变频技术在化工行业的应用

贺军鹏 (陕西金泰氯碱神木化工有限公司， 陕西 神木 719319)

0 引言

变频器是可以实现电源调压调频的变换设备，可以保证异步电动机产生良好的调速效果。依据生产的实际情况，对于风机、水泵等设备选择合理的变频器可以实现节能降耗的作用。化工生产中存在大量的风机、水泵以及需要实现调速的旋转类设备，所以变频器的应用具有可行性。

1 变频技术的引入

1.1 变频的定义

简单地理解，变频技术是将电路中的电流频率加以改变，变频器是完成变频功能的控制装置。变频器的组成较为复杂，主要部位包括电源板、控制板、电容等，这些元件的共同作用，可以改变变频器的电流频率。在传统的电气设备控制中，电流频率是恒定的，难以变化的。在设备运转时，转速因此也不能调节，这样的控制模式不仅降低了设备的使用寿命，还造成了电能的浪费。变频技术的引入可以解决此类问题，设备的运转速度得以变化，可以结合生产的需要来调节设备的转速，生产方式更加灵活。

1.2 变频技术的原理

在电压不发生改变的条件下，变频器借助了电力半导体器件具有的通断功能，将原有无法改变的交流电频率变成了可变化的交流电，并且借助频率的变化实现了频率变化下的调速[1]。变频技术的应用为工业生产创造了方便条件。变频技术的产生最初是为了实现电流频率变化的需求。在上世纪中期，由于技术的进步，电子器件在快速发展，从原有的晶闸管发展到绝缘栅双极型晶体管，经历了多次的更新发展，促进了变频技术的进步。在上世纪70年代，经过研究产生了倠䵗—VVVF调速，这一成果的应用带来良好的效果。在上世纪80年代PWM模式得以应用，PWM 模式是实现变频的核心技术，它的出现推动了变频技术的进一步发展，产生出多种优化模式，包括鞍形波PWM模式。在后来的发展中，发达国家推出了VVVF变频器，它的投入使用，实现了更优质的变频效果。

1.3 变频技术的作用

在化工生产中，由于变频技术的应用，在生产过程中发挥着重要的作用。首先是实现调速，在许多运转设备，调速借助转子串电阻的方式，这种技术的调速范围有限，难以保证精准，可靠性差，在使用中易引发设备故障，降低了设备寿命，增加了维修成本。借助变频技术来调速，操作简单，设备的运行更加安全可靠，降低了设备故障，设备性能得以提升。其次是实现节能，在风机、水泵等设备中，流量调节多采用改变调节气门开度的方式，造成了电能的浪费，影响经济效益。应用变频技术来调节流量，可以避免浪费现象，节能效果较好。此外，变频技术的应用还促进了产品的标准化、设备体积得以减小等，但最主要的优势体现在调速与节能。变频器原理图如图1所示。

图1 变频器原理图

2 变频技术在化工行业的具体应用

2.1 变频技术在流量调节上的应用

在化工生产中，需要对化工配料、催化剂的添加、反应釜的出料速度、液体输送的流量加以精确控制，能否保证生产过程准确灵活的流量控制对于化工产品的最终质量发挥着重要的作用。在化工生产的工艺控制中，最为有效最适合的方法就是利用变频器对生产过程加以控制，特别是在化工企业大规模生产中更有利于变频器的应用。化工生产线通常存在计量配料泵、各类反应釜以及输送泵等，不同生产线的数量各不相同，在化工生产时可以借助变频器来实现对计量配 料流量进行精确控制，还可以控制反应釜的物料流入与流出的速度，控制生产环节液体的输送流量，保证化工生产可以实现自动、精确的控制。此外，还可以解决不同浓稠液体混合时精确配比问题，保证配料可以实现动态化的控制，保证了控制的精度。由于变频器的使用，化工产品生产质量得以保证，消除人工控制流量对产品质量造成的不良影响。将变频器、控制器 PLC等加以组合，构成了功能完善的生产控制系统，这也是当前化工生产较为理想的控制模式[2]。电动机从静止到平稳转速可以借助变频器完成软启动，避免了大电流带来的冲击。

2.2 变频技术在压力调节上的应用

变频器采用了交直交电源加以变换的原理，可结合控制目标的需要输出相应的频率，输出连续可调的交流电压。在化工生产中，水泵、空压机电机转速的改变可以来调节压力，介质的供应量也随之改变。借助压力变送器可对反应罐内的压力进行不间断采样。在压力发生改变时，变频器会依据反馈信号动态调整，实现供需的动态平衡，消除了化学反应中压力不稳定的弊端。在压力容差的许可范围内，借助变频器PID调节，实现了频率的变化。保证介质流动中的压力恒定，可保证介质压力恰好满足反应需求，还可以达到恒压供给的目的。在控制电路上引入“工频”和“变频”接触器，实现了“工频运行”和“变频运行”不同模式间的切换。在工频运行条件下，变频器不进行控制，系统依据原有方式起停、工频运行；在节电模式下，系统由变频器直接完成拖动，系统结合用量的需要，自动调节电机转速，使得介质在管道始终保持恒定压力的输出。在系统中由于变频节能系统的应用，借助变频技术改变电机转速来实现管道压力的调节，取代原有的阀门调节，可以取得更好的节能效果。变频调速可以将管网压力作为控制目标，装在出口端的压力变送器可以将压力转变为电信号，变频器收到信号后内部的 PID调节器会和压力的设定值加以比较，并结合差值的变化，按照 PID控制模式运算，输出信号去改变变频器的输出电压和变频率，调整转速，保证实际压力处于设定压力。

2.3 变频技术在液位调节上的应用

在化工生产中，配料控制、催化剂的计量需要借助液压调节来实现，反应釜的液位以及液态中间体的液位调节是非常重要的化工工艺控制， 液压控制的灵活性和精确度会直接影响产品的品质。要保证灵活、精确的液位控制有多种多样的方式， 变频器是最为有效的方式之一。变频器可以实现智能化的过程控制，因变频器更适合于大规模的化工生产线的应用[3]。化工生产线存在数量不等的反应釜、计量配料泵与输送泵等。在反应过程中， 反应釜的液位控制、计量泵的液位精确定量控制与生产中不同环节的匹配输送可以借助变频器来实现执行功能，以实现化工生产全过程的自动控制。除了上述与生产直接相关的优势外，变频器的应用还会解决浓稠液体的液位难以实现精确控制的弊端，实现了配料的精确，保证了控制的动态精度。变频器的应用可以最大限度消除操作人员存在的人为因素对品质造成的不利影响。在当前技术条件下， 化工生产控制系统控是由变频器、 控制器PLC、监视系统构成的。该系统的应用体现出液位控制低成本投入，降低维护工作量的优势。

3 变频技术的节能方式

3.1 降低化工工艺中的动力损耗

在化工企业的生产中，工艺设计中发生能源损耗主要为动力损耗，因此采用技术措施降低生产中的动力损耗，有利于降低化工企业的能源支出。化工企业引入变频技术可以提升调节效果，调节仪器设备处于更优的运作模式下，可以利用变频技术对阀门类常规调节系统加以改造升级，降低仪器设备的电量损耗。结合化工企业的生产特点，分析不同设备的工作状况，优化调控装置，可以借助化工设备的工艺交叉点，减少化工工艺中的动力损耗。

3.2 完善化工生产的工艺条件

化工生产的工艺条件不仅会影响到产品品质，还有利于降低化工生产中的能源损耗，对化工生产条件加以改善，可以推动节能技术在化工生产中的应用。当生产中外部压力不合理时，生产中的能源损耗会增加。针对工艺条件，结合化学属性与物理属性，借助变频技术改善反应条件，比如控制生产中的反应温度，以保证热能利用率的提升，减少能源损耗。借助变频技术控制化学反应中的压力，可以提高化学原材料的利用率，推动生产中的主反应效果，降低生产中副反应的发生[4]。因此借助变频技术完善化工中的工艺条件，有利于降低能源损耗，提高原料利用率，降低化工中生产中的能源损耗。

4 变频技术应用于化工行业的节能应用

4.1 启动时节能

在化工企业生产过程中，电机难以正常启动，电网会受到冲击，大型电机在启动时需要高的电网容量，所以在启动时会发生较大的冲击震动与大的电流波动，启动若不正常，电机启动时部分元件会发生损坏，机电设备的寿命也会受到影响。如果变频技术应用于化工企业的生产中，电机的起动可以在电流是零的时候开始，电流不会超过额定电流，电网受到的冲击也会大幅降低，消除了大电流的影响，电机驱动的各类辅助部位也可以得到保护，变频技术的应用，降低了化工企业设备的维修费用。

4.2 功率方面的节能

无功功率会引发化工设备产生发热或线损问题，若降低功率因数，电网的有功功率就会降低，会导致大量的无功电能被消耗，这样会造成电能的浪费，化工企业设备的使用年限会因此降低。变频技术的应用可以对内部的滤波电容起保护作用，并且可以降低无功功率引起的电能消耗，提升配电的有功功率，实现了节能的效果。

4.3 在变频方面的节能

电机如果长期处于过负荷状态下，正常运行会受到影响。要保证动力驱动的效果，要消耗有功功率，这会导致电能的浪费。传统化工的设备是借助调节出口或入口的阀门或挡板以实现调节水量或风量的作用，这个过程需要的功率是较大的[5]。应用变频技术后，如果要控制流量、压力，可以通过改变机电设备的转速来实现流量、压力调节的作用，这种操作方式，降低了输入的功率，同步降低了电能损耗，使得化工企业的电能利用更加科学合理。

4.4 变频技术的节能效益

某化工企业引入变频技术后，生产线的节能效果明显。

生产线工频运行年耗电量统计如表1所示。

表1 生产线工频运行年耗电量统计

变频下生产线实际运行参数如表2所示。

表2 变频下生产线实际运行参数

结合表1表2，计算生产线在变频运行方式下的耗电量，如表3所示。

表3 生产线变频运行年耗电量

综合以上表格，年节电量为1 784 852-1 484 529＝300 323 kW·h，按照上网电价0.339 4元∕kW·h计算，变频技术应用后年节电效益为300 323×0.339 4＝10.19万元。变频技术的应用，节电效益明显。

5 结语

变频技术应用于化工行业，在化工生产中发挥着重要的作用。随着技术的发展，变频技术也会渗透到化工生产的多个环节，实现生产的高效率、高质量。变频技术的应用推动了化工行业的节能减排，为化工生产的顺利进行创造了条件，推动了化工技术的发展，同时也使得企业获得良好的经济效益。