节能时代的变频技术


作者:钱伯章,本文作者系《流程工业》特约撰稿人。 日期:2015/08/31 来源:流程工业

石化、化工行业变频技术的节能潜力——在石油和化工行业,风机、水泵和压缩机等电机传动设备的用量很大,我国目前石化工业系统电机的变频器使用率为10%,如果每台电机使用变频器,可提高能效20%~30%。

技术基础

变频技术能实时改变用电设备的供电频率,进而达到控制设备输出功率的目的。该技术通过变频调速改变轴输出功率,使电动机能根据实际需要输出功率,达到了减少输入功率节省电能的目的,是感应式异步电动机节能的重要技术手段之一。变频传动调速的特点是:不用改动原有设备包括电机本身;可实现无级调速,满足传动设备要求;变频器软启、软停功能,可以避免启动电流冲击对电网的不良影响,减少电源容量的同时还可减少机械惯动量,减少机械损耗;不受电源频率的影响,可以开环、闭环手动/自动控制;低速时,定转矩输出和低速过载能力较好;电机的功率因数随转速增高功率增大而提高。

针对企业大马拉小车情况,变频调速可采用几种不同方式的调节:档板调节、风机动叶可调调节、液力偶合器调节、水电阻调节和高压变频器调节等。变频调速分为低压变频调速和高压变频调速。低压变频调速技术作为成熟技术早已经过市场的检验,高压变频器的使用经历了两个阶段:高-低-高模式和高-高模式。解决大马拉小车问题也可以使用更换电动机的办法。

交流变频调速器是电力电子技术、微电子技术、控制技术相结合的综合性高技术产品。电机系统在设计中都留有一定的余量。使用交流变频调速器控制电机后,变频器通过调整输出频率降低电机转速,从而减少输出功耗,实现按需供能,达到节能效果。

案例重现

沧州炼化公司采用西门子无谐波高压变频技术,在450kW循环水泵电动机上成功应用了首套高压变频装置,获得了异常显著的节电效果。在项目实施过程中,该公司采用变频器内置的PID调节器,通过泵出口压力变送器,实现了系统的恒压自动控制方式。这项技术的应用,可使企业每天节电3800kWh,全年节电138.7万kWh,18个月以内即可收回全部投资。

大庆炼化公司柴油加氢装置新氢压缩机无级控制系统改造项目投用,实现正常运行。该项目为中国石油2009年节能专项投资项目,共投资800万元,可以实现正常负荷下氢气压缩机回流量基本为零的目标,节电效果显著。这项技术此前已在国外和中国石化等多家炼厂得到成功应用。据了解,经过初步标定显示,改造后柴油加氢装置日节电量达到15000kWh左右,全年可节电450万kWh,经济效益十分可观。

大庆石化化肥厂深入挖掘装置节能潜力,通过对尿素熔融泵采用加装永磁调速驱动器的方法,年节约费用2.63万元。尿素熔融泵是尿素装置蒸发与造粒系统的重要设备。过去,通常采用关小泵出口阀和调节阀开度来控制泵的流量。但是这种流量控制方式,使阀门节流损失和管网的阻力损失较大。为减少阀门节流损失,减少电能消耗,化肥厂组织技术人员对比变频、液耦等多种调速方式,对尿素熔融泵采用加装永磁调速驱动器的方法。据了解,永磁磁力驱动技术具有设备构造简单、安全可靠性高、使用寿命长的特点,能减少设备振动、完全空载启动。安装永磁调速驱动器后,在相同负荷情况下,电机电流由原来的134安培下降到125安培,每小时用电比以前减少5.39kWh。同时,延长了轴承和填料的使用寿命,保证了蒸发与造粒系统的平稳运行。

广州石化炼油四部加氢裂化完成了3台关键空冷器、1台注水泵的变频节能改造,并于2013年1月投用后,实现节约用电1100度/天,减少装置循环水用量50t/d及脱硫后净化水100t/d。变频器节能是在满足工艺条件的前提下,通过降低电机转速,减少输出转矩和输入功率而实现的。变频空冷器的应用不仅节电、节水效果明显,同时还降低了员工因装置处理量及环境温度变化带来的操作工作强度。同时注水泵作为向反应系统注水的关键转动设备,尤其在装置低负荷运行时,因不能调整注水泵输出量常出现“大车小车同一匹马拉”的现象,安装变频器后,可根据生产需要自动调整电机转速,注水流量由原来的18t/h降低至14t/h,实现节电量950度/天,并减少含硫污水外排量100t/d。关键转动设备的变频节能改造,不仅因降低转速延长了设备使用寿命,保证了设备的安全长周期运行,而且使装置更加低碳环保。

锦州石化公司主要生产装置共有大小电机千余台,其中有相当一部分设备长期不是满负荷运转,造成了能源浪费。公司积极实施电机变频调速优化技术,节能效果显著,仅一年就实现节电0.25亿kWh,节电率达50%,节约电费1250万元。

巨化合成氨厂在对电气设备实施电机变频技术改造后,节电效果显著。仅此一项该厂每天就可节电2万多kWh,年节省电费300多万元。巨化合成氨厂是一家老中氮企业。近年来,随着产品结构的调整和生产经济运行模式的完善,在生产过程中,该厂许多大功率的设备经常出现“大马拉小车”的现象,造成了电力资源的浪费。为此,该厂把目光投向了投资回报率较高的电机变频改造。2006年,该厂在对主要机泵的工艺及运行效率调查后,新增了9台变频器,对甲醇富液泵、造气污水泵等9台低压设备进行了第一阶段变频改造。经过动力系统技术人员近半年的努力,设备顺利完成了全部改造。在富液泵改造后,不仅每天可以节电1000多kWh,而且大大降低了工人的劳动强度。化肥车间的二氧化碳压缩机使用的是6千伏高压同步电动机,这种电动机的变频改造技术在国内还是一片空白。该厂与某电气技术公司合作,共同对二氧化碳压缩机实施变频改造。该厂与变频器提供厂家紧密协作,克服工艺复杂、边生产边试车等困难,不断改进技术参数,成功完成了高压同步电动机的变频改造。据测算,改造后1台二氧化碳压缩机每年可以节电30余万kWh,而且还可延长设备的使用寿命和保养周期,降低检修维护费用。

ABB ABB向上海焦化公司提供高效节能的ACS800变频器,实现对其高压水煤浆泵的节能控制。项目完成后,预计上海焦化公司年节电量140万kWh。上海焦化公司是以煤为主要原料的综合性大型化工企业,多年来一直致力于对项目进行节能改造,其碳一分公司的高、低压水煤浆泵,气体分公司的高压氧泵和动力分公司的工业水泵、冷却塔风机等都选用了ABB节能型系列变频器产品,通过对电机转速的控制,取得显著的节能效果。

潍坊亚星集团子公司亚星湖石化工有限公司运用合同能源管理(EMC)模式,对年产6万t氯化聚乙烯装置的6台干燥鼓风机实施变频改造,投运以来效果显著。仅一个季度就实现节电160余万kWh,节约电费开支109万元。经过改造,该套装置鼓风机由变频器根据工艺要求控制风量和风压,并通过安装远程控制系统,有效降低了电耗,提高了风机控制精度。据悉,潍坊亚星采用节能效益分成方式先后与4家节能公司签订了EMC合同,合同投资总额约1.2亿元,预计年总收益可达4500万元 。

扬子石化公司中压加氢裂化装置反应器加热炉实施鼓风机、引风机增设变频设备改造。经过精心调节,反应器加热炉的热效率从原先的87%提高到了92%,同时通过合理调节鼓风机、引风机的电机转速,有效降低了风机电能的消耗,每年可节电近10万元。加氢装置反应炉在开工时热量消耗很大,而正常运行时负荷偏低,这种差异造成了反应炉燃料日积月累被白白浪费。扬子炼油厂联合加氢装置自开工以来,反应器加热炉一直处于低负荷运行状态,设计所用烟气预热回收系统的鼓风机、引风机功率较大,出现大马拉小车的现象,使加热炉氧含量长期超标,火嘴经常出现结焦、积炭现象,影响装置长周期运行,既增加了装置的燃料消耗,又浪费了大量电能。针对反应加热炉的现状,扬子石化加氢车间认真计算和分析风量、氧含量之间的关系,查找节能途径,提出了在反应炉鼓风机、引风机上增加变频设备的合理化建议。此项目投资小,见效快,又不影响装置正常生产,施工也十分简单。通过实施变频技术改造,使反应炉氧含量从9%降到了5%,仅每年节约燃料费就达到近百万元。