摘要 詳細(xì)介紹了微能公司生產(chǎn)的大功率變頻器在寧夏寶塔石化集團(tuán)公司石化一廠的氣壓機(jī)和空壓機(jī)上的成功應(yīng)用，及取得的良好節(jié)能效果。
0 引言
氣壓機(jī)和空壓機(jī)在石化企業(yè)中應(yīng)用十分普遍，氣壓機(jī)是將煉化過程中產(chǎn)生的石油氣加壓液化回收，空壓機(jī)則為企業(yè)提供生產(chǎn)用氣。由于石化企業(yè)的生產(chǎn)是連續(xù)不間斷的，因此要求氣壓機(jī)和空壓機(jī)常年連續(xù)運(yùn)行，如果停止運(yùn)行，輕則影響生產(chǎn)，重則造成設(shè)備及人身事故。
在設(shè)計(jì)選用氣壓機(jī)和空壓機(jī)的電動(dòng)機(jī)容量時(shí)，通常是按設(shè)備滿負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行來選擇的，故設(shè)計(jì)容量一般都偏大。在實(shí)際運(yùn)行中電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率偏低，且輕載運(yùn)行時(shí)間所占的比例很大。若采用變頻調(diào)速運(yùn)行，則可大大提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能的效果，同時(shí)減小機(jī)械的磨損，延長(zhǎng)設(shè)備的壽命。
對(duì)于氣壓機(jī)，為了防止入口壓力過低造成氣壓機(jī)喘振，一般通過反飛動(dòng)閥向入口側(cè)反送氣，造成重復(fù)作功而浪費(fèi)大量電能。采用變頻調(diào)速以后，可以通過調(diào)整氣壓機(jī)的轉(zhuǎn)速來保持入口壓力恒定在設(shè)定的范圍內(nèi)運(yùn)行，不開火炬閥和反飛動(dòng)閥，保證最佳的節(jié)能效果。
對(duì)于空壓機(jī)，一般采用調(diào)整出口門開度來調(diào)整出口壓力，當(dāng)出口門開度減小時(shí)，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率減少并不多，空壓機(jī)運(yùn)行在低效狀態(tài)，同樣造成大量電能浪費(fèi)。如果用變頻調(diào)速，則可根據(jù)需要的用氣量動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)空壓機(jī)的出口壓力為恒定，既提高了空壓機(jī)的運(yùn)行效率，又達(dá)到節(jié)能的目的。
1 空壓機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能改造
寧夏寶塔石化集團(tuán)公司石化一廠有活塞式空壓機(jī)3 臺(tái)，制氣量為1 臺(tái)40 m3/h 和2 臺(tái)20 m3/h；電動(dòng)機(jī)功率分別為250 kW１臺(tái)，130 kW2臺(tái)。每臺(tái)空壓機(jī)出口有氣壓罐，通過閥門連接到總氣管上。氣壓罐上裝有自動(dòng)放氣閥，在氣壓過高時(shí)可自動(dòng)開啟放氣閥以保證空壓機(jī)的安全（要求出口壓力不小于0.45MPa,大于0.5 MPa時(shí)自動(dòng)排空)。根據(jù)生產(chǎn)用氣量的變化，一般啟動(dòng)1臺(tái)大機(jī)或啟動(dòng)2臺(tái)小機(jī)即可滿足生產(chǎn)用氣的需要；在用氣高峰期，短時(shí)啟動(dòng)一大一小2臺(tái)空壓機(jī)。空壓機(jī)工作流程如圖1所示。
在空壓機(jī)的運(yùn)行中，有四大問題是用戶一直致力解決的：
1)如何提高供氣質(zhì)量；
2)如何節(jié)約高額的電費(fèi)開支；
3)如何降低工作環(huán)境的噪音；
4)如何延長(zhǎng)空壓機(jī)的使用壽命（檢修周期）。
1.1 原空壓機(jī)電控系統(tǒng)的缺點(diǎn)
原空壓機(jī)電控系統(tǒng)的缺點(diǎn)如下：
1)空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)采用星/ 三角轉(zhuǎn)換起動(dòng)方式，起動(dòng)電流大，對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)的沖擊大；
圖1 空壓機(jī)工作流程簡(jiǎn)圖
2)供氣壓力主要靠增減空壓機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)來調(diào)整，供氣質(zhì)量差，為了避免氣壓機(jī)的頻繁起停，經(jīng)常會(huì)發(fā)生當(dāng)少開一臺(tái)空壓機(jī)時(shí)，供氣壓力偏低，不能滿足生產(chǎn)用氣的要求；而多開一臺(tái)空壓機(jī)時(shí)，供氣壓力又偏高，電耗高，供氣成本高的情況；
3)由于空壓機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，且要用出口閥門調(diào)整供氣壓力，造成空壓機(jī)房噪聲大；
4)系統(tǒng)排氣壓力高，管徑的配置達(dá)不到空壓機(jī)氣體的流速要求，造成管路壓降偏高，減荷能耗大。
1.2 變頻恒壓供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工作原理
通過對(duì)3 臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造，能夠穩(wěn)定供氣管網(wǎng)的壓力，達(dá)到恒壓供氣的目的。既降低了供氣能耗，又降低了空壓機(jī)房的噪音，也延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。
每臺(tái)空壓機(jī)由一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)，采用一拖一帶工頻旁路設(shè)計(jì)方案，如圖2 所示。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，空壓機(jī)可以切換到工頻旁路運(yùn)行，以保證供氣系統(tǒng)的可靠性。
恒壓供氣控制由DCS 系統(tǒng)完成，即由儲(chǔ)氣罐壓力傳感器向DCS 提供壓力信號(hào)，與控制臺(tái)的壓力設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比較后經(jīng)PID 運(yùn)算，向變頻器送出頻率指令信號(hào)，控制變頻器的輸出頻率，從而控制空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到恒壓供氣的目的。
DCS 系統(tǒng)送出的頻率指令信號(hào)為4～20 mA 的電流信號(hào)，相對(duì)于(0～100)% 調(diào)速范圍。由于變頻器電流信號(hào)輸入端子的阻抗為250 Ω，若將3 臺(tái)變頻器的信號(hào)端子串聯(lián)，總阻抗為750 Ω，超出了DCS 輸出信號(hào)的負(fù)載能力，所以采用一只500 Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻，將4～20 mA 電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成2～10V 電壓信號(hào)，再并聯(lián)接到3 臺(tái)變頻器的電壓信號(hào)輸入端子VG，讓3 臺(tái)運(yùn)行。空壓機(jī)變頻調(diào)速控制原理框圖如圖3 所示。出退和入投時(shí)隨可以都臺(tái)1 何任運(yùn)行，且步同器變頻
圖2 標(biāo)準(zhǔn)的一拖一帶工頻旁路方案
圖3 空壓機(jī)變頻調(diào)速控制原理框圖
1.3 變頻恒壓供氣系統(tǒng)功能和節(jié)能效果
變頻恒壓供氣系統(tǒng)功能和節(jié)能效果如下：
1）3 臺(tái)空壓機(jī)全部采用變頻驅(qū)動(dòng)，且同步運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能效果；
2）根據(jù)儲(chǔ)氣罐壓力，DCS 系統(tǒng)自動(dòng)判斷開停空壓機(jī)的臺(tái)數(shù)和大小，并自動(dòng)開停機(jī)；
3）全部機(jī)組實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)，大大減小了起動(dòng)電流， ，避免了對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命；
4）每臺(tái)機(jī)組具備變頻和工頻運(yùn)行雙重功能，當(dāng)變頻器故障時(shí)可以切換到工頻運(yùn)行，保證供氣的連續(xù)性；
5）供氣壓力設(shè)定值可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況由用戶隨時(shí)在DCS 操作臺(tái)上修改，操作簡(jiǎn)單；
6）恒壓供氣確保管網(wǎng)不受壓力突變的沖擊，延長(zhǎng)了管網(wǎng)的使用壽命，降低了維修成本；
7）具有完善的保護(hù)措施（過流、過壓、過載、過熱及電機(jī)相間和對(duì)地短路等），且變頻器具有自診斷功能，使系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)率和可靠性大大提高；
8）變頻空壓機(jī)一般運(yùn)行頻率在35～40 Hz 之間，其節(jié)能率在20%～30% 之間。
1.4 空壓機(jī)變頻調(diào)速改造過程中應(yīng)注意的問題
改造過程中應(yīng)注意的問題如下：
1)由于活塞式空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大（帶有大飛輪），在選用變頻器時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行電流和具體的運(yùn)行工況條件來確定變頻器的容量，且應(yīng)根據(jù)空壓機(jī)的負(fù)載性質(zhì)選用G 型（通用型）變頻器；
2)應(yīng)考慮壓力傳感器的安裝位置，在滿足生產(chǎn)用氣需要的前提下，實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能效果,壓力傳感器和頻率指令應(yīng)采用4～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)線要采用雙芯屏蔽電纜；
3)變頻器的控制系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)有開環(huán)和閉環(huán)兩種控制模式，以便于在調(diào)試和特殊情況下使用；
4)在活塞式空氣壓縮機(jī)的調(diào)試中應(yīng)嚴(yán)格注意電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，應(yīng)脫開離合器先驗(yàn)證在變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向，使其按規(guī)定的方向旋轉(zhuǎn)，嚴(yán)禁電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，避免造成主機(jī)設(shè)備的重大損失；
5)由于空氣壓縮機(jī)不允許長(zhǎng)期在低速狀態(tài)下工作，在低速下運(yùn)行一方面穩(wěn)定性差，容易發(fā)生喘振，另一方面，如果轉(zhuǎn)速過低，潤(rùn)滑油壓過低（＜0.2 MPa）,會(huì)使缸體的磨損加快，同時(shí)要保證足夠的出口壓力，故應(yīng)在正式投運(yùn)前設(shè)定合理的、安全的工作頻率下限值。
2 氣壓機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能改造
寧夏寶塔石化集團(tuán)公司石化一廠有活塞式氣壓機(jī)3 臺(tái)，電動(dòng)機(jī)功率均為160 kW 。其作用是將煉化過程中產(chǎn)生的石油氣加壓液化回收。一般運(yùn)行2 臺(tái)氣壓機(jī)已能滿足生產(chǎn)的需要，另1 臺(tái)檢修備用。氣壓機(jī)工作流程如圖4 所示。
由于煉化過程中產(chǎn)生的石油氣的數(shù)量是變化的，因而氣壓機(jī)的入口壓力PT1 也是變化的。為了防止因入口壓力過低而引起氣壓機(jī)喘振，一般通過反飛動(dòng)閥PV2 從出口側(cè)向入口側(cè)反送氣，造成重復(fù)作功而浪費(fèi)大量的電能。當(dāng)入口壓力過高時(shí)則要打開火炬閥PV1 排空燃燒，以保證設(shè)備的安全，但也造成了能源的浪費(fèi)。采用變頻調(diào)速以后，可以通過調(diào)整氣壓機(jī)的轉(zhuǎn)速來維持入口壓力的恒定，關(guān)閉反飛動(dòng)閥， 并盡量避免開火炬閥，以實(shí)現(xiàn)最佳的節(jié)能效果。
圖4 氣壓機(jī)工作流程簡(jiǎn)圖
2.1 氣壓機(jī)運(yùn)行工藝要求
氣壓機(jī)運(yùn)行工藝要求如下：
PT1=0.03～0.08 MPa 工作正常，通過調(diào)整反飛動(dòng)閥的開度調(diào)節(jié)入口壓力;
PT1＜0.03 MPa 開反飛動(dòng)閥;
PT1＞0.08 MPa 打開火炬閥;
PT2=0.9～1.6 MPa 工作正常。
2.2 氣壓機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能改造方案
考慮到3 臺(tái)氣壓機(jī)平時(shí)二用一備，為了節(jié)省投資，所以采用2 臺(tái)變頻器對(duì)氣壓機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，主電路采用二拖三控制方案,如圖5 所示。
圖5 氣壓機(jī)變頻調(diào)速二拖三電氣接線圖
1）T1，T2，T3 為原控制柜空氣開關(guān)，保留不變。
2）T4，T5 為新增兩臺(tái)變頻器隔離開關(guān)。
3）1ZJ，2ZJ 為新增兩臺(tái)變頻器自動(dòng)開關(guān)，當(dāng)變頻器故障時(shí)可跳此開關(guān)。
4）K1，K2 為新增兩臺(tái)變頻器輸出手動(dòng)切換開關(guān)（雙擲開關(guān)），并且要在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖（應(yīng)可解鎖） ：
（1）當(dāng)K在位置1 時(shí)，K2 可在位置1、2、3；
（2）當(dāng)K1在位置2 時(shí)，K2 可在位置2、3；
（3）當(dāng)K2在位置2 時(shí)，K1 可在位置1、2；
（4）當(dāng)K2 在位置3 時(shí)，K1 可在位置1、2、3。氣壓機(jī)變頻運(yùn)行組為1、2；2、3；
5）當(dāng)1# 變頻器故障時(shí)，除了聯(lián)跳變頻器電源自動(dòng)開關(guān)1ZJ 外，隔離開關(guān)T4 也應(yīng)斷開，并且輸出切換開關(guān)應(yīng)在位置2，變頻器2 只能帶3# 氣壓機(jī)工作，1#、2# 氣壓機(jī)可投工頻運(yùn)行。
6)當(dāng)2# 變頻器故障時(shí)，操作同5）。
7)K1，K2 手動(dòng)切換開關(guān)，應(yīng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械互鎖，但也可以開鎖，以便實(shí)現(xiàn)靈活的控制功能。
8)當(dāng)氣壓機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，手動(dòng)回路的隔離開關(guān)T1，T2，T3 均應(yīng)處于斷開狀態(tài)。
但是這個(gè)方案有個(gè)缺點(diǎn)：當(dāng)一臺(tái)變頻器因故障退出運(yùn)行時(shí)，另一臺(tái)變頻器也要退出運(yùn)行！因?yàn)闅鈮簷C(jī)變、定并列工作時(shí)不好匹配，容易出現(xiàn)搶風(fēng)和回流現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起氣壓機(jī)喘振，不像水泵裝有逆止閥可以防止回流。
最好是每臺(tái)氣壓機(jī)配一臺(tái)變頻器，均采用一拖一帶工頻備用的接線方案。這樣，無論是某一臺(tái)氣壓機(jī)故障，或某一臺(tái)變頻器故障，都能保證有2 臺(tái)氣壓機(jī)變頻運(yùn)行，收到最好的節(jié)能改造效果。
2.3 氣壓機(jī)變頻調(diào)速控制原理
氣壓機(jī)的閉環(huán)控制由DCS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，以氣壓機(jī)的入口壓力PT1 作為主調(diào)節(jié)參數(shù)，保證PT1 在0.03～ ～0.08MPa 范圍內(nèi)，使系統(tǒng)能正常工作，不開火炬閥和反飛動(dòng)閥，保證實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能效果。同時(shí)兼顧PT2 在0.9～1.6MPa 范圍之內(nèi)（由最低限制頻率保證）。變頻器接受DCS 系統(tǒng)送出的頻率指令信號(hào)（4～20 mA）， 采用電流信號(hào)（IG）輸入方式，2 臺(tái)變頻器串聯(lián)。氣壓機(jī)變頻調(diào)速控制原理如圖6 所示。
變頻氣壓機(jī)必須同步運(yùn)行（相同的轉(zhuǎn)速），以保證出口壓力一致，才能避免氣壓機(jī)的搶風(fēng)和回流現(xiàn)象發(fā)生，以防止氣壓機(jī)喘振。
2.4 氣壓機(jī)變頻調(diào)速改造過程中應(yīng)注意的問題
圖6 氣壓機(jī)變頻調(diào)速控制原理框圖
1）氣壓機(jī)在變頻調(diào)速節(jié)能改造過程中除了有與空壓機(jī)相同的問題需要注意外，在進(jìn)行變頻器最低工作頻率的試驗(yàn)設(shè)定時(shí)，除了滿足氣壓機(jī)潤(rùn)滑油壓的要求外，還要滿足氣壓機(jī)出口壓力PT2 不小于0.9 MPa 的要求（注意試驗(yàn)應(yīng)在兩臺(tái)氣壓機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)進(jìn)行）。
2）當(dāng)兩臺(tái)氣壓機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，其工作頻率在35～ ～40 Hz 之間已能滿足生產(chǎn)要求，節(jié)電率在20%～30% 。
3 結(jié)語(yǔ)
實(shí)踐證明，微能公司生產(chǎn)的大功率變頻器用于石化行業(yè)中壓力變化范圍大的氣壓機(jī)和多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行恒壓供氣的空壓機(jī)的技術(shù)改造是非常理想的，也是十分成功的，并取得了良好的節(jié)能效果。隨著用戶對(duì)變頻器的使用經(jīng)驗(yàn)和接受程度的提高，變頻器在石化行業(yè)中有著更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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