变频调速节能技术在石油化工行业上的应用

汪学峰

（中国石化集团公司九江石油化工总厂，江西 九江 332004）

石油化工行业具有高温高压、易燃易爆、连续性生产等特点，电动机作为主要的动力设备，在石油化工、石油天然气、化学工业、煤矿、冶金等行业得到广泛应用，通常用于驱动泵、风机、压缩机和其他传动机械。电动机节能潜力巨大，目前我国已经研制开发了各种类型防爆电动机变频调速产品。

2002—2011年，中国石化股份有限公司九江石化公司作为炼油、化肥、化工一体化的国有大型炼油化工联合企业，对具有节能潜力的风机、泵和压缩机配套的驱动电动机进行变频调速节能改造。公司在炼油、化工、化肥等生产装置的防爆电动机上，广泛使用了富士、东芝、西门子、三菱、ABB等各种型号的变频器，先后对化肥气化炉渣油进料泵、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、原油输送泵等重要生产装置机泵的电动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（Proportion Integration Differentiation）控制器调节软件，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，保持恒定的压力、流量和液位，满足生产装置工艺系统要求的压力。实际应用证明，当电动机在额定转速的80%下运行时，节能效率可以达到40%。变频调速器还可以实现大型防爆电动机的软起动和软停机，避免了电动机起动电流对电力系统的冲击，不仅减少了电动机、机泵和阀门设备的故障率，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。变频调速节能原理矢量图［1］图1所示。

图1 变频调速节能原理矢量图

2002—2011年，企业投入资金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。截至2010年12月，已投入运行的变频调速器有485台，总装机容量达到16MW。若按每台设备平均节电率40%计算，则每年至少可节约电能42GW·h，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。

本文介绍了变频调速节能技术在本企业炼油、化肥、化工等主要生产装置防爆电机上的应用。

1 在气化炉渣油进料泵防爆电机上的应用

渣油进料泵 A－GA101（设备位号）是本企业3×105t／a合成氨装置的重要设备，其作用是将减压渣油、脱油沥青等原料输送到气化炉。渣油进料泵的驱动电动机为德国西门子电动机，技术参数如下：电机功率P＝75kW，转速n＝2982r／min，额定电压U＝380V，额定电流I＝140A，额定出口流量Q＝28.52m3／h。原采用仪表控制系统，通过控制出口阀门的方法控制介质流量，即将差压变送器检测流量信号送至PID调节器，由PID调节器输出控制信号来控制出口调节阀的开度，从而控制出口介质流量，以保持流量稳定。

原系统运行中存在以下问题：仪表控制系统信号滞后，调节阀故障率高，控制精度低，出口介质流量波动大；出口阀门的节流量较大，接近泵额定流量的50%，浪费了大量的电能；电机运行时产生机械振荡，且振动值一直较高；电动机一直在额定转速工作，出力不变，消耗电能；电动机运行噪声较大；泵和管线阀门承受的压力较大，经常造成机封损坏，导致介质泄漏；设备故障率高，经常造成泵打不上量，严重影响了渣油进料泵长周期运行和化肥装置安全、平稳生产。

2009年6月，利用化肥装置停工检修的时机，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）的防爆电动机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信号滞后现象，解决了由于调节阀故障率高给生产带来的影响。变频调速系统控制精度高，工艺运行指标得到了优化，出口阀全开，电动机降速运行，管网压力稳定，减少了工艺设备的泄漏，降低了机泵磨损和电机温升，机泵故障率大幅降低［2］。

经变频优化改造后，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×台数＝70%×75kW×8000h×2台＝840000kW·h

节约电费＝节电量×电价＝840000kW·h×0.6元／（kW·h）＝50.4万元

该项目投资75万元，投资回收期约1.5a。

用变频器代替仪表调节阀，解决了由于调节阀故障高给生产带来的影响，系统实现了软启动，减小了电机启动时大电流对电网的冲击。2009年7月—2011年4月，变频器运行可靠，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。

2 在加热炉鼓风机防爆电机上的应用

加热炉鼓风机是企业5×106t／a常减压蒸馏装置加热炉烟气回收系统的重要设备，风机电机输出功率为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%以上的富余量。但随着常减压蒸馏装置加工量、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；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［3］。按年运行8760h计算，原设计1台鼓风机每年消耗电能1.62GW·h，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，企业在炼油装置停工检修期间对加热炉鼓风机的防爆电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，以提高加热炉烟气回收系统的效率。

选用日本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模块和东芝独特矢量运算控制，具有良好的技术性能，主要特点包括：① 电流限制功能。当机泵超过负荷时，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。② 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。③ 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。④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。⑤ 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。

2009年4月—2011年4月，加热炉鼓风机经过变频节能改造投用两年来，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、风压闭回路自动调节控制。驱动电机可以实现软起动和无级调整转速，消除了防爆电动机起动时6倍的冲击电流，避开了机械共振点，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。

由于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，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，不会因鼓风机突发故障影响装置安全生产。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，电机运行时电流由原来的220A降至90A，可满足常减压蒸馏装置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，该项目投资80万元，投资回收期约1.3a。

3 在液氨输送泵6kV高压防爆电动机上的应用

液氨输送泵 T－GA101A（设备位号）是九江石化3×105t／a合成氨装置的关键设备，将生产的液态合成氨输送到8000m3氨罐储存，该泵采用富士高压电动机，机泵技术参数：电动机功率P＝160kW，转速n＝2975r／min，额定电压U＝6kV，额定电流I＝220A，介质密度ρ＝675.6kg／m3，出口流量Q＝91.4m3／h，无负偏差，进口压力Pin＝0.01～0.08MPa，进口温度t＝－33℃，出口压力Pout＝2.6MPa，额定扬程h＝362m。

液氨输送泵为立式离心泵，采用机械密封。由于电动机长时间连续运转，负载波动大，电动机运行时产生机械振荡，振动值一直较高，加之液氨腐蚀性较强，经常造成机封损坏出现氨泄漏，液氨又很容易吸热气化，造成泵体气蚀打不上量。设备故障率高，维修工作量大，机泵2～3个月就要停机检修、更换机封，影响了设备长周期运行和装置安全、平稳生产。

2008年9月，九江石化公司对液氨输送泵防爆电动机进行变频节能改造，采用日本富士6kV／160kW的高压变频调速系统，实现自动控制电动机转速，以控制介质流量，使机泵出口阀处于全开状态，且扬程与管网阻力特性曲线相吻合，电动机降速运行，电流明显降低。改造后，氨输送泵及驱动电动机各项运行参数都在正常范围之内；电动机实现了软起动，减小了大电机起动时对电网的冲击；电动机轴承运行温度不超过60℃，振动、轴位移符合相关技术标准要求；机泵运行时的机械振荡、振动值大幅降低，轴承等机械部件磨损减少，避免了泵的抽空现象；泵端面密封系统不易损坏，有效延长了机泵轴承、机械密封等易损件的使用寿命，减少了工艺设备的泄漏；机泵故障率大幅降低，提高了设备运行的安全性和可靠性，设备维护工作量减少［4］。2008年10月～2011年4月，液氨输送泵运行2年多来，只进行了常规中修，实现了机泵的长周期运行。

此外，变频调速器的加速和减速时间可根据工艺要求调节，机械特性硬，调速性能极好。液氨输送泵变频闭环自动控制时，还可用原有的仪表信号，能满足化肥生产装置长周期、连续生产等各种严格的工艺技术要求。

液氨输送泵变频调速节能技术改造获得了良好的节能效果，节电率达到60%，年节电超过500MW·h，该项目投资100万元，投资回收期约3a。为炼油化工生产装置应用推广6kV高压电机变频节能技术积累了经验，使之成为石油化工企业节能降耗的亮点。

4 建 议

虽然，目前变频调速技术已在石油化工工业的不同领域、不同深度得到了推广和应用，特别是九江石化公司等一批领先的石油化工企业，已实现了变频调速技术的初步普及，且取得了良好的节能效果。但是，变频调速节能技术应用得还不够广泛，潜力仍然巨大。对此，笔者认为应抓好以下几个环节的工作。

（1）成套设备制造环节。要根据石油化工行业特点的需要，研发制造成套变频设备，在电力拖动系统大力推广和应用变频技术，进一步优化和完善系统配置，取得理想的节能降耗效果，达到提高企业经济效益的目的。

（2）工程设计环节。坚持同时设计、同时制造、同时订货、同时施工、同时投用的“五同时”原则，推进变频节能技术的推广普及。

（3）工业应用环节。积极推广应用变频节能技术，使其成为石油化工行业机泵电力控制的主要技术之一，对具有节能潜力的风机、泵和压缩机配套的驱动电动机进行变频调速节能改造，实现节电降耗的目的。

（4）技术研发环节。根据石油化工行业和其他行业的需求，进一步开发、丰富变频调速技术与产品，使之系列化、标准化、高技术化，为石油化工企业提供更好的变频器和成套技术系统。

5 结 语

石油化工行业是国民经济的支柱产业之一，同时也是高能耗、高污染行业。多年来，在政府大力提倡、鼓励和支持企业推广高新技术实现节能减排目标，并在资金上给予了很多优惠政策，为石油化工等高能耗行业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，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，可以满足大型石油化工装置安全稳定、长周期、连续运行的生产需要，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，是石油化工等高能耗行业挖潜改造、节能降耗、降本增效的有效途径，是石油化工工业实现可持续发展的战略需要，必将成为石油化工电力拖动的中枢设备。

［1］张燕宾.变频器应用教程［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［2］陈 伟.机泵选用［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［3］赵全庆.变频调速技术在炼油厂节能改造设计中的应用［J］.石油化工设计，2006，23（3）：38－40.

［4］刘军祥.高压变频器应用环境的研究与分析［J］.变频器世界，2010（8）：75－78.