機(jī)泵是煉油廠的心臟，在煉油過程中機(jī)泵輸送的物流總量約為原油加工量的40多倍，所以耗電量大是可想而知的。在煉油裝置中，電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用面最廣、數(shù)量最多的電氣設(shè)備之一，其大部分負(fù)載為機(jī)泵，而定速泵在所耗功率中，被工藝物流吸收作有用功率的僅占30%-40%，其60%-70%的電能消耗于調(diào)節(jié)閥節(jié)流控制壓降和因?yàn)樘幚砹?、及設(shè)計(jì)裕量大所造成的“大馬拉小車”而導(dǎo)致的泵出口閥壓降上。 　　機(jī)泵節(jié)能的根本問題在于如何使控制方案與實(shí)際負(fù)荷相匹配，使之在控制過程中降低阻力，提高系統(tǒng)效率。這就為變頻調(diào)速技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用空間。實(shí)踐證明，變頻調(diào)速裝置是企業(yè)技術(shù)改造、節(jié)能降耗的理想設(shè)備。毫無疑問，這種調(diào)速方式將成為石化企業(yè)中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的中樞。 　　一、離心泵性能概述 　　在煉油化工行業(yè)，泵無處不在。正確選擇和使用泵，就要從了解泵的性能開始。離心泵的主要性能參數(shù)包括流量Q、揚(yáng)程H、功率N和效率η。在轉(zhuǎn)速一定時(shí)，離心式泵的特性曲線如下（圖一）： 而在轉(zhuǎn)速變化時(shí)，由泵的近似法則: n/n1=Q/Q1 H/H1=[n/n1]3 N/N1= [n/n1]3=[Q/Q1]3 （公式一） 二、變頻泵的選擇 　　泵類的選擇，多是根據(jù)滿負(fù)荷工作需要來選型。實(shí)際應(yīng)用中，泵在大部分時(shí)間并非工作于滿負(fù)荷狀態(tài)。 　　由上面公式一可以看出當(dāng)改變泵的轉(zhuǎn)速時(shí)，其流量、揚(yáng)程及功率都變化。功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，轉(zhuǎn)速降低時(shí)功率大大降低。例如當(dāng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速的80%運(yùn)行時(shí)，理論上其消耗的功率為額定功率的（80%）3，即51.2%，除去機(jī)械損耗、電機(jī)銅、鐵損等影響，節(jié)能效率也接近40%。由于轉(zhuǎn)速與頻率成正比，變頻節(jié)能即源于此。 　　在泵的使用中，由于交流電機(jī)調(diào)速很困難，同時(shí)大電機(jī)在工頻狀態(tài)下頻繁開、停，電力沖擊較大，勢(shì)必造成電能損耗和開、停機(jī)時(shí)的電流沖擊。因而傳統(tǒng)泵常用擋風(fēng)板、回流閥或開、停機(jī)時(shí)間來調(diào)節(jié)流量。 　　采用變頻器直接控制泵類負(fù)載是一種科學(xué)的控制方法。裝置中介質(zhì)的流量、液面、溫度和壓力等工藝參數(shù)由變送器檢測(cè)送至調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID控制運(yùn)算，以4～20mADC電信號(hào)送至變頻器，調(diào)節(jié)機(jī)泵轉(zhuǎn)速，從而控制工藝參數(shù)。若原系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥為風(fēng)關(guān)閥，則需增加信號(hào)倒相器，將4～20mADC信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?0～4mADC信號(hào)。 　　由于變頻器可實(shí)現(xiàn)大電動(dòng)機(jī)的軟停、軟起，避免了啟動(dòng)時(shí)的電壓沖擊，減少電動(dòng)機(jī)故障率，延長(zhǎng)使用奉命，同時(shí)也降低了對(duì)電網(wǎng)的容量要求和無功損耗，因此為達(dá)到節(jié)能目的推廣使用變頻器已成為各地節(jié)能工作部門以及各單位節(jié)能工作的重點(diǎn)。 　　三、變頻泵的節(jié)能理論分析 　　變頻調(diào)速技術(shù)通過改變電動(dòng)機(jī)定子電源頻率來改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，相應(yīng)地改變機(jī)泵的轉(zhuǎn)速和工況，使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)管網(wǎng)介質(zhì)流量的變化。 如圖二所示，ｎ為泵特性曲線，A為管路特性曲線，H0為管網(wǎng)未端的服務(wù)壓力，H’為泵出口壓力。當(dāng)流量達(dá)到最大（Qmax）時(shí)，泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)，出口閥門全開，達(dá)到了滿負(fù)荷運(yùn)行，泵的特性曲線n0和管網(wǎng)特性曲線A0匯交于ｂ點(diǎn)，則其工況點(diǎn)為ｂ，此時(shí)，泵的出口壓力為H’，未端服務(wù)壓力剛好為H0。當(dāng)流量從Qmax減少到Q1的過程中，泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠泵出口閥門關(guān)小控制:此時(shí)，管網(wǎng)阻力特性曲線變陡（A2），泵的工況點(diǎn)由ｂ上滑到ｃ點(diǎn)，而管網(wǎng)所需的揚(yáng)程將由ｂ點(diǎn)下滑到ｄ點(diǎn)，這樣，ｃ點(diǎn)和ｄ點(diǎn)揚(yáng)程的差值即為全速泵的能量浪費(fèi)。泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，管網(wǎng)壓力恒定來控制:此時(shí)，當(dāng)流量為Qmax下降到Q1時(shí)，泵降低轉(zhuǎn)數(shù)，泵特性曲線變?yōu)閚1，其工況點(diǎn)為ｄ，正好落在管路特性曲線A0上，這樣可使泵工作點(diǎn)始終沿A0滑動(dòng)。管網(wǎng)的服務(wù)壓力H0恒定不變，其揚(yáng)程與系統(tǒng)阻力相適應(yīng)，沒有能量的浪費(fèi)，從而達(dá)到了調(diào)速節(jié)能的目的。 　　圖二 變頻調(diào)速特性曲線 　　在節(jié)能上，單回路閉環(huán)自動(dòng)控制變頻運(yùn)行節(jié)電原因是：變頻運(yùn)行時(shí)，介質(zhì)走控制閥組的副線閥 ，且副線閥可全開，泵出口閥全開。而以往不使用變頻器時(shí)，調(diào)節(jié)工藝參數(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是控制閥，其控制閥開起又不大，阻力降損大。 　　出口單回路閉環(huán)自動(dòng)控制的離心泵，一般來說，在裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)的情況下仍有節(jié)電效果， 原因是：工頻運(yùn)行時(shí)，介質(zhì)走控制閥縮徑節(jié)流路線，變頻運(yùn)行時(shí)介質(zhì)走公稱直徑高一個(gè)檔次的副線閥（全開）的路線，減少了壓頭損失。單回路閉環(huán)控制離心泵變頻運(yùn)行一般來說節(jié)電效果好，但也有個(gè)別因工況差異，節(jié)電率有所下降：一是控制閥后管路系統(tǒng)工藝要求的操作壓力較大，而離心泵工頻與變頻運(yùn)行的泵出口 壓力差不大，則節(jié)電率有所降低。其次是變頻泵打出來的介 質(zhì)不流經(jīng)控制閥組的副線閥，而仍走控制閥路線，則節(jié)電率低。 　　四、變頻泵應(yīng)用在烏石化節(jié)能效果計(jì)算 　　當(dāng)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速N運(yùn)行，若想減小管道流量到Q1，則必須減小閥門開度到，這使得閥前壓力由原來的P0降到Ph。閥前閥后存在一個(gè)較大的壓差 △P=Pq-Ph 　　如果讓閥門全開，采用變頻調(diào)速，使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速至n1，且流量等于Q1，壓力等于Ph，那么在工藝上則與閥門調(diào)節(jié)一樣，達(dá)到控制的要求。而在電機(jī)的功耗上則大不一樣，泵的軸功率與流量Q和壓力P的乘積成正比見公式二。 N = QPρ/102η （公式二） 其中：ρ輸送液體密度。 η泵的總效率。 　　在流量為Q1，用閥門節(jié)流時(shí)，令電動(dòng)機(jī)的功率為N1=KPhQ1，用變頻調(diào)速比閥門節(jié)流節(jié)省的電能： 　　　　　　　　　Ni-N1=K（Pq-Ph）Q1=Q1△P （公式三） 可見，流量越低，閥門前后壓差越大，也就是說用變頻調(diào)速在流量小、轉(zhuǎn)速低時(shí)，節(jié)能效果更好。 下面我用兩個(gè)例子說明： 　　一、烏石化輸送原油的泵P-1/1，原配用357kW電機(jī)，全年十個(gè)月運(yùn)行，平均控制閥開度在40%以下。設(shè)電機(jī)全速供量為Qn，空載損耗為0.1。每天總供風(fēng)量為40%Qn，則全速Pq=（357-357＊0.1）kW=321.3kW。（下標(biāo)q為全速，下同） 1、現(xiàn)采用上海科達(dá)機(jī)電控制有限公司提供的MAXF高壓變頻調(diào)速裝置500kw電動(dòng)機(jī)。每天只需功率 Pb=（500＊0.1+（40%）×500）kW=250kW （下標(biāo)b為變頻，下同） 節(jié)約的功率：Pj=（321.3-250）kW=71.3kW （下標(biāo)j為節(jié)約，下同） 2、如果電費(fèi)按0.46元/kW小時(shí)計(jì)算，每年藥的電費(fèi)是： 　　　　　　　71.3kW×24×300×0.46元/kWh=236145.6元=24萬元 　　二、烏石化輸送拔頭油的泵P-3/1，原配用315kW電機(jī)，全年十個(gè)月運(yùn)行以上，平均控制閥開度在50%以下。設(shè)電機(jī)全速供量為Qn，空載損耗為0.1。每天總供風(fēng)量為50%Qn，則全速Pq=（315-315＊0.1）kW=283.5kW。 1、現(xiàn)采用上?？七_(dá)機(jī)電控制有限公司提供的MAXF高壓變頻調(diào)速裝置315kw電動(dòng)機(jī)。每天只需功率 Pb=（315＊0.1+（50%）×315）kW=189kW 節(jié)約的功率：Pj=（283.5-189）kW=94.5kW 2、如果電費(fèi)按0.46元/kW小時(shí)計(jì)算，每年藥的電費(fèi)是： 　　　　　　　94.5kW×24×300×0.46元/kWh=312984元=31萬元 　　變頻調(diào)速用變壓器的售價(jià)由其容量而定：300KVA—700KVA的報(bào)價(jià)在6.7萬到10.8萬之間，整個(gè)變頻裝置的售價(jià)稍稍估算一下，由以上情況可知，一年內(nèi)輕易可收回投資. 　　五、變頻裝置現(xiàn)場(chǎng)的合理加減速時(shí)間問題 　　變頻器在煉油廠一般負(fù)載上使用，其電氣參數(shù)的設(shè)置較為簡(jiǎn)單，一般技術(shù)人員經(jīng)過簡(jiǎn)單培訓(xùn)后都能掌握，但在掌握一般性原則后還要注意負(fù)載的特殊性。一般變頻泵最常見問題也是最容易錯(cuò)誤的是：合理的加減速時(shí)間。 所謂“合理”，是針對(duì)一些錯(cuò)誤的觀念而言。我們知道，根據(jù)所驅(qū)動(dòng)負(fù)載性質(zhì)的不同，主要是負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小，變頻器在起動(dòng)和停止電動(dòng)機(jī)時(shí)所需時(shí)間不同，過短的加減速時(shí)間 會(huì)導(dǎo)致變頻器在加速過程中過電流、在減速過程中過電壓保護(hù)。但這樣一來就很容易產(chǎn)生一個(gè)誤區(qū)：只要變頻器不跳閘保護(hù)、加減速時(shí)間越長(zhǎng)越好。這種觀點(diǎn)在許多技術(shù)人員的概念中普遍存在，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)變頻器無論驅(qū)動(dòng)什么負(fù)載，加減速時(shí)間都在2min以上甚至更長(zhǎng)。這種觀念的問題就在于片面地考慮了變頻器單機(jī)的運(yùn)行，而忽略了整個(gè)系統(tǒng)的控制性能和效率。無論是改造還是新建項(xiàng)目，裝置中的變頻器頻率控制命令（4～20mA DC）一般由儀表系統(tǒng)或DCS系統(tǒng)給定，在沒有使用變頻器之前，這個(gè)信號(hào)是用來控制閥門開度的，由于閥門跟隨信號(hào)變化的動(dòng)作很快，因此，為防止閉環(huán)控制系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，儀表或DCS中PI調(diào)節(jié)器的比例增益P參數(shù)通常設(shè)置的較小，而積分時(shí)間t參數(shù)則相對(duì)較長(zhǎng)。這時(shí)如果加減速時(shí)間長(zhǎng)，那么變頻器輸出長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到給定命令值，再進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，這就使得整個(gè)系統(tǒng)跟隨性差，調(diào)節(jié)緩慢， 同時(shí)，對(duì)外部擾動(dòng)的控制能力變差，容易處于小幅不穩(wěn)定狀態(tài)中，控制效率較低，在負(fù)荷經(jīng)常變化的工位尤其突出。這種情況在實(shí)際生產(chǎn)中因設(shè)備外表正常而很容易被忽略。正確的做法是：區(qū)分泵和風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)允許的情況下測(cè)試負(fù)載允許的盡可能短的加減速時(shí)間并加以設(shè)定。 　　我廠新近的上海科達(dá)機(jī)電控制有限公司提供的MAXF高壓變頻裝置性能：說明中說過載能力在1.6倍時(shí)，可以堅(jiān)持60s；采用高效銅散熱技術(shù)；單元中增設(shè)了dv/dt抑制電路，降低對(duì)其他設(shè)備的干擾；參數(shù)設(shè)置較為簡(jiǎn)單；整體性能良好。但對(duì)于上述問題，在使用中還是要注意一下為好。 六、變頻調(diào)速技術(shù)的展望 1．變頻調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大。 　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、大功率電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，大規(guī)模集成電路和微機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，交流電動(dòng)機(jī)變頻技術(shù)已日趨完善，變頻調(diào)速器用于交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速，其性能勝過以往任何一種交流調(diào)速方式，已成為電動(dòng)機(jī)調(diào)速最新潮流。在國(guó)外交頻調(diào)速已廣泛在鋼鐵、有色冶金、油田、煉油、石化、化工、紡織、印染、醫(yī)藥、造紙、卷煙、高層建筑供水、建材及機(jī)械行業(yè)應(yīng)用，功率大到上萬千瓦的軋鋼機(jī)，小到只有幾十瓦的公園噴水頭，從工廠裝備到家用電器，應(yīng)用范圍相當(dāng)廣闊，并且還將繼續(xù)擴(kuò)大，在日本100KVA的各種變頻器銷售量在1988到1993車五年內(nèi)多數(shù)增加了一倍，在我國(guó)亦可看到這種銷售勢(shì)頭。 　　耗電大、生產(chǎn)環(huán)境惡劣的行業(yè)對(duì)推廣變頻技術(shù)尤具有積極性，雖然要初次投資，但是一般一到二年時(shí)間節(jié)電的效益足以回收成本，至于改善生產(chǎn)環(huán)境，減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，已不是用經(jīng)濟(jì)效益可以估算。 2．變頻器自八十年代初以來；國(guó)際市場(chǎng)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的商品化，變頻技術(shù)的發(fā)展主要有以下幾個(gè)趨勢(shì)： （1）大功率開關(guān)器件更新?lián)Q代速度加快，電壓、電流頻率定額不斷提高，開關(guān)損耗不斷減少，開關(guān)頻率不斷提高。 （2）變頻器產(chǎn)品系列化、通用化、小型化，目前在市場(chǎng)已可看到用于一般產(chǎn)業(yè)用和用于風(fēng)機(jī)和泵類的兩個(gè)系列，功率從0.4千瓦到280千瓦。產(chǎn)品不同功率都統(tǒng)一了功能，統(tǒng)一了性能，統(tǒng)一了式樣，統(tǒng)一了端子符號(hào)，統(tǒng)一功能碼內(nèi)容等；方便了設(shè)計(jì)和維修。由于集成電路的高密度和冷卻技術(shù)的高效率，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了小型化，體積只有過去的60％。 （3）性能智能化：新產(chǎn)品采用了對(duì)電動(dòng)機(jī)的最先進(jìn)的轉(zhuǎn)矩矢量控制，能獲得與負(fù)載自動(dòng)適應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩；低速時(shí)提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，大幅度提高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度等。 （4）裝置功能多樣化：提供便于安全、便于操作的顯示器、監(jiān)視器、測(cè)試器，各種完善的保護(hù)環(huán)節(jié)，便于維護(hù)更換的模塊和器件等。 七、結(jié)束語 烏石化新進(jìn)的上海科達(dá)機(jī)電控制有限公司的MAXF高壓變頻裝置，目前正處于運(yùn)行期，其性能還有待長(zhǎng)期的觀察。對(duì)于它為烏石化煉油在節(jié)能上的表現(xiàn)，大家都在拭目以待。希望通過本文簡(jiǎn)單闡述，可以讓大家對(duì)變頻泵有一定的了解。 參考文獻(xiàn) [1] 王小鵬. 變頻調(diào)速技術(shù)在煉油化工生產(chǎn)裝置上的應(yīng)用. 江西能源，2002（3）. 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