变频调速节能技术在石油化工行业的应用

■ 中国石化集团公司 九江石油化工总厂 汪学峰

1 前言

中国石化股份有限公司九江石化公司是江西省内唯一的炼油、化肥、化工配套生产的国有特大型石油化工联合企业，是中国石化长江沿江主要炼化企业之一。该公司努力挖潜增效、优化生产运行，依靠科技进步实现节能降耗。为了降低电气设备的能耗和故障率，公司积极开展科技攻关、技术改造，应用和推广电机变频调速节能高新技术，有计划地组织对重要生产装置的关键电气设备变频调速进行系统优化配置和完善。

几年来，富士、东芝、西门子、三菱、ABB、施耐德、欧姆龙等各种型号的变频器，在九江石化公司炼油、化工、化肥等生产装置广泛推广应用，先后对化肥渣油进料泵、液氨输送泵、常减压加热炉鼓风机、催化解析塔进料泵、延迟焦化溶剂泵、原油输送泵、聚丙烯挤压造粒机组、热电锅炉排粉风机等生产装置重要机泵驱动电机进行了变频调速节能改造，均取得了较好的节能效果。

实践证明，应用电机变频调速节能技术控制风机、泵类负载是一种先进、科学的控制方法。利用变频器内置的PID调节软件，可以根据工艺负荷精确地自动调节电动机输出频率和转速，保持恒定的水压、风压，满足生产装置工艺系统要求的压力。实际应用证明，当电机在额定转速的80%运行时，节能效率可以达到40%。变频调速器还可以实现大型电动机的软起动和软停机，避免了电动机起动时对电力系统的电压冲击，降低了运行电流，不仅减少了电动机、机泵和阀门设备故障率，延长其使用寿命，而且节约电能效果显著，从而实现了电动机、风机、泵类设备的经济运行，提高了企业的经济效益和社会效益，推进了石油化工企业节能降耗、降本增效和可持续性发展。其节能原理矢量图见图1。

据不完全统计，九江石化公司已经投入资金5000多万元用于风机、水泵变频调速节能技术改造，平均投资回收期约2年。截止2010年3月，九江石化公司已投入运行的变频调速器有462台，总装机容量达到16000 KW。若按每台设备平均节电率40%计算，则每年至少可节约电能4200万KWh，每年仅节约电费一项就达2500多万元，节约设备维修费、材料费100多万元。以下为变频调速技术在九江石化公司炼油、化肥、化工等生产装置设备中的应用。

2 变频调速技术在炼油装置加热炉鼓风机的应用

加热炉鼓风机是公司500万t/a常减压装置加热炉烟气回收系统的重要设备，风机输出功率为185kW，原设计是通过调节风门挡板实现风量调节，设备运行能耗长期居高不下。

加热炉鼓风机原设计方案负载是根据满负荷工作需用量来设计选型，留有10%以上的较大余量。此外，随着常减压装置加工量、物料性质等工况的变化，实际需求功率也产生变化，流量、压力等工艺参数经常随工况的改变而改变，实际应用中加热炉鼓风机大部分工作时间并非处于满负荷运行状态，原来的电机恒速和机泵恒压恒流设计则导致电能浪费；采用传统方法是通过调节出口或入口的挡板、管路阀门及调节阀开度来调节流量、压力等工艺参数，定速机泵输出功率被工艺物流吸收作有用功的仅占30%～40%，而60%～70%的电能消耗在挡板、阀门节流压降上，造成极大的电能损失和浪费。按年运行8760h计算，原设计1台鼓风机每年消耗电能162万KWh，电费高达97万元。

为提高加热炉烟气回收系统工艺自动化控制水平，使控制方案与实际负荷相匹配，节约电能，提高经济效益。2009年3月，九江石化公司在炼油装置停工检修期间对加热炉鼓风机进行变频节能改造，采用风机变频调速系统取代低效率、高能耗的风门挡板节流控制，提高加热炉烟气回收系统效率。选用东芝公司专用于平方减转矩负载的A5P系列变频器。该变频器采用最新智能绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块和东芝独特矢量运算控制，有良好的技术性能。其主要特点有：新的电流限制功能——当机泵超负荷时，通过抑制转矩来限制过电流，使变频器不跳闸，机泵继续运转；电压反馈控制功能——当电源电压变化时，可瞬时补偿输出电压，保证变频器稳定运行；学习加减速功能——根据负荷状态自动调整最合适的加减速时间，方便设备调试；自动节电运行方式功能——在确保负荷所需转矩的条件下，将电流降到最小，自动节电运行；内置工频/变频切换时序电路，保证石油化工流程工业装置生产的连续性和可靠性，可以方便切换、互为备用。

加热炉鼓风机经过变频节能改造投用一年来，变频调速器操作安全平稳，具有过载、过压、过流、欠压、电源缺相等自动保护功能，实现了风量压闭回路自动调节控制。驱动电机可以实现软启动和无级调整转速，消除了电机启动时6倍的冲击电流，避开机械共振点及运转噪声，风机运行的振动值大幅降低，避免了鼓风机运行时的机械振荡，大大降低了设备故障率，延长了机械负载的运转寿命，减轻了设备维修工作量，节能效果明显。变频器运转方式灵活多样、操作方便，操作人员只需调节变频器面板上的电位器旋钮即可手动调整风量。变频器可以手动控制也可以完全实现自动控制，并且可与加热炉烟气回收系统自动控制装置进行电气、仪表联锁，实现加热炉的自动保护及计算机控制，不会因鼓风机突发事故影响装置安全生产。根据工艺负荷自动调节鼓风机电机输出频率，在约20Hz时运行，电机运行电流从原来的220A降至90A，可同时满足常减压装置2台加热炉的供风量，该台设备节电效率达到60%，据测算每年可节约电费约60万元。

3 变频调速技术在化肥装置渣油进料泵的应用

渣油进料泵A-GA101是公司30万t/a合成氨装置的重要设备，将减压渣油原料输送到气化炉。渣油进料泵为西门子电动机，功率75kW，转速2982r/min，额定电压380V，额定电流140A，额定出口流量28.52m?/h。

原系统采用控制出口阀门的方法进行控制，即差压变送器检测流量信号送至PID调节器，再由PID调节器输出控制信号，控制出口调节阀的开度，从而控制出口流量，保持流量稳定。原系统运行中存在以下问题：节流量较大，泵出口阀的节流量已接近泵额定流量的一半，浪费大量电能；控制精度低，出口流量波动较大；电机工作在额定转速，出力不变消耗电能；电机噪声较大，泵和管线阀门压力较大，易造成密封面泄漏，影响装置安全稳定运行。

2003年5月，公司利用化肥装置检修的时机，选用西门子公司成套变频设备，对3台渣油进料泵（2台运行、1台备用）进行变频优化节能改造。投入运行后工艺控制平稳，由于变频器的高精度调节，调节信号有高速传递性，减少了以前仪表控制系统带来的滞后现象，从而使系统控制精度提高，压力稳定，工艺运行指标得到了优化。节能效果显著，节电率达到70%，按年运行8000h计算，2台渣油进料泵年节约电量：节电率×电动机工频功率×工作时间×2台＝70%×75kW×8000h＝42万kW?h；节约电费约25.2万元。

由于出口阀全开，电动机降速运行，使得管网压力下降，减少了工艺设备的泄漏，降低了机泵磨损，降低了电机的温升，设备维护周期延长。由于变频器代替了调节阀，解决了由于调节阀故障高给生产带来的影响，使设备的维护量大幅减少。系统实现了软启动，由于变频器具有软启动功能，减小了电机启动时对电网的冲击。变频器投入运行1年来，运行可靠，自动化程度高，渣油进料泵流量控制精度高，可充分满足生产需要，节能效果显著，取得了良好的经济效益。

4 结束语

石化产业是国民经济的支柱产业，同时也是高能耗、高污染行业。多年来，我国政府大力提倡、鼓励和支持企业推广高新技术实现节能减排目标，并且在资金上给予了很多优惠政策，为石油化工等高能耗行业进行节能降耗改造开辟了新的途径。变频调速技术以其显著的节能效果和安全易控、优质无级平滑调速、高精度控制工艺参数、投资回收期短等优势，越来越广泛地应用在石油化工行业的多种与工艺设备配套的电力拖动设备中，必将成为石油化工电力拖动的中枢设备。目前，变频调速技术已在石油化工行业的不同领域、不同深度得到了推广和应用。