变频器系统的控制方案在炼油化工装置的应用

1 概述 　　在工业企业中，电机是应用面zui广和数量zui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。图1为典型的泵类负载在不同转速时的特性曲线。 　　图中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。如图2所示。 　　由图可以看出，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。其结构图如图3所示。 　　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。