高压变频器在石化行业的应用

发布时间：2008-08-12 来源:www.cechina.cn

        1 引言
        变频调速技术是目前世界上公认的电机节电技术之一，变频调速技术因其显著的节电效益、较高的调速精度、较宽的调速范围、完善的保护功能、易于实现自动控制、运行安全可靠、安装使用维护简单等优点已被广泛应用于各行各业，成为电机调速的最新技术。石化系统应用该技术始于九十年代，目前该技术已成为总公司的重点推广项目。自1994年以来，我厂在主体装置低压机泵的电机上安装变频调速器获得了极好的效果，随着低压电机变频调速技术的推广应用，电机节电的焦点落在了高压电机上，以广州分公司炼油系统为例，装置的原料泵、加热炉进料泵、塔底泵…主要机泵容量大，一般由高压电机拖动，这部分的用电量约占装置用电量的50％左右，若不对高压电机实行变频调速控制，进一步降低电耗是困难的，因此，1998—2000年开始我们在炼油装置的一些高压电机上应用于变频调速技术。
        2 高压电机安装变频调速技术的尝试
        1998年高压变频调速技术已经基本成熟，为高压电机安装变频调速器创造了条件， 但是完美无谐波高压变频 器价格昂贵， 一般用于兆瓦以上的大电机经济可行，电机容量小则不经济。因此，国内中小容量的高压电机大多 采用将高压电降为460V左右的低压电，再经变频升压为 6000V高压电输出的高一低一高式供电的方式。正是基于 这个原因，98年至99年蒸馏(一)常压塔底泵(p-l1 1／1， 280kW)、焦化加热炉辐射泵(P-102／1，350kW)、溶脱原料泵(P一101／A，315kW)、溶剂泵(P-104／A，300kw)选择 了德国西门子产的高～低一高式变频器， 焦化辐射泵选择 了美国罗宾康产的高～低一高式的变频器，溶脱脱沥青油 溶液泵(P一103／A，440kw)选择美国罗宾康产的完美无谐波 (高一高)式的变频器。
        2 1选择机泵安装变频调速器的依据
        (1)机泵运行时间长
        蒸馏和焦化的机泵年运行周期很长， 均可保持在 7500h／a以上，溶脱的机泵也保持6500h／a，这样，就使变 频器长时间运行， 节电效益得到提高。
        (2)机泵节流损失大
        泵P—l11／1运行工况为出口压力在1。5MPa以上，而 进减压炉调节阀后压力仅为0．25MPa一0．3MPa；泵P一102／1 运行工况为出口压力4。2MPa-4。5MPa，而进炉调节阀后压力 为1。4MPa一1．5MPa即可满足工艺运行要求；溶脱的P一101／A、P一103／A泵和P一104／A泵出口压力在6．5Mpa，而调 节阀后的压力在4．0MPa一4．5MPa。可见，管路节流损失大， 安装变频器后主要节约的电能就是管路节流这部分电能。
        (3)机泵富裕量大和流量变化大
        泵P—ll 1／1额定流量为260m ／h，实际运行流量多 数在1 64m ／h；泵P一1 02／1在焦化开单、双系列均运行， 而单、双系列流量变化接近40％；溶脱装置的处理量波动较 大，因此，其三台泵流量的变化幅度在30％一50％，这些机 泵的流量和维持工艺要求的稳定运行主要也是靠阀f1N节， 这样， 就产生了节流造成的电损，装了变频器就能减少这 部分损失。
        (4)理论计算节电量
        通过理论计算节电量来论证选择安装变频器的机泵是 否合适。对计划安装变频器的机泵进行多种处理量时的理 论节电量的计算，经过计算得到机泵运行概率最大处理量 时的节电率为：泵P—ll1／1在7200t／d时节电率可达48％； 泵P一102／l在1940t／d时节电率可达56％；泵P一101／A、 P一103／A、P一104／A在装置处理量1560t／d时节电率分别 可达34．5％、36．7％和32．2％，， 说明在这五台机泵上安装 变频调速器是可行的。
        2_2安装了高-低-高式变频调速器后机泵的运行情况
        98年首先在蒸馏(一)P—ll1／1泵和焦化P一102／1泵安 装变频器。P—ll 1／1泵安装德国西门子280kW 变频器，调 试两天投入运行后， 变频器输出电压可保持440V，输出电 流在2—4A范围波动，保持常压塔底液面稳定不变， 操作 人员反映很好。在原油炼量为6200t／d，泵主管出口阀开度 75％时，泵出I21压力从原1．6MPa降至0．4MPa，电机运行频 率为32Hz， 机泵转速约为原转速的70％， 由此可见，安装 变频后节电效果很好。
        P一102／1泵安装美国罗宾康公司350kw变频器，初 次调试后， 存在电机电流波动较大问题， 经几次调试后波 动范围缩／J',I~P投入运行， 当时在装置超负荷运行(2340t／d) 状况下，泵主管出lZl阀全开， 泵出口压力由原4．3MPa降制 至1．7MPa，电机运行频率35Hz左右，输出电压和电流波动 范围较大，对进炉流量的平稳稍有影响，为保持流量平稳又采 取了关小阀门开度使频率升高的运行方式，随频率升高，电压 和电流波动幅度减小，频率升到42Hz，流量基本稳定，当频率 再上升时出现了电机跳闸现象，重新启动变频器运行在 35Hz则恢复和从前一样的波动范围较大的状况，这种频率 升高造成电机跳闸的现象经几次调试仍存在。后来， 经过 一段时间的现场观察和分析后认为：造成跳闸停机的原因是
        焦化装置内同段6KV母线上的1 600kw 的高压水泵启动 时， 启动电流大， 导致电网电压瞬间下降， 变频器欠电 压保护动作引起停机。 原因找到后， 到现场进行了测试， 在变频器停机情 况下， 当1 600kw 高压水泵启动时， 变压器低压侧输入 电压由正常时的484V降到424V左右， 低电压维持时问为 2秒左右，如变频器正常负载运行时， 考虑线路和变压器的 压降， 低压侧输入正常电压约为460V左右，若此时高压水 泵启动，会导致变频器低压侧输入电压降到400V左右，而 原来设定的欠电压保护值刚好为400V， 所以就出现了高压 水泵启动时引起的欠电压保护停机。
        按照变频器设计技术参数， 正常工作电压范围为额定 电压的+1 0％—-5％，所以当高压水泵启动时，电压波动 已经大大超过了正常的下限， 虽然电网电压波动超过变频 器设计要求， 但为了保持生产的连续性，对有关技术参数 进行了适当调整， 将欠电压保护值调整到350V，另外还设 置了转速跟踪再启动功能， 在万一电网电压过低导致变频 器欠电压故障情况下变频器能进行故障自动复位、转速跟 踪，保护生产的连续性。
        经过上述的工作后，在频率升高时和其他状况都没有 出现电机跳闸现象，电机运行频率在38Hz左右，变频器输 出电压和电流范围缩小在允许的范围， 进炉物料流量平稳， 生产运行状况良好。
        有了98年安装高压变频的经验，99年在溶脱的P一 101／A泵和P一104／A泵安装高一低一高式变频器及调试、 投入运行都顺利，泵出口阀开度95％ 时， 电机运行频率分 别为35和38Hz，泵出口压力分别降低1．0Mpa和1．2MPa， 机泵转速明显降低， 噪音减小， 运行中各项工艺参数均达 到指标要求。
        2．3安装了高．高式变频调速器后机泵的运行情况
        (1)应用高一高变频调速器的意义 “高一高式”高压变频器称为完美无谐波高压变频 器， 据介绍其相对“高一低一高式” 高压变频器有如下 明显的优点：
        a)总效率比“高一低一高式” 高。
        b)功率因数比“高一低一高式”高。
        C)体积比“高一低一高式”小。
        d)稳定性和转矩脉动比“高一低一高式”显著提高。
        我们认为“高一高式” 高压变频器是由于其在5 00kw 以下价格太高， 难以被用户接受， “高一低一高式”高 压变频器仅是做为一种不得已而为之的高压变频器的过度产品，为了给以后的应用打下基础和积累经验，在溶脱的P一 103／A泵安装了美国罗宾康公司生产的完美无谐波高压变频 器， 输入采用36脉冲结构，基本上可以不对电网造成污染。
        (2)安装高一高式变频器后机泵的运行情况
        泵P一1 03／A安装了高压变频器后，调试一次成功并 投入运行，各项技术指标达到购买签定的技术协议要求，机 泵运行几日后，经美国FLUKF43B多功能测试仪测试输入 功率因数能达到95-97％，输入谐波符合IEEE5 1 9 l 922对 电压失真和电流失真的要求。机泵在流量43t／h运行时，管 路阀门开90％，频率为34—38Hz，泵运行电流减少1 0A， 转速减慢， 噪音减少，满足各项工艺指标要求。在实践工 作中感觉这台高一高式完美无谐波变频器在调试阶段和开、 停启动时都要比高一低一高式的变频器容易简单， 出现机 泵跳闸及故障等现象极少，而在投入正常运行后就没有发 生过故障，而高一低一高式变频器在运行中时有跳闸、变 频设定与电机实际运行不符需重新调整等问题，而且其标定 数据表明其节电效果也很好。
        3 安装了高压变频器后所获效益
        3 1标定数据
        98年1 1月和1 2月分别在蒸馏一装置炼吉诺原油， 处 理量为6200t／d，焦化装置混炼伊朗油、胜利渣油和溶剂 沥青油，处理量2540t／d(超负荷)运行时，分别对常底泵 P—I1 I／I和焦化加热炉辐射泵P一102／1进行了标定，标定 使用HiOKI 3266型电动测试仪，标定数据如表1所示。 2001年7月对溶剂脱沥青装置的泵P—10I／A、P一103／ A和P一1 04／A进行了装变频后的标定，标定取两种负荷， 一是满负荷的93％， 即原料泵P—l0l／A流量为71t／h， 二 是满负荷的76％， 即泵p-103／A流量58t／h。在泵P一101／ A流量为7lt／h时，单独开泵P～l03／A不能满足负荷要 求， 且两泵共用一台流量计，故泵P一1 03／B(未装变频器) 也同时运转，标定使用Hi0KI 3266型电动测试仪，标定 结果如表2所示。

        从标定数据可以看出：泵出口压力明显减小， 说明减 少了管路上的节流损失， 所以电机运行电流下降， 节约了 电能；由于转速降低减少机泵噪音则降低机泵损耗率；转速降 低减少噪音保证了生产操作环境的环保质量。
　　3-2安装变频调速器后的节电效益
        (1)节电量和节电率
        根据计算，蒸馏一常底泵P一1 l1／1节电率77．6％，节电1 16kW；焦化加热炉辐射泵节电率55．1 3％，节电162．4kW； 溶脱原料泵P一101／A流量为7lt／h节电率31．2％， 节电 95．02kW；脱沥青溶液泵P一103／A．B节电率33．80％，节电241． 29kW；溶剂泵P～104／A节电率21．3％，节电51．91kW，以上合 计节电666．62kW；溶脱原料泵流量为58t／h节电率36．5％，节 电101．8kW；脱沥青溶液泵P一103／A．B节电率37．8％，节电 250．63kW；溶剂泵P一104／A节电率25．0％，节电58．8kW，此时 合计节电689．63kW， 平均节电为678．1 3kW。
        (2)节电效益
        按节约用电能的规定，节约电按民用电价计算效益，广州 地区电价为0．65元／kWh，以机泵年运行8000h计算，取平 均节电计算，年节电效益352．63万元。
        3．3减少设备维修费用效益
        由于我厂是首次在高压电机上应用变频调速技术，根据 测算和参照其它厂的经验，五台机泵年节约维修费用30万元。
        3．4操作平稳提高产品收率效益
        蒸馏一常底泵P一1 1 1／1安装变频器后，常压塔底液 面维持平稳，使塔内液体汽化状态稳定，从而提高各线产品 收率和质量。焦化加热炉辐射泵P一1 02／1安装变频器后， 使进炉原料均衡，减少了原料局部过热过度裂化， 使炉管 结焦下降从而提高轻油收率等， 项目在这方面所获效益因 加工原料变化频繁，难以用具体数据表示， 推算在这方面 的效益约有25万元／年以上。
        3．5五台高压电机安装变频器后获效益总计
        总效益=节电效益+减少的维修费用+提高产品收率 效益=352．63万元+30万元+25万元=407．63(万元)
        3．6五台高压电机安装变频器投资回收期
        项目总投资81 3．4万元，年获益407．63万元，项目投资 回收期为2年。
        4 变频调速器使用效果的几点体会
        (1)尽管变频器的节电效果是显著的，但是如果使用不 当，将难以取得最佳效果。例如， 有的操作工人由于不了解 变频器的原理，为了操作方便，不将管线阀门全开，这样 就仍存在节流损失。管理部门应制定相应的考核条例保证 变频器长周期稳定运行。这样， 才能保证节电效果。
        (2)变频调速技术的应用牵涉到工艺、电工、仪表、机 械等多个专业人员的密切配合。如， 变频调速器主机的维护 是电工管，但它的控制信号来自由仪表工维护的调节器和计 算机， 而变频器的使用和切换由装置的操作工人管，若配合 不好，变频器坏了，不能及时进行维修就会影响变频器的投用率；有=参数信号，就能象单回路一样获得好效果。
        5存在问题
        在应用高压变频调速技术的过程中，使我们对电流源 型高一低一高式和罗宾康公司高一高式的高压变频器有以 下认识：
        (1)高一低一高式采用输入和输出两台变压器，增加了 电损耗，而且变压器也会出现故障，对调试也有一定的影响， 而高一高式变频器无输出变压器。
        (2)高一低一高输出方式的高压变频器没有完美的抑 制谐波功能，因此对电网造成一定的污染，当以这种方式安装 的变频器台数多时， 会影响电网系统中的电力设备的正常 运行，而完美的谐波高一高式变频器不对电网造成污染，故 不会对电网系统中的设备造成影响。
        (3)安装高一低～高式的变频器占地面积大， 安装也 很麻烦， 而高一高式变频器占地面积仅是其二分之一， 因 无需安装变压器故安装和调试都较方便、顺利。
        (4) 高～低一高式变频调速器输入侧功率因数偏低， 高一高式变频器输入侧直接连在电网不影响功率因数，经 请厂家测试，功率因数达0．94—0．96。
        (5)高一低一高式变频器在运行中时有不明故障出现， 需请厂家来维修才能解决， 而高一高式变频器调试正常后 投入运行， 至今两年有余， 未有出现故障。
        (6)从同时间购买变频器价格分析，440kW 的高一高式 也就比31 5kW 的高一低一高式贵60万元，但其安装费用 比高一低一高式低。
        鉴于上述对比分析， 我们认为在有可能时， 应尽可 能采用高一高式变频器， 这样就能保证长周期运行， 既减 少了上述的各项费用还增加了节电效益。
        6 高压变频调速技术在我厂推广应用的前景
        我厂高压变频调速技术的应用是从1 9 9 8年开始的， 到目为止安装了高压变频器的电机占分公司高压电机总量 的还不到1 5％， 高压电机的用电量占电机用电量的三分之 一以上，因此，要降低用电量就必须对高压电机进行变频 控制来达节电的目的，从广扑1分公司的状况分析，高压变 频调速技术有推广应用的前景， 这是因为：
        (1) 炼油有扩大年加工能力到千万吨级的规划， 安装 高压变频调速器的机会是非常多的。
        (2) 目前炼油设计加工能力为770万t／a，今年在供 应乙烯厂原料的状况下达到炼油加工能力为67 3万t／a，尚未达到设计负荷，即使上游装置达到满负荷加工量，下 游装置仍存在不满负荷的状况。今年来原油品种多， 各 线收率变化大， 有时也会出现原油进厂不及时和产品后路 堵塞现象， 由于这种种的原因造成了机泵总体的流量在不 断变化，机泵流量的变化为机泵安装变频调速器获取节电 效益打下了良好的基础。
        (3)随着市场经济的变化， 以用户需求确定生产作业 计划的局面将占据主导地位，为了满足市场需求，加工方 案也会变化频繁， 这就使变频调速系统的节电效果显著。
        (4)以往， 机泵的设计和选型都是以满足装置最大负 荷时的流量和扬程为基准， 并且留有一定的富裕量，机 泵运行时，有相当大一部分功率消耗在管线阻力上，主 要是控制阀上，例如，焦化加热炉辐射泵安装了变频调 速器后，在装置超负荷运行时仍能获得较高的节电率，理 论和实践都已证明用变频调速器改变电机转速的方法取代 目前的控制阀调节流量优越得多。
        以上仅是其中的一些情况，但也说明了高压变频调速 技术在广州石化分公司有着广泛的应用前景。

        参考文献
        [1】金圃明．高压变频调速技术在我厂的应re[A]．全国 电技术节能学术会议论文集【C】．
        作者简介
        金圃明 工程师 1 983年毕业于广东广播电视大学， 从事炼油工艺和节能技术管理，在(茂名石化 和((广石 化科技信息 发表过多篇关于工艺及节能的文章和译文，从 1996年开始负责广州石化总厂变频技术的推广应用工作。