概述
1.变频器定义
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类[1]:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
2.在石油化工领域内的作用
石油炼制装置的工艺流量或压力传统上大多数是通过泵系统的出口调节阀进行调节的，机泵的这种节流运行方式使得部分能量用来克服“阀阻”，这样原动机—电动机从电网中摄取的电能有相当一部分浪费在节流阀上。
交流电机变频调速是一门新技术， 以其操作方法简单、节能效果显著、应用范围广泛而越来越被重视。
3.优势
变频装置有明显的节电、节能的效果，时电机运行平稳，起动电流大幅度下降，电机温升明显降低，减小了机械磨损，改善了电机运行状况，电机的使用寿命延长。同时降低了工人的工作强度，当工况改变时，不必到泵房调节阀门，变频装置会按照事先的程序进行调节，电机进行故障率非常低。自动化程度高，系统采用闭环控制方式。
技术原理
1.变频调速的原理
变频器组成见图１。
变频器通过改变电机定子供电频率来改变转速。为使调速时电机有最大转矩，需维持电机的
磁通恒定，因此电压与频率成比例地变化，即工频电源经整流器变成恒定的直流电压，再经逆变器变成可变电压和可变频率的交流电源。
2.变频调速节电原理
变频调速节能是相对于阀门调节而言，采用变频调速器后，将阀门全开，通过改变电机电源频率来改变电机转速。由流体力学可知，流量Ｑ与转速n的一次方成正比，风压H与转速ｎ的平方成正比，功率Ｐ与转速ｎ的立方成正比。
当流量Ｑ变为额定流量的50％时，采用变频
调速时电机消耗功率为0.125Pe，采用阀门控制
流量时电机消耗功率为0.7 Pe ，Pe为额定功率。
采用变频调速节电率为：
采用泵出口阀门或控制阀调节泵流量，不能降低电动机的功率消耗，而变频调速技术可以节
约大量的电能，而且随着流量调节幅度的增大，变频调速和节流控制相比差距增大，节能效果明显。
3.控制方式的选择
1. 单回路控制
单回路控制改为变频调速控制较为简单（见图２）。只需将控制系统调节器输送的信号，由原来的送往控制阀改为送往变频器即可，而原来的控制阀、前后手阀和副线阀保持全开，由变频器控制电机的转速来调节泵的流量。
2. 双回路控制
双回路控制一路为主控制回路，是为了实现所需流量的控制；另一路为副控制回路，主要起到循环、分流、保护机泵的作用。在这种情况下，可以将主回路按单回路控制实现变频调速控制的方法进行设计，而副控制回路停用，关闭其前后手阀及控制阀。
4.常催机泵变频调速节能改造
由Ⅰ套常减压(简称Ⅰ常)和催化两套控制系统组成，Ⅰ常部分有10个子站，催化部分有4个子站，每套系统分别与CS1000的两个操作工作站相连，形成一个完整的控制系统。上位监控部分采用横河CS1000型DCS控制系统，结合西门子的WinACCPU412－2实现对系统数据的冗余监控和处理，保证数据的可靠监控和实时记录，在CS1000 和CPU412 内都有数据的记录。控制部分采用西门子最新的S7－200CPU226XM系列可编程序控制器加PROFIBUS－ DP高速通信模块EM277和高精度模拟量采集模块EM235 实现每个子站部分的控制和数据采集、转换、通信连接等；控制柜内核心元器件均选用知名品牌，继电器选用日本和泉产品、端子选用菲尼克斯产品，按钮、指示灯及一次元件断路器、接触器选用施耐德产品。变频器选用德国
西门子高性能全数字式结构模块设计工程变频器6SE70系列，该类型变频器具有矢量控制方式，抗过载能力强，抗低电压干扰能力好，维修、操作简单方便；输入电抗器为外置式，便于散热。
整个系统从控制过程和通信方式上可分成3个层次。系统总体结构如图1 所示。第一层为现场控制和现场数据采集。这一层主要实现现场动作的完成和现场数据的采集过程，是整个控制系统的底层部分。该层与上二层通过通信相连，组成了一个整体，又可独立运行。第二层为现场数据的传送和集中处理。这一层主要实现将现场数据分别通过切换柜上的14个PLC 从站采集，将现场采集的数据分成Ⅰ常10个站和催化4个站分别集中送入两块Win AC SLOT PLC412 － 2DP 内，集中处理，同时，上位机的操作也通过两块Win AC SLOTPLC412 － 2DP 传送到14 个PLC 站，再到现场。第三层为变频调速系统与CS1000 的连接和CS1000 系统的监控。这一层主要实现现场网络系统与CS1000监控系统的连接，CS1000系统的监控画面和菜单结构采用西门子Win AC 技术实现与CS1000 的连接。
国内发展和应用现状
1.变频器在游梁式抽油机上的应用
游梁式抽油机使用方便、可靠、经济，是目前采油生产中的主要设备。为了减小抽油机上下冲程负荷的波动，一般都配有平衡块。抽油机电机的负荷是一周期性脉动负荷，并迭加有瞬间的冲击。抽油机电机的负荷曲线上有两个峰值，分别为抽油机上下冲程的“死点”。抽油机自由停车后再启动时，总是从死点处启动，因此抽油机电机要求启动转矩大。为了保证足够大的启动转矩，抽油机电机正常运行时负荷率很低，一般在20%左右，负荷率高的也不过30%。低负荷率运行造成功率因数低，效率低，电能浪费大。因此，在设计选配抽油机电机时，普遍的做法是令其抽取量大于实际负荷。它所带来的新题目是当抽油机排量过剩时，抽油机的运行会出现无功抽取，出现空抽或泵空状态，伴随泵空还会产生井喷、气锁等事故，而井喷、气锁又是导致钻具组、泵装置甚至地面设备损坏的主要原因。另外，由于过度的不中断运行，机械设备的损耗也相应上升，造成传统抽油机本钱高，噪音大，运行可靠性低。有效控制泵空是亟待研究的课题。抽油机是油田耗能大户，用电量约占油田总用电量的40％，其总体效率很低，据调查一般在30％左右，过剩的抽油能力令抽油机的无功抽取时间增加，造成油井开采的电费本钱居高不下，能源浪费十分严重。因此，抽油机的节能潜力非常可观。
胜利油田孤东采油厂采用了抽油机变频调速技术对稠油井实施改造，油井泵效明显进步，日均增油2.1t，节电率达30%以上，且上、下冲程速度可任意调整，减轻了工人的劳动强度。
2.在潜油电泵上的应用
潜油电泵采油作为一种大排量、高效率、治理方便的机械采油方式，在油田得到了广泛的应用。然而，对于复杂断块油田来说，油水井的对应连通性差，部分潜油电泵井出现供液不足，影响到潜油电泵的正常生产及井下机组运转寿命。以某油田采油厂为例，1997年以来，约有30%的电泵井由于供液不足而经常出现欠载停机现象，由于供液不足造成的躺井占总躺井数的45%，均匀检泵周期只有66d，均匀单井年维护用度增加了13.86万元。为了延长电泵井的检泵周期，保证电泵井的正常生产，引进了潜油电泵变频控制技术，通过改变供电电源的频率，控制潜油电机的转速，对泵的排量进行调节，使潜油泵的工作特性和油井的产能相匹配、电泵机组在最佳工作区内工作，达到减少机械及电气故障、延长电泵井寿命、增产及节能的效果。
3.在石油钻机上的应用
钻井过程分为起落井架，钻进，泥浆循环，钻具更换，下套管，测井等几大工序。主要分为绞车，转盘和泥浆泵等。绞车由滚筒、齿轮箱、离合器、制动器、电机和控制设备组成，用来起落井架，提升和下放钻杆、套管。随着井深的增加，钻具越来越长，重量迅速加大，绞车的负载也越来越大。我国目前已有7000m深的油井，其钻具近600t重。由于每钻进约9m就要提升下放钻杆1次，因此绞车作业时间也随着井深的增加而占整个作业时间的比例越来越大。为降低本钱，希看在野外或海上的作业时间越短越好，这不仅要求绞车能高速运行，平稳起停，以保证不损坏钻井设备并进步井的质量，还要求驱动设备具有良好的动态特性。假如在内线井区作业，电源可与井区电网相连，下放钻杆时电机工作在发电状态，能量可回馈电网，节能效果明显。
4.变频器在炼油行业中的应用
机泵是炼油厂的心脏，在炼油过程中机泵输送的物流总量约为原油加工量的40多倍，如加工量2.5Mt/a的炼油厂，每年物流的输送量高达近亿吨，所以耗电量之大是可想而知的。在炼油装置中，电动机是应用面最广、数目最多的电气设备之一，其大部分负载为机泵，而定速泵在所耗功率中，被工艺物流吸收作有用功率的仅占30%-40%，其60%-70%的电能消耗于调节阀节流控制压降和由于处理量、收率变化及设计裕量大所造成的“大马拉小车”而导致的泵出口阀压降上。机泵节能的根本题目在于如何使控制方案与实际负荷相匹配，使之在控制过程中降低阻力，进步系统效率。这就为变频调速技术提供了广阔的应用空间。实践证实，变频调速装置是企业技术改造、节能降耗的理想设备。毫无疑问，这种调速方式将成为石化企业中驱动系统的中枢。
5.在泵类负载中的应用
变频调速技术通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速，相应地改变机泵的转速和工况，使其流量与扬程适应管网介质流量的变化。
大庆石化总厂已对装置内负载波动大，调节阀节流严重的机泵安装了65台变频器，总容量为3600kw，其中大部分是闭环控制系统，即现场一次表经变送器将信号通过屏蔽电缆送到PID调节器，调节后通地屏蔽电缆将4-20ｍA直流信号送到变频器的设定口，控制变频器的输出；余下部分是开环控制系统，即根据控制目标通过电位器给定来控制变频器输出，以使电动机工作在符合工艺要求的转速上，完全靠变频器输出控制电动机转速来控制流量，使机泵的出口阀达到全开状态，扬程与管网阻力特性曲线相吻合，泵出口扬程大幅度下降，电动机输出有功功率也明显降低，获得最佳的节能效果。变频器的使用，使节电率达到50～70%，年节电810万kwh；另外，变频器的使用，不但实现了生产过程自动化，而且延长了设备了使用寿命，保证了装置安稳长满优运行，取得了较好的经济效益和社会效益。
6.在石油气压缩机上的应用
某炼油企业有2台石油气压缩机，单机额定功率75kW，一开一备运行方式，而在实际生产中，只需大约45kW的输出功率。压缩机在低于额定工况下运转，负载率较低，而且其风压与流量大小要靠手动阀来调节，操纵困难，也浪费大量电能。为此，采用变频调速技术进行改造，用PLC实现自动调节和各种控制功能。运行实践证实，该方案稳定可靠，经济效果明显。
7.变频器在石化企业中的应用效果
长岭炼油厂催化剂厂微球装置高压泵使用变频器后，输出功率由18.6kw降至7.2kw，节电61.3％，更为主要的是减少了因经常换电刷而带来的维修上和停产；九江炼油厂生活水泵供水系统中，水泵电机110kw，不同时间负载变化较大，在负载较低时管网压差较大，选用变频器组成恒压供水系统，均匀节电36％；茂名炼油厂将变频器大量的应用到生产过程中，减少因开启阀门而带来的麻烦，流量正确，减轻了工人的劳动强度，节约了大量电能。如糖醛生产线原有12台泵，天天耗电8000kwh，把其中9台采用变频调速后，耗电只有4000kwh。
国外发展和应用现状
国外各大品牌的变频器生产商，均形成了系列化的产品，其控制系统也已实现全数字化。几乎所有的产品均具有矢量控制功能，完善的工艺水平也是国外品牌的一大特点。目前，在发达国家，只要有电机的场合，就会同时有变频器的存在。其现阶段发展情况主要表现如下：
1. 技术开发起步早，并具有相当大的产业化规模。
2. 能够提供特大功率的变频器，目前已超过10000KW。
3. 变频调速产品的技术标准比较完备。
4. 与变频器相关的配套产业及行业初具规模。
5. 能够生产变频器中的功率器件，如IGBT、IGCT、SGCT等。
6. 高压变频器在各个行业中被广泛应用，并取得了显著的经济效益。
7. 产品国际化，当地化加剧。
8. 新技术，新工艺层出不穷，并被大量的、快速的应用于产品中。
9. 目前，没有10KV产品。
供应商信息
施耐德电气（中国）投资有限公司总部
余姚市宏展电气设备有限公司
北京中科恒信科技有限公司
欧姆龙自动化（中国总部）
天津富士通用电气驱动控制有限公司
富士电机（上海）有限公司
深圳市阿尔法变频器技术有限公司
佛山贺圣达电机厂
青岛吉纳电机有限公司
艾默生网络能源有限公司
淄博金钥匙技能技术发展有限公司
上海欧达电气控制工程有限公司
台安科技（无锡）有限公司
北京新电创拓科技有限公司
经典案例
1
林源炼油厂常减压装置设计加工能力为250 万吨/ 年,但目前每年仅加工145 万吨左右,负荷率为60 % ,使得很多能源造成浪费,尤其是机泵电能的浪费,因此近几年来我厂逐步采用了低压机泵变频技术,用电量显著下降(用电量由每月平均125 万度降低到70 万度) 。但高压电机的用电量并没有将下来。目前高压电机用电负荷率约为:65 %。如果提高负荷率将显著提高电能。在此想法指导下,对常压原油泵的变频控制进行了论证。
1 变频控制改造方案
在常压原油总控与分馏塔底液位串级控制不变的条件下,增加一个切换开关,由控制阀到变频控制机泵转数互相切换,将仪表流量信号引入变频器形成闭环控制,自动调节输出频率,达到在不同处理量下合理、有效地使用电能目的。控制原理如图1。
原油泵技术参数如下:
泵型号:250YSI - 150X2B
额定流量:444m3/ h
所配电机型号:JB060V - 2 ;额定容量:400kW;
额定电压:6kV;额定电流:44. 4A。
根据离心泵运转特性: Q’/ Q = n’/ n
H’/ H = (n’/ n) 2 N’/ N = (n’/ n) 3
H’= 120m H = 230m n = 2950/ min
H’为变频调速后,阀门、调节阀全开所需扬程。
则:n’= 2130rpm Q’= 321m3/ h
N 有效= rQH/ 367 = 0. 84 ×444 ×230/ 367 = 233. 73kW
N 轴= N/η1 = 233. 73/ 0. 69 = 338. 74kW
N = N 轴/η2 = 338. 74/ 0. 9 = 376. 38kW
N’= 141. 68kW
实际运行功率P = 1. 732 ×6. 3 ×30 ×0. 9 = 294. 6kW
可节约功率294. 6 - 141. 68 = 152. 92kW
由计算可知节能可观。变频控制方案可行。
2 设备选型及投资
由于大功率低压变频技术在国外有成形经验,国内也有在非防爆场所使用的可借鉴的示例,本次确定将原油泵高压电机改为低压电机,而后加变频控制方式。
常压低压配电间变压器容量2 台1250KVA 变压器,目前负荷率不足40 % ,由于变频控制后无大启动电流问题,可以增加400KW低压负荷。低压电机选用南阳防爆电机厂生产的防爆变频电机,此电机为特制变频电机。
变频装置选用西门子公司进口变频器:
6SE7137。具体如表3 变频器安装在低压配电间内,电机改型后按照原有电机安装尺寸制作,不需增加土建投资。设备投资及安装工程费用总计约120 万元。
3 经济评估及效益核算
按照每度电0. 4 元(当年工厂电费指标) ,电机年运行8000 小时计,原油泵改为变频控制后每年可节约用电费用:0. 4X152. 92X8000 = 48. 93 万元
投资回收期:2. 45 年
节电率:51. 6 %
4 方案实施后运行状况
1999 年7 月工厂常压装置原油泵变频控制按照上面方案改造后运行状况良好。目前变频器运行电流:265A ,频率:31. 25 ,电压:237. 5V。实际运行功率103. 56kW。
实际节约295 - 103. 56 = 191. 44kW。
年实际节约电费61. 2 万元。(每度电0. 4 元)
实际投资回收期1. 96 年。
节电效果非常显著。
5 总结
林源炼油厂采用变频调速技术即节约了电能,节省了用电费用,又方便了操作工人的操作。取得了很大的经济效益。在2000 年,全厂推广了这一成果,对常压拔头油泵进行了变频控制改造,同样取得了很高的经济效益。
2
311 变频改造
改造对象为该厂35 t/h锅炉引风机、送风机的电机加设变频调速, 参数如表1所示。 35 t/h锅炉运行情况数据记录, 如表2所示。离心风机的特性与离心泵的特性相似, 风道管路阻力与流体的近似, 管路的阻力ΣΔH与风量关系为管路特性, ΣΔH = KQ2 , K为管路系数, 管路特性曲线与风机的特性曲线交点即是风机的实际工作点, 如图4所示。
当锅炉产汽230 t/h时, 据工艺介绍引风机风量大约是额定风量的78% ～80%左右, 送风机的额定风量的70%左右。以送风机调节为例, 如果用风机挡板调节, 工作点将移至P1 点, ΔHP1这一部分压力要克服档板的节流阻力, 无益地消耗掉这一部分功率。另外, 根据N = HQ /η, 在P1 点工作时, N1 为N 的95% , 显然轴功率变化不大。改用变频调速调节, 通过改变风机转速来改变风机性能, 工作点移至P1 ′, 风量的减小是靠降低风机转速使内机风压变小来达到的, 该调节方法没有附加阻力而引起的能量消耗, 所以经济。根据风机的比例定律, 当风量下降到70%额定风量, 这时风机所需的轴功率将为额定轴功率的3413%,对比挡板调节节能效果非常显著。
312 经济效益
如果引风机风量按额定的80%变化, 送风机风量按额定的70%变化计算, 经济效益测算如下:
每年引风机运行的节电量为
W引= Pn T /η - Pn ( n1 / n) 3 T /η
已知Pn = 6916 kW, n1 / n = 018, η = 93% , T
按8 600 h计算则
W引= 314 083 kWh
每年送风机运行的节电量为
W送= Pn T /η - Pn ( n1 / n) 3 T /η
已知: Pn = 6818 kw, n1 / n = 017, η = 8815% ,T按8 600 h计算,
则W送= 439 247 kW·h
每年总的节电量为W = W引+ W送= 753 330 kW·h
每kW·h电价按0125元计算, 每年可节约电费: 753 330 ×0125 = 188 332元。按目前变频器的市场价格, 选用VVVF 型变频器, 75 kW 和110kW各壹台, 一年内就可收回投资。
参考文献
[1]童克波，彭贞祥.离心式机泵变频调速节能的实现[J].化工装备技术，2009，（04）：59~62.
[2]王军. 常催机泵变频调速节能改造技术经济分析与评价[J].电气时代，2006，（09）：85~87.
[3]汪学峰.变频调速节能技术在石油化工行业的应用[J].电机与控制应用，2009，36（10）：5~7
[4]高海山.石油化工泵节能技术[J].炼油技术与工程，2009，39（4）：44~46.