浅谈炼油化工装置变频器系统的控制方案
1 概述
在工业企业中，电机是应用面最广和数量最多的电气设备之一。目前，大量交流电机均工作在固定的转速运行，这已愈来愈不能适应生产工艺对于自动化的要求。同时，其运行在低功率因数和低效率的工况下，对电能是极大浪费。
由于石化行业的日益激烈的市场竞争,对我厂石油化工产品的型号、质量、数量等提出了新的要求。为了满足这些工艺上要求,在原驱动电机上，增加变频器系统。这样既可平滑改变物料的输送量,满足了生产工艺的要求，又达到了节能的效果。
在我厂常一线、常二中采用的变频器系统，既是动力源又是改变工艺参数的执行机构，它取代了原有的执行机构——调节阀，使得介质传输工艺过程控制发生了变革。
2 变频器调速运行时的节能原理
在实际的生产过程中，各类泵的负荷选择都大于生产实际需要的流量，而在实际运行中，所需的流量往往比设计的流量小很多，如果所用的电机不能调速，通常只能通过调节阀门来控制流量，其结果在阀门上会造成很大的能量损耗。如果不用阀门调节，而是让电机调速运行，那么，当需要的流量减小时，电机的转速降低，消耗的能量会明显减小。
H（n1）,H（n2）表示调速时的Q=f（H）曲线，R1、R2表示阀门调节时的管路阻力曲线。阀门控制时，由于要减少流量，关小阀门，使阀门的摩擦阻力变大，Q2→Q1，A→B，HA→HB阀门控制时功率消耗P1由0HBBQ1表示。当调速控制时，Q2→Q1，A→C，HA→HC调速控制时功率消耗P2由0HCCQ1表示，若P1>P2则表示调速时功率消耗小于阀门节流时的功率消耗。
P=rQH泵的轴功率
Q流量H扬程r液体重度
在B点和C点运行时PB-PC=Q1（HB-HC）r这部分就是所节约的电能。
对于泵负载，有如下表达式:
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=（n1/n2）2
P1/p2=（n1/n2）3
由上式可知，当转速下降1/2时，流量下降1/2，压力下降1/4，功率下降1/8，即功率与转速成3次方的关系下降。如果不用关小阀门的方法，而是把电机的转速降下来，那么随着泵的输出压力的降低，在输送同样流量的情况下，原来消耗在阀门上的功率就可完全避免。在不装变频器时，泵的出口流量靠出口阀控制调节。流量小时，靠关小阀门调节，增加了泵管压差，使部分能量白白消耗在出口阀门上。使用变频器后，可以降低泵的转速，泵扬程也相应降低，电动机输出功率也降低了，从而消除了原来消耗在泵出口阀上的管压差。
3 变频器系统的控制方案
我厂的常一线泵B109和常二中泵B114的电动机功率分别为75kW和55kW，转速2982转/分，额定电压380V，额定电流分别为132A和103A，额定出口流量分别为28.520M3/h和20M3/h。
在正常工作负荷情况下，电机工作在额定转速2982rpm，转速不可调。为保持流量稳定，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4-20mA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。原系统实际运行中，存在以下问题:
（1）节流量较大，泵出口阀的节流量已接近泵额定流量的一半，浪费大量的电能。
（2）控制精度低，出口流量波动较大（约3％）。
（3）电机工作在额定转速，出力不变消耗电能。
（4）电机噪音较大，泵和管线阀门压力较大，易造成泄漏。
根据系统的上述工艺要求，我们对变频器系统进行设计时，遵循了以下原则:
a、保持出口流量稳定;b、出口流量的控制精度0.5%;c、电动机的转速范围应在0～2982转/分;d、根据泵的工作特性，系统设计应按恒转距原则进行;e、节能降耗;f、系统设计采用工频和变频双切换，保证的生产的连续性和可靠性，可以互为备用;g、采用两路DCS输出接点，一路控制原调节阀，一路控制变频器，在变频器故障状态时，DCS能自动识别变频故障信号，然后切换到调节阀调节流量。而当变频器处于正常运行状态时，调节阀处于全开位置;
遵照上述原则，经过调研、比较，我们选择了日本东芝A5P变频器。该变频器具有技术先进、功能齐全、结构紧凑、可靠性高等特点，专为泵和风机类负载设计。
FRH:频率设定;ACC/DEC:加/减速控制电路;A/D:模数变换;V/F:压频变换;BD:基极驱动电路;CPU:微处理器;LED:显示电路。
变频器的主电路为典型的“交—直—交”SPWM电压型主电路。
变频器的控制电路:频率给定FRH（即速度给定）经过ACC和DED加减速控制电路，变成频率和电压基准信号，分别经过A/D转换电路和V/F函数发生器电路，再进入CPU内，形成SPWM脉冲，成为IGBT的控制信号，驱动IGBT，从而使电压恒定、频率恒定的交流电，经过变频器后，变成了电压和频率可调的交流电。A5P变频器结构图如图3所示。整个控制系统采用微机进行采样、计算、实时控制、事故报警和显示。
4 变频器系统的运行情况
1997年7月，我厂在常一线泵和常二中泵电机上安装东芝A5P变频器后，运行情况与工频比较，如下所示:
（1）电机运行参数和节能情况的比较
节电功率=（（39.16×0.82×380）-（16.3×0.9×168））×1.73=16846（W）
节电率=（（39.16×0.82×380）-（16.3×0.9×158））/（39.16×0.82×380）=79%
节电功率=（（44.6×0.8×380）-（20×0.9×121））×1.73=19688（W）
节电率=（（44.6×0.8×380）-（20×0.9×121））/（44.6×0.8×380）=83%
从比较表可以看出,使用变频器后既可满足生产需要,又可大量节能。
（2）控制精度的比较
在相同的工艺条件下，采用工频和变频运行时，泵的出口流量波动曲线分别如上图4所示。所以泵采用变频调速后，流量控制精度非常高，记录仪记录的曲线为一条非常平稳的记录线。
5 应用效果及经济效益分析
变频器投入运行以来，运行可靠，自动化程度高，节能效果显著，取得了良好的经济效益。
（1）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带来的滞后现象，从而使系统控制精度提高，压力稳定，产品质量得到了提高。
（2）节能效果显著:按年8000小时计算，泵114/1年节约电量:节电率×电动机工频功率×工作时间＝79%×21.11千瓦×8000小时＝133415千瓦时泵109/2年节约电量:节电率×电动机工频功率×工作时间＝83%×23.45千瓦×8000小时＝155708千瓦时泵114/1和泵109/2共节约电费:节电量×电价=289123×0.50＝144561元变频器改造费用为15万元，所以只需1年左右，就可收回投资。
（3）维护量减少: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，使仪表的维护量减少。
（4）系统实现了软起动:由于变频器具有软起动功能，减小了对电网的冲击。
6变频器应用时应注意的问题
（1）用变频器时一定要满足工艺的要求，在某种特定环境下，老装置的机泵因扬程、流量所限制，变频器不一定适用，且非变工况运行的机泵也不宜采用。不能千篇一律照搬，而应从工艺条件、机泵本身的参数出发而定。
（2）变频器调速时，需要电气、仪表、工艺、设备各专业人员密切配合，以保证变频器安全运行。工程技术人员在安装投用前要对有关专业人员进行培训。
（3）大多数生产装置的仪表控制阀大多采用风关阀。采用变频器后，风关改为风开调节，需要注意，以免造成事故。
在工业企业中，电机是应用面最广和数量最多的电气设备之一。目前，大量交流电机均工作在固定的转速运行，这已愈来愈不能适应生产工艺对于自动化的要求。同时，其运行在低功率因数和低效率的工况下，对电能是极大浪费。
由于石化行业的日益激烈的市场竞争,对我厂石油化工产品的型号、质量、数量等提出了新的要求。为了满足这些工艺上要求,在原驱动电机上，增加变频器系统。这样既可平滑改变物料的输送量,满足了生产工艺的要求，又达到了节能的效果。
在我厂常一线、常二中采用的变频器系统，既是动力源又是改变工艺参数的执行机构，它取代了原有的执行机构——调节阀，使得介质传输工艺过程控制发生了变革。
2 变频器调速运行时的节能原理
在实际的生产过程中，各类泵的负荷选择都大于生产实际需要的流量，而在实际运行中，所需的流量往往比设计的流量小很多，如果所用的电机不能调速，通常只能通过调节阀门来控制流量，其结果在阀门上会造成很大的能量损耗。如果不用阀门调节，而是让电机调速运行，那么，当需要的流量减小时，电机的转速降低，消耗的能量会明显减小。
H（n1）,H（n2）表示调速时的Q=f（H）曲线，R1、R2表示阀门调节时的管路阻力曲线。阀门控制时，由于要减少流量，关小阀门，使阀门的摩擦阻力变大，Q2→Q1，A→B，HA→HB阀门控制时功率消耗P1由0HBBQ1表示。当调速控制时，Q2→Q1，A→C，HA→HC调速控制时功率消耗P2由0HCCQ1表示，若P1>P2则表示调速时功率消耗小于阀门节流时的功率消耗。
P=rQH泵的轴功率
Q流量H扬程r液体重度
在B点和C点运行时PB-PC=Q1（HB-HC）r这部分就是所节约的电能。
对于泵负载，有如下表达式:
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=（n1/n2）2
P1/p2=（n1/n2）3
由上式可知，当转速下降1/2时，流量下降1/2，压力下降1/4，功率下降1/8，即功率与转速成3次方的关系下降。如果不用关小阀门的方法，而是把电机的转速降下来，那么随着泵的输出压力的降低，在输送同样流量的情况下，原来消耗在阀门上的功率就可完全避免。在不装变频器时，泵的出口流量靠出口阀控制调节。流量小时，靠关小阀门调节，增加了泵管压差，使部分能量白白消耗在出口阀门上。使用变频器后，可以降低泵的转速，泵扬程也相应降低，电动机输出功率也降低了，从而消除了原来消耗在泵出口阀上的管压差。
3 变频器系统的控制方案
我厂的常一线泵B109和常二中泵B114的电动机功率分别为75kW和55kW，转速2982转/分，额定电压380V，额定电流分别为132A和103A，额定出口流量分别为28.520M3/h和20M3/h。
在正常工作负荷情况下，电机工作在额定转速2982rpm，转速不可调。为保持流量稳定，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4-20mA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。原系统实际运行中，存在以下问题:
（1）节流量较大，泵出口阀的节流量已接近泵额定流量的一半，浪费大量的电能。
（2）控制精度低，出口流量波动较大（约3％）。
（3）电机工作在额定转速，出力不变消耗电能。
（4）电机噪音较大，泵和管线阀门压力较大，易造成泄漏。
根据系统的上述工艺要求，我们对变频器系统进行设计时，遵循了以下原则:
a、保持出口流量稳定;b、出口流量的控制精度0.5%;c、电动机的转速范围应在0～2982转/分;d、根据泵的工作特性，系统设计应按恒转距原则进行;e、节能降耗;f、系统设计采用工频和变频双切换，保证的生产的连续性和可靠性，可以互为备用;g、采用两路DCS输出接点，一路控制原调节阀，一路控制变频器，在变频器故障状态时，DCS能自动识别变频故障信号，然后切换到调节阀调节流量。而当变频器处于正常运行状态时，调节阀处于全开位置;
遵照上述原则，经过调研、比较，我们选择了日本东芝A5P变频器。该变频器具有技术先进、功能齐全、结构紧凑、可靠性高等特点，专为泵和风机类负载设计。
FRH:频率设定;ACC/DEC:加/减速控制电路;A/D:模数变换;V/F:压频变换;BD:基极驱动电路;CPU:微处理器;LED:显示电路。
变频器的主电路为典型的“交—直—交”SPWM电压型主电路。
变频器的控制电路:频率给定FRH（即速度给定）经过ACC和DED加减速控制电路，变成频率和电压基准信号，分别经过A/D转换电路和V/F函数发生器电路，再进入CPU内，形成SPWM脉冲，成为IGBT的控制信号，驱动IGBT，从而使电压恒定、频率恒定的交流电，经过变频器后，变成了电压和频率可调的交流电。A5P变频器结构图如图3所示。整个控制系统采用微机进行采样、计算、实时控制、事故报警和显示。
4 变频器系统的运行情况
1997年7月，我厂在常一线泵和常二中泵电机上安装东芝A5P变频器后，运行情况与工频比较，如下所示:
（1）电机运行参数和节能情况的比较
节电功率=（（39.16×0.82×380）-（16.3×0.9×168））×1.73=16846（W）
节电率=（（39.16×0.82×380）-（16.3×0.9×158））/（39.16×0.82×380）=79%
节电功率=（（44.6×0.8×380）-（20×0.9×121））×1.73=19688（W）
节电率=（（44.6×0.8×380）-（20×0.9×121））/（44.6×0.8×380）=83%
从比较表可以看出,使用变频器后既可满足生产需要,又可大量节能。
（2）控制精度的比较
在相同的工艺条件下，采用工频和变频运行时，泵的出口流量波动曲线分别如上图4所示。所以泵采用变频调速后，流量控制精度非常高，记录仪记录的曲线为一条非常平稳的记录线。
5 应用效果及经济效益分析
变频器投入运行以来，运行可靠，自动化程度高，节能效果显著，取得了良好的经济效益。
（1）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带来的滞后现象，从而使系统控制精度提高，压力稳定，产品质量得到了提高。
（2）节能效果显著:按年8000小时计算，泵114/1年节约电量:节电率×电动机工频功率×工作时间＝79%×21.11千瓦×8000小时＝133415千瓦时泵109/2年节约电量:节电率×电动机工频功率×工作时间＝83%×23.45千瓦×8000小时＝155708千瓦时泵114/1和泵109/2共节约电费:节电量×电价=289123×0.50＝144561元变频器改造费用为15万元，所以只需1年左右，就可收回投资。
（3）维护量减少: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，使仪表的维护量减少。
（4）系统实现了软起动:由于变频器具有软起动功能，减小了对电网的冲击。
6变频器应用时应注意的问题
（1）用变频器时一定要满足工艺的要求，在某种特定环境下，老装置的机泵因扬程、流量所限制，变频器不一定适用，且非变工况运行的机泵也不宜采用。不能千篇一律照搬，而应从工艺条件、机泵本身的参数出发而定。
（2）变频器调速时，需要电气、仪表、工艺、设备各专业人员密切配合，以保证变频器安全运行。工程技术人员在安装投用前要对有关专业人员进行培训。
（3）大多数生产装置的仪表控制阀大多采用风关阀。采用变频器后，风关改为风开调节，需要注意，以免造成事故。
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