摘要 針對(duì)石化設(shè)備的特點(diǎn)，分析了設(shè)備應(yīng)用變頻技術(shù)后的節(jié)能效果，以催化裂化裝置為例，對(duì)變頻系統(tǒng)出現(xiàn)的問題提出了解決方案。
關(guān)鍵詞 石化 設(shè)備 變頻 催化裂化 節(jié)能
中圖分類號(hào) TE964 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B

    石化企業(yè)80％的電耗用于機(jī)泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)，近年來，中石化濟(jì)南分公司通過應(yīng)用電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)，取得了良好的節(jié)電效果和經(jīng)濟(jì)效益。
    一、節(jié)能分析

   以離心泵為例，管路流程見圖1，管徑相同的吸入、排除管路串聯(lián)輸送液體，所需的能量（機(jī)泵有效揚(yáng)程H）用伯努利方程表示為：
    H=△p/γ+△Z+h                              (1)
    △p= p_b—p_a                                 (2)
    △Z=Z_b—Z_a                                  (3)
    h=KQ²                                       (4)
式中 p_a一吸液罐液面壓力，MPa
     p_b—排液罐液面壓力，MPa
     △p—吸、排液罐液面壓力差，MPa
     Z_a—吸液罐液面至泵軸中心線距離，m
     Z_b一排液罐液面至泵軸中心線距離，m
     △Z一液體舉升高度，m
     γ一液體重度，kgf/m³
     △p/γ+△Z一靜揚(yáng)程
     h—液體流經(jīng)管路時(shí)的總流動(dòng)損失，m
     K—管路特性系數(shù)，與管路長度、截面積、各種阻力系數(shù)等有關(guān)
     Q—管路中液體流量，m³/s
    實(shí)際生產(chǎn)過程中，靜揚(yáng)程與Q無關(guān)，基本不變。對(duì)于相同工況，隨著靜揚(yáng)程減小，H亦變小，H中克服總流動(dòng)損失h的能頭比例將增大，設(shè)備變頻調(diào)速的節(jié)電效果明顯，典型工藝流程如塔中段循環(huán)回流泵和多數(shù)塔頂冷回流泵等，均具有泵吸、排液面壓力及液面高度相當(dāng)?shù)奶攸c(diǎn)(p_a≈p_b、Z_a≈Z_b)，即△p/γ+△Z →0，低負(fù)荷時(shí)，變頻調(diào)速后節(jié)電率一般為60%~70%，個(gè)別泵甚至超過85%。對(duì)于工作在吸、排液面壓差大或位差大工藝流程的設(shè)備，設(shè)備變頻調(diào)速的節(jié)電效果則不明顯，如高中壓過程的機(jī)泵，由于△p/γ+△Z >h，即使在低負(fù)荷下運(yùn)行，H中靜揚(yáng)程所占比例也較大，變頻調(diào)速后節(jié)電率通常小于30%。
    二、應(yīng)用對(duì)比
    企業(yè)1998年、2001年對(duì)140萬t/a催化裂化裝置中的12臺(tái)機(jī)泵增加了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，液體流量由調(diào)節(jié)閥控制改為轉(zhuǎn)速控制，調(diào)節(jié)閥開度增大或全開，泵出口壓力大幅下降，電機(jī)電流、電壓均有不同程度的改善，見表1。

    從表1看到，由于P103/1、P204/2、P206/2、P302/2、P303的△p/γ+△Z值較小，因此節(jié)能效果明顯。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，出口閥不再節(jié)流，管路特性曲線h—Q相應(yīng)趨緩（K值變?。?，使得機(jī)泵在轉(zhuǎn)速降低時(shí)，新工作點(diǎn)流量能夠大于原工作點(diǎn)流量(QB1>QA1)，見圖2。

    以P103為例，實(shí)際生產(chǎn)中催化裂化裝置需要大摻渣比和大劑油比，外取熱器取熱負(fù)荷大幅度提高，正常發(fā)汽量達(dá)40~55t/h，需要2臺(tái)泵P103/1、2 (H=77.4m、Q=400m³/h)同時(shí)運(yùn)行才能滿足循環(huán)倍率8~10的要求。變頻調(diào)速后，循環(huán)倍率由人工控制節(jié)流閥改為DCS控制，只需1臺(tái)泵運(yùn)行（P103/1）即可達(dá)到循環(huán)流量，P103/1變頻控制后最大安全流量將近700m³/h，電流僅為193A，低于電機(jī)額定電流，機(jī)泵密封的使用壽命超過1年，提高了設(shè)備運(yùn)行可靠性。
    三、應(yīng)用中的問題
    1．閥門的調(diào)節(jié)
    在泵控制回路中，調(diào)節(jié)閥C處的管路一般存在縮頸和閥自身的節(jié)流壓降，盡管投入變頻系統(tǒng)后可將調(diào)節(jié)閥全開，但依然存在部分節(jié)流損失。對(duì)于出口為單回路的機(jī)泵（P204/2、P206/2等），設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)將調(diào)節(jié)閥的副線閥D全開，可進(jìn)一步減少節(jié)流損失。而多回路的機(jī)泵(P301/1、P308/2)，由于回路管路特性不同，互相影響，設(shè)備運(yùn)行中不可能將調(diào)節(jié)閥D、d完全打開，需要在操作中不斷調(diào)節(jié)優(yōu)化，在降低電機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)盡可能加大調(diào)節(jié)閥開度，降低節(jié)流損失，見圖3。

    2．電機(jī)保護(hù)
    管路特性曲線只要發(fā)生趨緩變化（管路阻力變?。瑒t無論是否應(yīng)用變頻調(diào)速，在調(diào)節(jié)流量過程中均要注意流量上限或機(jī)泵負(fù)荷的問題。圖2中，機(jī)泵在管路特性曲線R1（閥門節(jié)流）下運(yùn)行，變頻器可以在0~50H，范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整，不會(huì)引起電機(jī)過負(fù)荷但實(shí)際應(yīng)用變頻系統(tǒng)時(shí)要將節(jié)流閥全部打開，管路特性曲線由R₁變?yōu)镽₂，根據(jù)流體力學(xué)理論，Q∝n，H∝n²，N∝n³，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行接近額定轉(zhuǎn)速n_N時(shí)，變頻器、電機(jī)負(fù)荷N將大幅度增加，導(dǎo)致變頻器過流保護(hù)，因此要注意變頻器調(diào)整的頻率上限，避免電機(jī)過負(fù)荷。例如標(biāo)定P103/1當(dāng)前最大安全運(yùn)行上限：輸入信號(hào)85%、42.5Hz、電壓304V、電流190A、流量710m³/h (P103額定功率1l0kW，額定電流205A）。另外，水泵、電機(jī)、變頻器的效率會(huì)隨電機(jī)轉(zhuǎn)速改變而變化，當(dāng)離心泵轉(zhuǎn)速偏離額定轉(zhuǎn)速較大時(shí)，效率下降，實(shí)踐表明電機(jī)在相對(duì)轉(zhuǎn)速低于25%、變頻器在電機(jī)相對(duì)轉(zhuǎn)速低于50％時(shí)，效率下降很快，因此從效率角度考慮，變頻調(diào)速的幅度應(yīng)限制在一定范圍。
    3．電流顯示
    本例變頻系統(tǒng)中的電流表沿用原電氣回路的普通電流表，此類電流表針對(duì)工頻正弦波電流設(shè)計(jì)生產(chǎn)，變頻器輸出側(cè)電流波形存在畸變，已不是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，因此普通電流表無法準(zhǔn)確計(jì)量實(shí)際電流值，即使變頻器輸出50Hz電流，電流表顯示值與變頻器實(shí)際輸出電流值也存在較大誤差，若變頻器工作在低頻狀態(tài)，誤差會(huì)更大，見圖4。通過技術(shù)改造可解決電流表指示偏差問題，用變頻器AM的電流輸出端口作為計(jì)量回路電流表的指示，現(xiàn)場和盤上選用1mA直流電流表，再經(jīng)過設(shè)置、調(diào)試使現(xiàn)場電流表指示和變頻器實(shí)際輸出電流值完全吻合，以便用戶根據(jù)電流表判斷電機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷。

    4．變頻器維護(hù)
    (1)參數(shù)設(shè)置?，F(xiàn)代變頻器功能強(qiáng)大，用戶應(yīng)根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)和制造工藝合理配置參數(shù)，否則變頻器的保護(hù)功能在設(shè)備運(yùn)行過程中會(huì)頻繁出現(xiàn)，影響生產(chǎn)的順利進(jìn)行。
    (2)散熱。變頻器故障率隨溫度升高成指數(shù)上升，由于夏季氣溫高、散熱不良導(dǎo)致催化裂化裝置中約95％的變頻器動(dòng)作保護(hù)，因此用戶選擇、安裝變頻器時(shí)應(yīng)考慮散熱問題，平時(shí)要定期清理變頻器內(nèi)部，采取有效的通風(fēng)降溫措施。