摘要 針對石化設備的特點，分析了設備應用變頻技術后的節(jié)能效果，以催化裂化裝置為例，對變頻系統出現的問題提出了解決方案。
關鍵詞 石化 設備 變頻 催化裂化 節(jié)能
中圖分類號 TE964 文獻標識碼 B

    石化企業(yè)80％的電耗用于機泵電機驅動，近年來，中石化濟南分公司通過應用電機變頻調速技術，取得了良好的節(jié)電效果和經濟效益。
    一、節(jié)能分析

   以離心泵為例，管路流程見圖1，管徑相同的吸入、排除管路串聯輸送液體，所需的能量（機泵有效揚程H）用伯努利方程表示為：
    H=△p/γ+△Z+h                              (1)
    △p= p_b—p_a                                 (2)
    △Z=Z_b—Z_a                                  (3)
    h=KQ²                                       (4)
式中 p_a一吸液罐液面壓力，MPa
     p_b—排液罐液面壓力，MPa
     △p—吸、排液罐液面壓力差，MPa
     Z_a—吸液罐液面至泵軸中心線距離，m
     Z_b一排液罐液面至泵軸中心線距離，m
     △Z一液體舉升高度，m
     γ一液體重度，kgf/m³
     △p/γ+△Z一靜揚程
     h—液體流經管路時的總流動損失，m
     K—管路特性系數，與管路長度、截面積、各種阻力系數等有關
     Q—管路中液體流量，m³/s
    實際生產過程中，靜揚程與Q無關，基本不變。對于相同工況，隨著靜揚程減小，H亦變小，H中克服總流動損失h的能頭比例將增大，設備變頻調速的節(jié)電效果明顯，典型工藝流程如塔中段循環(huán)回流泵和多數塔頂冷回流泵等，均具有泵吸、排液面壓力及液面高度相當的特點(p_a≈p_b、Z_a≈Z_b)，即△p/γ+△Z →0，低負荷時，變頻調速后節(jié)電率一般為60%~70%，個別泵甚至超過85%。對于工作在吸、排液面壓差大或位差大工藝流程的設備，設備變頻調速的節(jié)電效果則不明顯，如高中壓過程的機泵，由于△p/γ+△Z >h，即使在低負荷下運行，H中靜揚程所占比例也較大，變頻調速后節(jié)電率通常小于30%。
    二、應用對比
    企業(yè)1998年、2001年對140萬t/a催化裂化裝置中的12臺機泵增加了變頻調速控制系統，液體流量由調節(jié)閥控制改為轉速控制，調節(jié)閥開度增大或全開，泵出口壓力大幅下降，電機電流、電壓均有不同程度的改善，見表1。

    從表1看到，由于P103/1、P204/2、P206/2、P302/2、P303的△p/γ+△Z值較小，因此節(jié)能效果明顯。在變頻調速系統中，出口閥不再節(jié)流，管路特性曲線h—Q相應趨緩（K值變小），使得機泵在轉速降低時，新工作點流量能夠大于原工作點流量(QB1>QA1)，見圖2。

    以P103為例，實際生產中催化裂化裝置需要大摻渣比和大劑油比，外取熱器取熱負荷大幅度提高，正常發(fā)汽量達40~55t/h，需要2臺泵P103/1、2 (H=77.4m、Q=400m³/h)同時運行才能滿足循環(huán)倍率8~10的要求。變頻調速后，循環(huán)倍率由人工控制節(jié)流閥改為DCS控制，只需1臺泵運行（P103/1）即可達到循環(huán)流量，P103/1變頻控制后最大安全流量將近700m³/h，電流僅為193A，低于電機額定電流，機泵密封的使用壽命超過1年，提高了設備運行可靠性。
    三、應用中的問題
    1．閥門的調節(jié)
    在泵控制回路中，調節(jié)閥C處的管路一般存在縮頸和閥自身的節(jié)流壓降，盡管投入變頻系統后可將調節(jié)閥全開，但依然存在部分節(jié)流損失。對于出口為單回路的機泵（P204/2、P206/2等），設備正常運行時將調節(jié)閥的副線閥D全開，可進一步減少節(jié)流損失。而多回路的機泵(P301/1、P308/2)，由于回路管路特性不同，互相影響，設備運行中不可能將調節(jié)閥D、d完全打開，需要在操作中不斷調節(jié)優(yōu)化，在降低電機轉速的同時盡可能加大調節(jié)閥開度，降低節(jié)流損失，見圖3。

    2．電機保護
    管路特性曲線只要發(fā)生趨緩變化（管路阻力變?。?，則無論是否應用變頻調速，在調節(jié)流量過程中均要注意流量上限或機泵負荷的問題。圖2中，機泵在管路特性曲線R1（閥門節(jié)流）下運行，變頻器可以在0~50H，范圍內連續(xù)調整，不會引起電機過負荷但實際應用變頻系統時要將節(jié)流閥全部打開，管路特性曲線由R₁變?yōu)镽₂，根據流體力學理論，Q∝n，H∝n²，N∝n³，當電機運行接近額定轉速n_N時，變頻器、電機負荷N將大幅度增加，導致變頻器過流保護，因此要注意變頻器調整的頻率上限，避免電機過負荷。例如標定P103/1當前最大安全運行上限：輸入信號85%、42.5Hz、電壓304V、電流190A、流量710m³/h (P103額定功率1l0kW，額定電流205A）。另外，水泵、電機、變頻器的效率會隨電機轉速改變而變化，當離心泵轉速偏離額定轉速較大時，效率下降，實踐表明電機在相對轉速低于25%、變頻器在電機相對轉速低于50％時，效率下降很快，因此從效率角度考慮，變頻調速的幅度應限制在一定范圍。
    3．電流顯示
    本例變頻系統中的電流表沿用原電氣回路的普通電流表，此類電流表針對工頻正弦波電流設計生產，變頻器輸出側電流波形存在畸變，已不是標準正弦波，因此普通電流表無法準確計量實際電流值，即使變頻器輸出50Hz電流，電流表顯示值與變頻器實際輸出電流值也存在較大誤差，若變頻器工作在低頻狀態(tài)，誤差會更大，見圖4。通過技術改造可解決電流表指示偏差問題，用變頻器AM的電流輸出端口作為計量回路電流表的指示，現場和盤上選用1mA直流電流表，再經過設置、調試使現場電流表指示和變頻器實際輸出電流值完全吻合，以便用戶根據電流表判斷電機的運行負荷。

    4．變頻器維護
    (1)參數設置。現代變頻器功能強大，用戶應根據設備特點和制造工藝合理配置參數，否則變頻器的保護功能在設備運行過程中會頻繁出現，影響生產的順利進行。
    (2)散熱。變頻器故障率隨溫度升高成指數上升，由于夏季氣溫高、散熱不良導致催化裂化裝置中約95％的變頻器動作保護，因此用戶選擇、安裝變頻器時應考慮散熱問題，平時要定期清理變頻器內部，采取有效的通風降溫措施。