1 变频调速系统节电的潜力 石油化工生产过程中，流量、液面、压力等工艺参数常随工况的改变而改变。随着市场经济的深入，以销定产，加工方案变化频繁，工况的改变就更加多了。常规的采用控制阀门或挡板开度的方法来改变流量、液面等参数实际上是人为的增减阻力的方法实现调节。能量大量损失在阀门或档板的阻力上。 变频调速装置可高效率、精确地调节交流电动机的转速，使得流量、压力、液面等工艺参数的控制由低效的阀门、档板的节流控制跃变为高效的转速控制，从而节省大量的能耗。 采用调速控制流量所节省的功率由两部分组成，一是阀门在二种不同压头下损失功率的减少值，二是不同压头引起的泵损失功率之差值。调速控制流量时泵的功率大幅度下降，电机本身消耗的功率和调速的方法有关，由于变频调速是一种高效调速方法，它与滑差调速、液力耦合器调速不同，它没有滑差损耗，本身固有的损耗极低，因此在各种速度下变频器输入功率都近似等于电机的轴功率。 对于泵类、风机类负载，流量与转速成正比，电机的轴功率是与转速的立方成正比。因此，采用变频调速不同流量时消耗的功率为: P变=n3Ped=Q3Ped (1) 若采用阀门控流量，电机在额定转速下定速运转，在不同流量时电机消耗的功率为: P阀=(0.4+0.6Q)Ped (2) (1)、(2)式中Ped为阀门全开电机以额定转速运行时消耗的功率，Q为流量的相对值。从(1)和(2)可以看出，当流量Q变为额定流量的50%时，采用变频调速时消耗功率为0.125Ped，采用阀门控制流量消耗功率为0.7Ped。节电率为(0.7Ped-0.125Ped)/0.7Ped=82.1%，节电效果非常好。 石化企业中大量使用的泵和风机调速节能的多少与具体工况有关，很难给出一个确切的数字。但我们可以通过估算看出它的节电潜力是很大的。图1为离心式泵的流量与电机轴功率的关系曲线。 从图1可以看出不同流量时节电率不一样。流量越小节电的比例越大。若流量的调节范围为(0.5-1)Q，在这个范围内各种流量的运行时间均等，则通过积分可以算出调速调节所省功率的平均值ΔP为: (3) 式(3)Pe为电机额定转速下的功率，Q为流量。 即所节省的功率可达额定功率的40%，节能潜力是很大的。当然对某台机泵来说，节能多少还与运行时间的多少，调节流量与不调节流量的时间比，以及流量调节范围的大小有关。 实际上石化企业中采用调速节电量往往高于此数。因为由于种种原因现场机泵往往偏大，即使在最大处理量时阀门也不是全开，仍有相当大的阻力损耗，采用变频调速在此时也能节能。 2 变频调速器的经济选择和经济运行 经济合理地选用变频器包含两方面的内容。一是在满足工艺要求的前提下降低变频器容量以节省投资；另一个是在不增加变频器的数量的前提下增加变频运行的时间，即主机泵与备机泵合用一台变频器。 相对于电机来说，变频调速器的价格还是比较贵的，因此在保证安全可靠运行的前提下，合理地降低变频调速器的容量以节省费用是很有必要的。 为了保证在任何情况下变频器均能正常运行，考虑到通用性，变频器生产厂家要求选用的变频器功率应大于或等于电动机额定功率的1.1倍。这一规定不大符合石化企业的具体情况，留有余量太大。炼油生产装置的许多机泵原设计的余量就较大，用调节阀控制时电机的负荷率就不高，采用变频调速后调节阀两端的压差损失可节省下来，机泵消耗功率将变得更小，变频调速器的容量完全有可能不按电机的额定功率来选择。 合理的选择方法应以生产装置各机泵的实际运行情况为基础进行计算和分析，决定变频调速器的容量。 当然，选用的变频调速器容量也不能比所带的电机小得太多，因为电机本身的空载电流往往达到额定电流的30～50%，变频调速器输出电流的脉动会增大。运行经验表明，变频器的容量一般不得小于电机容量的65%。 对于计算出的容量比电机额定容量小得较多的变频器，在机泵切换或开机时，操作人员手动控制，往往将频率调至大大高于正常运行时的实际需要频率，变频器输出功率大幅度增加而过流跳闸。为解决这一问题，可采用最高频率限制的方法，使变频器的上限频率设定在比正常最大处理量时运行频率稍高的数值上(如35～40Hz)，并适当延长加速和减速时间。 炼油生产装置中的机泵一般都设两套，调节阀和仪表控制系统公用一套。由于变频器的价格较高，为节省投资，一般只安装在主泵上。开备泵时仍采用调节阀，能量仍大量浪费，调节阀仍然不能取消。用一台变频器带两台机泵，因切换时主泵和备泵需同时运行，备泵不是从零压起动。变频器的容量要增大一倍以上，比采用两台变频器的投资还大，而变频器长期所带负载仍是一台机泵，这种作法极不合算。 只要能解决机泵不停电切换，切换过程中变频器仍带一台机泵的负荷，主机和备机共用一台变频器的是可能的。考虑到电机由工频运行不停电切换到变频运行较复杂，需增设专门的单元组件，根据炼油生产的实际情况，我们采用了主机从变频运行不停电切换到工频运行作为过渡，空出变频器带备机变频运行，再停主机的方案。此方案较简单，经试用效果良好。 3 提高变频调速系统运行的可靠性 变频调速技术是近二十年发展起来的一项高新技术。由于石化企业泵类、风机类平方转矩类负载较多，而这一类负载采用变频调速控制流量、液面等工艺参数时节电潜力是很大的。因此，变频调速装置近年来在石化企业得到了广泛的应用，取得了显著的节电效果。由于石化企业是连续不间断生产的，对生产设备的可靠性要求特别高。随着变频调速装置使用的深入，我们感到变频调速器毕竟是一种电力电子产品，和常规的机电产品相比它的体积小、技术复杂，为了自身的安全，它的过载能力和抗扰动能力比一般的电磁产品差些。它的保护动作较灵敏，在系统波动时很容易跳闸而自身保护，这对连续生产是有一定的影响。因此采取一定的技术措施，进一步提高变频系统运行的可靠性很有必要。近年来我们经反复研究，在充分利用变频器内部功能的基础上，针对石化企业的具体要求设计出一些专门的电气控制电路，使用后取得较好的效果，运行的可靠性得到提高。 茂名石化公司动力厂所使用的变频器大部分为富士公司1996年以前生产的P7型通用电压型变频器，该系列变频器各方面性能均好，但在电网电压波动时会因过电压或过载而停机保护。因这种电压的波动是瞬时的，电网很快就恢复正常，电机的转速下降也不多，若不停机就不会影响生产的连续性。变频器是电子产品出于对自身的保护，瞬时停机也是应该的，但变频器本身并无故障，仍具备再开机的条件，只要我们给它一个自动故障复位信号和自动再起动信号，变频器就会很快自动再开起来。图2为采用机械锁扣接触器具有一次自动复位再起动的电气控制原理图。 图2主电路采用双向刀闸GK，当变频器检修或发生故障时，可人工切换至工频运行。KM为机械锁扣式交流接触器，它可保证在工频运行时，不会因电网电压波动而跳闸。KM的辅助接点作为变频器的运行控制信号，这就保证了在变频运行时，电网电压波动不会造成变频器运行控制信号丢失。采用UPS电源来控制是为了在长时间停电(大于4秒的停电)时锁扣接触器跳开，以防止以后突然来电机泵转起来造成人身或设备事故。 如果不是永久性的故障造成的变频器停机，变频器的故障报警接点30V-30A接通，通电延时继电器KT1和KT2动作，KT2的瞬时接点自保持，KT1的延时接点在1秒后将接通变频器的复位接点RST，断开运街接点FWD，完成了故障复位，复位后30C-30A打开。KT2约整定为2秒，2秒后KT2的延时常闭接点打开，KT1断电，KT1的延时常闭接点再次闭合将变频器的运行接点FWD接通完成了再起动工作。 若为永久性故障，变频器自动复位再开后会再次跳闸，30C-30A再次闭合，这时KT2的延时常闭接点已打开，KT1不会第二次得电因而变频器不会第二次故障复位和第二次再起动。KT3整定时间约120秒，当第一次故障发生并复位后KT3通电，120秒后KT3的延时常闭接点打开，KT2失电，自保持消失，电路恢复原始状态，为下一周期做准备。KT4为断电延时继电器，当停时间大于4秒，其延时常闭接点接通锁扣接触器的跳闸线圈TC，KM跳开以利于安全。