機泵是煉油廠的心臟，在煉油過程中機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，電動機是應(yīng)用面最廣、數(shù)量最多的電氣設(shè)備之一，其大部分負載為機泵，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)流控制壓降和因為處理量、及設(shè)計裕量大所造成的“大馬拉小車”而導致的泵出口閥壓降上。 　　機泵節(jié)能的根本問題在于如何使控制方案與實際負荷相匹配，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、揚程H、功率N和效率η。在轉(zhuǎn)速一定時，離心式泵的特性曲線如下（圖一）： 而在轉(zhuǎn)速變化時，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)滿負荷工作需要來選型。實際應(yīng)用中，泵在大部分時間并非工作于滿負荷狀態(tài)。 　　由上面公式一可以看出當改變泵的轉(zhuǎn)速時，其流量、揚程及功率都變化。功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，轉(zhuǎn)速降低時功率大大降低。例如當電機在額定轉(zhuǎn)速的80%運行時，理論上其消耗的功率為額定功率的（80%）3，即51.2%，除去機械損耗、電機銅、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，由于交流電機調(diào)速很困難，同時大電機在工頻狀態(tài)下頻繁開、停，電力沖擊較大，勢必造成電能損耗和開、停機時的電流沖擊。因而傳統(tǒng)泵常用擋風板、回流閥或開、停機時間來調(diào)節(jié)流量。 　　采用變頻器直接控制泵類負載是一種科學的控制方法。裝置中介質(zhì)的流量、液面、溫度和壓力等工藝參數(shù)由變送器檢測送至調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID控制運算，以4～20mADC電信號送至變頻器，調(diào)節(jié)機泵轉(zhuǎn)速，從而控制工藝參數(shù)。若原系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥為風關(guān)閥，則需增加信號倒相器，將4～20mADC信號轉(zhuǎn)變?yōu)?0～4mADC信號。 　　由于變頻器可實現(xiàn)大電動機的軟停、軟起，避免了啟動時的電壓沖擊，減少電動機故障率，延長使用奉命，同時也降低了對電網(wǎng)的容量要求和無功損耗，因此為達到節(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。 　　三、變頻泵的節(jié)能理論分析 　　變頻調(diào)速技術(shù)通過改變電動機定子電源頻率來改變電動機轉(zhuǎn)速，相應(yīng)地改變機泵的轉(zhuǎn)速和工況，使其流量與揚程適應(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。當流量達到最大（Qmax）時，泵全速運轉(zhuǎn)，出口閥門全開，達到了滿負荷運行，泵的特性曲線n0和管網(wǎng)特性曲線A0匯交于ｂ點，則其工況點為ｂ，此時，泵的出口壓力為H’，未端服務(wù)壓力剛好為H0。當流量從Qmax減少到Q1的過程中，泵全速運轉(zhuǎn)，靠泵出口閥門關(guān)小控制:此時，管網(wǎng)阻力特性曲線變陡（A2），泵的工況點由ｂ上滑到ｃ點，而管網(wǎng)所需的揚程將由ｂ點下滑到ｄ點，這樣，ｃ點和ｄ點揚程的差值即為全速泵的能量浪費。泵變速運轉(zhuǎn)，管網(wǎng)壓力恒定來控制:此時，當流量為Qmax下降到Q1時，泵降低轉(zhuǎn)數(shù)，泵特性曲線變?yōu)閚1，其工況點為ｄ，正好落在管路特性曲線A0上，這樣可使泵工作點始終沿A0滑動。管網(wǎng)的服務(wù)壓力H0恒定不變，其揚程與系統(tǒng)阻力相適應(yīng)，沒有能量的浪費，從而達到了調(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)自動控制變頻運行節(jié)電原因是：變頻運行時，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，調(diào)節(jié)工藝參數(shù)的執(zhí)行機構(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)自動控制的離心泵，一般來說，在裝置滿負荷生產(chǎn)的情況下仍有節(jié)電效果， 原因是：工頻運行時，介質(zhì)走控制閥縮徑節(jié)流路線，變頻運行時介質(zhì)走公稱直徑高一個檔次的副線閥（全開）的路線，減少了壓頭損失。單回路閉環(huán)控制離心泵變頻運行一般來說節(jié)電效果好，但也有個別因工況差異，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)能效果計算 　　當電機以額定轉(zhuǎn)速N運行，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。閥前閥后存在一個較大的壓差 △P=Pq-Ph 　　如果讓閥門全開，采用變頻調(diào)速，使風機轉(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，達到控制的要求。而在電機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，令電動機的功率為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，節(jié)能效果更好。 下面我用兩個例子說明： 　　一、烏石化輸送原油的泵P-1/1，原配用357kW電機，全年十個月運行，平均控制閥開度在40%以下。設(shè)電機全速供量為Qn，空載損耗為0.1。每天總供風量為40%Qn，則全速Pq=（357-357＊0.1）kW=321.3kW。（下標q為全速，下同） 1、現(xiàn)采用上海科達機電控制有限公司提供的MAXF高壓變頻調(diào)速裝置500kw電動機。每天只需功率 Pb=（500＊0.1+（40%）×500）kW=250kW （下標b為變頻，下同） 節(jié)約的功率：Pj=（321.3-250）kW=71.3kW （下標j為節(jié)約，下同） 2、如果電費按0.46元/kW小時計算，每年藥的電費是： 　　　　　　　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，全年十個月運行以上，平均控制閥開度在50%以下。設(shè)電機全速供量為Qn，空載損耗為0.1。每天總供風量為50%Qn，則全速Pq=（315-315＊0.1）kW=283.5kW。 1、現(xiàn)采用上?？七_機電控制有限公司提供的MAXF高壓變頻調(diào)速裝置315kw電動機。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、如果電費按0.46元/kW小時計算，每年藥的電費是： 　　　　　　　94.5kW×24×300×0.46元/kWh=312984元=31萬元 　　變頻調(diào)速用變壓器的售價由其容量而定：300KVA—700KVA的報價在6.7萬到10.8萬之間，整個變頻裝置的售價稍稍估算一下，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)場的合理加減速時間問題 　　變頻器在煉油廠一般負載上使用，其電氣參數(shù)的設(shè)置較為簡單，一般技術(shù)人員經(jīng)過簡單培訓后都能掌握，但在掌握一般性原則后還要注意負載的特殊性。一般變頻泵最常見問題也是最容易錯誤的是：合理的加減速時間。 所謂“合理”，是針對一些錯誤的觀念而言。我們知道，根據(jù)所驅(qū)動負載性質(zhì)的不同，主要是負載的轉(zhuǎn)動慣量的大小，變頻器在起動和停止電動機時所需時間不同，過短的加減速時間 會導致變頻器在加速過程中過電流、在減速過程中過電壓保護。但這樣一來就很容易產(chǎn)生一個誤區(qū)：只要變頻器不跳閘保護、加減速時間越長越好。這種觀點在許多技術(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)動什么負載，加減速時間都在2min以上甚至更長。這種觀念的問題就在于片面地考慮了變頻器單機的運行，而忽略了整個系統(tǒng)的控制性能和效率。無論是改造還是新建項目，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，這個信號是用來控制閥門開度的，由于閥門跟隨信號變化的動作很快，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，而積分時間t參數(shù)則相對較長。這時如果加減速時間長，那么變頻器輸出長時間才能達到給定命令值，再進行PI調(diào)節(jié)，這就使得整個系統(tǒng)跟隨性差，調(diào)節(jié)緩慢， 同時，對外部擾動的控制能力變差，容易處于小幅不穩(wěn)定狀態(tài)中，控制效率較低，在負荷經(jīng)常變化的工位尤其突出。這種情況在實際生產(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)分泵和風機的特點，在現(xiàn)場允許的情況下測試負載允許的盡可能短的加減速時間并加以設(shè)定。 　　我廠新近的上?？七_機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，可以堅持60s；采用高效銅散熱技術(shù)；單元中增設(shè)了dv/dt抑制電路，降低對其他設(shè)備的干擾；參數(shù)設(shè)置較為簡單；整體性能良好。但對于上述問題，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大。 　　隨著科學技術(shù)的進步、大功率電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，大規(guī)模集成電路和微機技術(shù)的突飛猛進，交流電動機變頻技術(shù)已日趨完善，變頻調(diào)速器用于交流異步電動機調(diào)速，其性能勝過以往任何一種交流調(diào)速方式，已成為電動機調(diào)速最新潮流。在國外交頻調(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、建材及機械行業(yè)應(yīng)用，功率大到上萬千瓦的軋鋼機，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)用范圍相當廣闊，并且還將繼續(xù)擴大，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，在我國亦可看到這種銷售勢頭。 　　耗電大、生產(chǎn)環(huán)境惡劣的行業(yè)對推廣變頻技術(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，減輕操作者的勞動強度，已不是用經(jīng)濟效益可以估算。 2．變頻器自八十年代初以來；國際市場已實現(xiàn)產(chǎn)品的商品化，變頻技術(shù)的發(fā)展主要有以下幾個趨勢： （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，目前在市場已可看到用于一般產(chǎn)業(yè)用和用于風機和泵類的兩個系列，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，統(tǒng)一功能碼內(nèi)容等；方便了設(shè)計和維修。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)品采用了對電動機的最先進的轉(zhuǎn)矩矢量控制，能獲得與負載自動適應(yīng)的電機轉(zhuǎn)矩；低速時提高起動轉(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、測試器，各種完善的保護環(huán)節(jié)，便于維護更換的模塊和器件等。 七、結(jié)束語 烏石化新進的上?？七_機電控制有限公司的MAXF高壓變頻裝置，目前正處于運行期，其性能還有待長期的觀察。對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。希望通過本文簡單闡述，可以讓大家對變頻泵有一定的了解。 參考文獻 [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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