3 0m3聚合釜V C M压缩机变频调速设计优化

张保成，陈春杰，程桂荣

（河北盛华化工有限公司，河北张家口075000）

3 0m3聚合釜V C M压缩机变频调速设计优化

张保成，陈春杰，程桂荣

（河北盛华化工有限公司，河北张家口075000）

介绍了VCM水环压缩机采用变频调速的独特控制工艺，为聚合釜VCM回收提供了一种安全、廉价、可靠的变频调速控制方法。由于VCM压缩机为间歇工作方式，常规的自耦降压启动方式无法承受工艺上的频繁启停，采用变频调速控制技术以后，不仅避免了设备事故的频繁发生，还可以实现显著的节电效果，提高经济效益。

聚合釜；VCM压缩机；电流控制；变频调速

1 项目背景和意义

河北盛华化工有限公司目前拥有15万t/a离子膜烧碱，18万t/a PVC生产能力，其中30 m3釜PVC产能为10万t/a、70 m3釜PVC产能为10万t/a。70 m3釜投产前，30m3釜正常生产，每班出料回收8~10釜，每釜料回收时间为30～40 min，平均空载率为30%；70 m3釜投产后，30 m3釜的生产负荷降低为50%左右，VCM压缩机的负载时间同比降低，空转时间也上升到50%左右。

30 m3釜原有的VCM压缩机采用的是自耦降压启动。为了减少动力电消耗，曾经采取回收结束后停车的运行管理模式。由于启动电流大，频繁的启停导致自耦变压器热积累，经常造成自耦变压器烧损。后来不得不改变操作规程，允许压缩机电动机连续运行，尽管如此，每年更换自耦变压器的费用仍达1.2万～1.5万元。

采用降压启动的缺点是，（1）没有调速功能，能耗浪费严重；（2）启动性能比变频调速/软启动差，对机组及电网冲击较大；（3）启动冲击会影响电网的稳定及其他用电设备的运行安全；（4）较频繁启动时，容易烧毁自耦变压器。

由于30 m3釜的生产负荷降低后空转时间进一步上升，造成了严重的电能浪费，决定对30 m3釜VCM压缩机采用变频调速，降低压缩机动力电消耗，延长压缩机使用寿命，确保生产正常进行。

该公司30 m3釜配套的VCM压缩机型号为2SY-12B，配套电动机为132 kW，额定电压380 V，额定电流240 A，每年运行时间约8 000 h。

该公司拥有的10台30 m3聚合釜，配套2台VCM回收压缩机，一用一备。聚合反应结束后，生成的聚氯乙烯树脂和剩余的VCM气体由聚合釜排到出料槽，VCM气体经过泡沫捕集器去除气体中夹带的PVC颗粒后，经过缓冲罐分离出水分，再经过气体过滤器进一步去除气体中细微的PVC颗粒，在阻聚剂罐处加入阻聚剂后送入VCM压缩机。经过VCM压缩机加压后的气体送到汽水分离器分离出水分，VCM气体进入1、2号冷凝器冷却，冷凝下来的VCM液体经液封槽进入单体储槽，供聚合再使用，不凝尾气由气动阀通过压力控制自动排出，排气经过阻火器进入大气。

需要进行VCM回收时，由聚合工段通知VCM工段开机，此时VCM气体已经进入缓冲罐，安装在过滤器后方管道上的压力表和压力传感器显示的正常压力为0.05～0.30 MPa。VCM工段打开压缩机进气截门进行回收，阀门全部打开后，回收初期运行电流为230 A左右，回收完成时运行电流为180 A,运行时间大约40 min，回收完成后，关闭进气阀门，电动机空载运行电流稳定在170～180 A,压缩机空载损耗功率为95 kW。

VCM压缩机采取连续运转方式。当聚合釜出料、压缩机进口管道压力达到50 kPa时，打开VCM压缩机进气截门，回收氯乙烯单体,压缩机满载运行，运行电流为230A；当压缩机进口压力小于10kPa时，回收结束，关闭进气截门，压缩机轻载运行，对应的运行电流为180 A左右。

2 变频调速控制工艺选择

在回收压缩机机前管道的现场指示压力表上分接1只压力变送器，从物料系统直接提取控制信号。考虑到VCM介质中含有微量氯化氢和聚氯乙烯粉尘，压力变送器选用耐腐蚀材料，并且具有防堵性能；为了便于巡检，压力变送器要求带有现场指示功能。为了提高检测信号的稳定性，选用带有防震功能的系列产品。考虑到在聚合釜超压时，不至于损坏压力传感器，以及实际操作过程中安全阀动作、或者聚合物料通过阀门排到浆料槽-缓冲槽形成的泄压作用，选择压力传感器的量程与聚合釜安全阀的压力定值1.2 MPa相适应。考虑到浆料槽、缓冲罐的泄压效果，根据日常0.2～0.5 MPa运行压力范围并且适当留有安全裕量，控制传感器的上限选择为1.0 MPa。当压力高于0.05 kPa时，启动变频器，同时使变频器工频模式/恒功率模式运转，缩短和减少轻载运行时间。当压力低于设定的回收完成的压力时，自动转入停机/低速运行，但是，此种运行方式由于工作间歇较短，从零转速启动造成的热积累较大，对IGBT的冲击电流大，不利于运行安全。

经过工艺调研，发现上述方案控制工艺简单直接，但是也存在以下缺陷。在聚合超压时，必须打开阀门让氯乙烯直接回到储气柜，此时的运行压力如果超出额定回收压力过大，容易造成压力传感器超压损坏，没有信号输出而无法启动设备。本来此时压缩机应该满负荷向气柜输送物料，但由于传感信号为零，变频器自动停转并且无法开启，不能对物料进行回收，从物料系统直接提取控制信号存在无法满足极限压力冲击的问题，对于提高系统运行的安全性能需要依靠安全阀等辅助手段。因而，试图采用具有非线性特性的控制信号进行调速控制。

研究系统中与压力相关的非压力信号运行状态后，发现压缩机电动机的运行电流既能反映回收物料的压力，并且当聚合釜异常排气时又具有信号限幅功能，只要设计合理的空转频率，就可以收到很好的节能效果。但是，信号控制时间相对滞后，控制开始前由于电动机已经加载，对电动机和变频器容易产生电流冲击。

为了避免以上两个方案存在的缺陷，选用了压力变送器信号升速控制，压力变送器检测到压力上升后，即控制电动机从低速运行状态升速到工频，此时操作人员正处于开阀过程，从而避免了电流控制的先加载后启动的缺陷。对于极限压力，采取依靠安全阀非线性保护完成非零转速变频调速控制方案。既避免了零速启动的电流冲击和热积累，又避免了电流控制先加载后升速启动变频器的大电流启动的电流冲击和热积累，既实现设备运行安全又取得理想节电效果。

由于VCM水环压缩机的转矩不高，故采用V/F控制方式，电路原理见图1。

为了在变频器出现故障时不影响生产，变频调速的设备采用旁路连接方式，旁路连接工艺采用电气和机械互锁方式。

3 变频器的安装

为避免变频器向电网输送谐波，在变频器的直流母线上串接1个直流电抗器。安装时尽量缩短控制柜与压缩机之间的负荷线长度，将负荷线与控制线分开敷设，同时，控制回路的配线采用屏蔽DJYPVP电缆。为了提高变频器工作的可靠性，控制柜内装有换气扇，变频器接地端子要可靠接地，不与动力接地混用。

图1 变频调整系统电气原理图

4 变频器的调试

先进行下列操作：变频器的各参数设定，包括加减速时间，升降速方式，上下限频率，操作模式等；进行变频器空载试验运行；将变频器接到拖动装置；进行工频控制运行试验；进行变频控制运行试验。

以上操作完成后，根据空气压缩机系统对过渡过程的要求，继续对PID参数的进行现场优化，也可以采用PI调节方式，以减少对变频器的波动冲击。

在调试过程中，将下限频率调至35 Hz，然后用红外线测温仪对空气压缩机电机的温升进行长时间严格的监测，如果电机温升没有明显变化，可以继续降低空载运行频率，只要电动机温升处于4~7℃即可保证设备安全。一般情况下，在30 Hz下限频率运行对空气压缩机机组的工作并无多大的影响。

5 优化改造后的预期经济效益

空气压缩机的运行成本由初始采购成本、维护成本和能源成本组成。其中，能源成本大约占压缩机运行成本的80%。按照回收完成后电动机空载运行电流为170～180 A计算,压缩机空载损耗功率为95 kW，变频改造后电动机空载运行功率降低64%左右。按照现在空载率50%计算，改造完成后，可以实现节电24万kW·h，年节约资金12万元，同时避免设备故障，节约设备维修费用1.5万元，提高企业经济效益13.5万元。使用变频器对传统的VCM 132 kW压缩机拖动方式进行节能改造，具有明显的节能降耗效果，经济效益和社会效益显著。

6 变频改造中需要注意的问题

（1）由于电机在运行过程中的散热主要依靠其尾端自带的风扇，电机在轻载运行时的转速不能过低（频率不能过低），否则电机的温升会急速加剧，甚至烧毁电机。

（2）改造系统中应该有变频和工频2套主回路及相应的控制回路。

（3）为了减少设备故障，适当选择设计完善、用料讲究、控制先进、质量可靠的品牌设备。

（4）为了配合数字化管理，应选用具有较强通讯功能的变频器产品，以便减少数据上传的投资费用。

（5）对于容量较大的变频器，如果电网容量较小，还应考虑串接直流电抗器等抗干扰措施。

（6）为了避免过电压等问题发生，应该尽量缩短负荷线长度。

（7）注意对进出变频器的模拟量信号进行电气隔离。

（8）带有旁路装置的调速回路，应该考虑加装带机械互锁装置的接触器产品。

Optimization design of VCM compressor variable velocity frequency of 30 m3polymerizer

ZHANG Bao-cheng,CHEN Chun-jie,CHENG Gui-rong
(Hebei Shenghua Chemical Co.,Ltd.,Zhangjiakou 075000,China)

The variable velocity frequency process of VCM liquid-ring compressor was introduced.The mehtod was safe,cheap and reliablity.Because the working model of VCM compressor was discontinuous operation,and the conventional auto-induction voltage-reduced startup could not load frequent starts-stops.Variable velocity frequency technology could not only avoid the frequent equipment accident but also has the remarkable effects to power saving,and the economic profit was improved.

polymerizer;VCM compressor;current control;variable velocity frequency

TQ114.15

B

1009－1785(2010)03－0025-03

2009-12-04