，避免了大电机启动时对电网的冲击。 （4）可延长机泵的使用寿命。由于电机长期在低于额定转速的状态下运行，电机及风机的轴承不易损坏，电机发热量也减少了。停机时间减少，节约了大量维修费用。 （5）减少了噪声污染。由于变频调速技术是用调节电机转数来控制流量的，一般情况下，使用变频的电机，均在低于额定转速的工况下运转，噪声较使用变频器前明显减轻，对提高工业卫生水平起了一定的作用。 （6）气动调节阀与工艺介质直接接触，腐蚀性介质会对调节阀产生腐蚀及冲刷，而变频器通过电信号控制电机转速，调节流量，则无此情况，比调节阀稳定得多。用其代替调节阀后，仪表维护量大大减少。 变频器虽然有许多优点，但是，在使用过程中，尚需注意下列问题。 （1）选用变频器时一定要满足工艺要求，在某种特定的环境下，机泵因扬程、流量所限制，变频不一定适用。对负荷较高且运行情况变化不频繁的机泵不易采用变频器。 （2）电机匹配的变频器功率一般要选定等于或高于电机功率，选型要选用等级较高的，且能满装置与仪表配套并能够实行闭环控制的变频器。 （3）变频调速技术需要电气、仪表、工艺、设各专业人员的密切配合，以保证安装质量。 （4）多数生产装置仪表控制阀大都采用风关阀，安装变频器后，风关改为风开调节，需要在仪盘上注明，或者加一电子模块使之统一，以免造事故。
可知，当转速下降1/2时，流量下降1/2，压力下降 1/4，功率下降为1/8，即功率与转速成3次方的关系下降。如果不是用关小阀门的方法，而是把电机转速降下来，那么随着泵的输出压头的降低，在输出同样流量的情况下，原来消耗在阀门上的功率就可以完全避免，这就是调速节电的原理所在。简单地说，就是在不装变频调速装置时，泵的出口排量靠出口阀调节，电机易过负荷，流量小时，靠关小阀门调节，增加了管道阻力， 使部分能量白白消耗在泵出口阀门上，安装变频调速器后， 可以降低泵的转速，泵的扬程也相应降低， 电机的电耗也相应降低，使原来消耗在泵出口阀上的能量， 用变频调速方法得到了解决。由于采用恒转矩特性， 变频降速后的电机转矩不变，拖动力矩恒定，可以保证排量，从而实现了节约电能的作用。 2 变频器的应用 2．1 变频器在水泵上的应用 我公司第一台变频器是用在污水提升泵上的，型号是FRN75-P74的日本富士产品。由于当时对变频器的性能，可靠性等并不十分了解，所以在污水提升泵上应用变频器属于试验性质的。第一台变频器投用后，电机工作电流下降了近50%，电机运行温度明显下降，机械磨损减少了，维护工作量也减少了，运行中发现，变频器各种保护功能可靠，消除了因电机过载或单相运行而烧毁电机的现象，确保了安全运行。 根据污水提升泵应用变频器的效果，我公司又在生活饮用水和生活热水泵上安装了变频调速器。饮用水和热水泵电机的功率分别是 55 kw 和 37kw，白天用水量大，需将泵的出口阀全打开，而夜间用水量较小，需适当关小出口阀，而关小出阀的后果是造成泵憋压，管网被憋漏的情况也时有发生，为了解决以上问题在饮用水和热水泵上分别安装了变频器，采用了恒压闭环控制方案。投用后，运行平稳，未出现任何故障，即解决了憋压问题又收到了较好的节电效果。 2.2 变频器在油泵上的应用 我公司共有各类油泵上百台，总装机容量为近万kw，其中，最大电机容量为500kw。在近几年的工艺改造过程中，为了适应今后生产发展的需要，泵和电机的富裕量都较大，以常减压装置为例，主要机泵的能力可以达到每年加工原油250×10[sup]4[/sup] t。而实际生产中，每年的实际加工量为（l00～140）×10[sup]4[/sup]t。调查结果表明，泵的功率消耗在泵出口阀和控制阀上为30%～60%。所以在油泵上应用变频器将有较大的节能潜力。 （l）变频器在炼油装置上的应用 根据变频在水泵上的应用效果及油泵的运行现状，首先选择了常减压装置的一、二中段回流油泵安装变频器。为了安全稳妥，控制采用了开环、闭环、调节阀控制可以互相切换的方案，投用后，效果明显。一中泵转速由2950r/而n降为990r/min，节电达35%，二中段泵转速由2950r/min降为650r/min，节电43%。运行结果表明，闭环控制方案更能发挥变频器的优点，该装置在以后安装的常顶及一、二、三线泵，减一线泵上的变频器均采用了闭环控制。大面积应用变频器以后，节电效果明显，全年节电约100×10[sup]4[/sup]kW•h。 重油催化装置设计加工能力80×10[sup]4[/sup]t/a，而实际加工量不足70×10[sup]4[/sup]t/a少血，机泵设计的富裕量也较大。该装置是我公司的耗电大户，为了降低装置电耗，先后在原料、回炼油、顶循环、吸收塔进料、液态烃外送泵上安装了变频器， 电节在 30%～ 60%，全年可节电80×10[sup]4[/sup]tkW•h。同时还解决了液态烃泵漏，故障较频繁等设备问题。 气体分馏装置于1994年11月建成并投产，设计加工能力为12×10[sup]4[/sup]t/a扩血，当时由于原料不足，加工量仅维持6×10[sup]4[/sup]t/a左右。尽管塔盘进行了堵孔，测量孔板进行了调整，可以维持生产，但是，按当时生产量，机泵过大，用控制阀调节，也不能维持正常生产。为了解决这一生产难题，在脱乙烷塔回流泵、精丙烯塔中间泵、精丙烯塔顶回流泵上安装了变频器，投用后，调节精度满足了生产要求，调节准确及时，操作平稳，产品质量合格，节电效果在30%～60%，年节电60×10[sup]4[/sup]tkW•h，达到了既解决生产难题，又节约了电耗的目的。 （2）变频器在油品储运系统上的应用 我公司每年都有（50～70） ×10[sup]4[/sup]t的汽、柴油出厂，为了提高装车速度，汽、柴油装车泵的电机容量都较大，均为132kw， 装车开始时，机泵可以满负荷运行，随着装车的不断进行，输送的油量需逐渐减少，泵出口阀逐渐关小，以调节流量，当装到最后几节车时，出口阀关至最小，造成泵憋压，以至于泵被憋漏，泵房内油气浓度严重超标，所以该泵房被公司列为重大安全隐患，为了解决这一矛盾，汽、柴油先后安装了变频器，投用后，电压，电流均有所降低，憋压现象消除了，流量调节灵活。员工在操作室内，根据站台上的装车情况及时调节流量，劳动强度也大大减轻了。 液态烃储运系统同样存在以上现象，先后在气分送料泵，叠合送料泵上安装了容量均为为 18.5kw 的变频器，解决了憋压问题，送料均匀，为气分，叠合两套装置的平稳操作创造了条件。 2.3 变频器在风机上的应用 由于锅炉是炼油企业的主要动力，而锅炉鼓风机是锅炉系统主要耗电设备，运行中常有风机震动，轴温过高等现象，所以在鼓风机上安装变频器具有重要意义。选用的变频调速装置应具备多种保护功能，才能较好的保障锅炉运行的安全性和可靠性。 经过对锅炉运行状况的调查和认真分析，认为在锅炉鼓风机安装变频器，须在技术上解决以下问题。 （l）锅炉的安全运行是全公司动力的根本保证，虽然变频调速装置是可靠的， 但发生问题时，须确保锅炉安全供汽。所以，必须实现工频一变频调速运行的自动切换。 （2）锅炉风机的拖动电机容量为135kw，对于这种大惯量负荷的风机，可能存在扭曲共振。运行中，一旦发生共振，将严重损坏风机和拖动电机。所以，必须计算风机一电机连接轴系扭振临界转速以及采取相应的技术措施。 针对以上问题，采取了如下办法。 （1）设置了由工频切换至变频及变频切至工频的快速瞬时切换工能。 经过现场试验及实际应用，切换功能保证了工频一变频间快速瞬时互相切换，能够满足风机运行过程中的切换要求。 （2）为了进一步分析风机一电机系统是否可能存在扭曲共振问题，经查阅有关资料及结构图，获得了风机一电机轴系扭振固有频率为：第一阶扭振固有频率为1222.4Hz，第二阶为3867.4Hz。由此可以得出，在0～50HZ 调速绝不会出现扭曲共振。 锅炉鼓风机安装变频器后，收到了以下效果。 （1）适当降低炉膛压力可以大幅度地降低风机电耗。当锅炉负荷均为 50 t/h，燃烧工况及操作条件相似的情况下，安装变频器前后的电机电流由180A降为90A，按年8000h计算，年节电30×10[sup]4[/sup]kw•h。 （2）由于操作控制调节系统的改善，使燃烧工况趋于低氧燃烧，提高了锅炉热效率。风机变频安装前，锅炉风量控制手段是调节风机入口挡板和火嘴风门，入口挡板的调节方法即不灵活又十分粗略，无法进行风量的准确调节，为此，操作中风量往往过大。实现变频调速后，锅炉燃烧过程中氧含量的控制十分方便准确。在操作室就可以对锅炉燃烧所需的风量进行微量调节，使燃烧工况趋于低氧燃烧，过剩空气系数由1.2降为1.1，锅炉热效率提高0.8个百分点，降低了燃料消耗，年节约燃烧油 200～500t。 （3）提高了功率因数。变频调速装置上增加了直流电抗器附件，这样即可以防止变频器产生的高次谐波污染电源，也可防止冲击电流，保护整流模块。并使功率因数提高到0.95以上。 3 结论与应注意的问题 通过变频器在炼油厂中的应用可以看出，变频器有诸多优点，现归纳如下。 （1）变频调速技术可靠，可广泛用于炼油企业中的风机、水泵、油泵等异步电机上，节电效果明显，一般节电在30%以上。 （2）采用变频调速器带动异步电机的调速方式，可以实现从零转数到任意转数的平滑启动，电流小，升速快，没有启动时的冲击电流。而且保护功能完善，操作方便、准确，调节精度高，取消了阀门控制，实现了闭环控制。 （3）使用变频调速器后，由于没有了一般电机启动时的5～7倍于额定电流的冲击电流，使电气开关过负荷损坏的可能性减少，也使变压器减小了冲击，提高了变压器的使用效率，避免了大电机启动时对电网的冲击。 （4）可延长机泵的使用寿命。由于电机长期在低于额定转速的状态下运行，电机及风机的轴承不易损坏，电机发热量也减少了。停机时间减少，节约了大量维修费用。 （5）减少了噪声污染。由于变频调速技术是用调节电机转数来控制流量的，一般情况下，使用变频的电机，均在低于额定转速的工况下运转，噪声较使用变频器前明显减轻，对提高工业卫生水平起了一定的作用。 （6）气动调节阀与工艺介质直接接触，腐蚀性介质会对调节阀产生腐蚀及冲刷，而变频器通过电信号控制电机转速，调节流量，则无此情况，比调节阀稳定得多。用其代替调节阀后，仪表维护量大大减少。 变频器虽然有许多优点，但是，在使用过程中，尚需注意下列问题。 （1）选用变频器时一定要满足工艺要求，在某种特定的环境下，机泵因扬程、流量所限制，变频不一定适用。对负荷较高且运行情况变化不频繁的机泵不易采用变频器。 （2）电机匹配的变频器功率一般要选定等于或高于电机功率，选型要选用等级较高的，且能满装置与仪表配套并能够实行闭环控制的变频器。 （3）变频调速技术需要电气、仪表、工艺、设各专业人员的密切配合，以保证安装质量。 （4）多数生产装置仪表控制阀大都采用风关阀，安装变频器后，风关改为风开调节，需要在仪盘上注明，或者加一电子模块使之统一，以免造事故。
