高压变频器在分子筛机泵中的应用 - 文章

高压变频器在分子筛机泵中的应用

作者：抚顺石化工程建设三公司张雷

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关键词：高压，变频技术，石化，应用
摘要：抚顺石油三厂是一个石油化工性企业，各生产装置的机泵以往由于技术上的原因，均作定速运动。流量、压力、液面等工艺参数的调节是用调节阀来控制的，造成大量的能量损耗在阀门的阻力上。

1990年开始，我们先后在厂内100余台低压电机上应用了变频器。节电效果很显著，平均节电率达50%以上，各生产装置的耗电量明显下降，同时也解决了一系列相应的设备隐患问题。

近年来由于技术的发展，高压变频技术已相当成熟，设备价格也有所下降，为推广应用创造了有利条件。1997年，我们首次在石油三厂关键生产装置分子筛P501机泵上应用高压变频技术取得了成功，收到非常好的效果。

1 分子筛P501机泵应用高压变频器的必要性

石油三厂分子筛装置年生产能力为14万吨，是全部采用美国UOP技术建造的一座现代化装置，在抚顺石化公司所属企业工艺上起着承上启下的作用，非常重要。

图1 500单元-热油系统工艺流程示意图

分子筛装置中最重要的是500单元--热油系统，而P501泵又是热油系统的关键，其简单的工艺流程如图1所示：分子筛P501泵的入口罐V501是一个高位氮封罐，具有仪表液位检测装置，氮气的压力为0.5Mpa。P501热油泵有三台：入口压力0.5Mpa，出口压力额定1.94Mpa，最小连续流量366m3/h，额定流量1100m3/h，热油温度为300℃(-0℃-+28℃)，转速2970 r/min。P501电机三台：额定电压6000V，工作额定电流58.7A，电机的容量为610kW，F级绝缘，电机的额定转速为2980 r/min。泵的出口总管线上有一个流量孔板。热油出泵后，流过H501加热炉内盘管进行加热。根据装置处理量不同，炉子要求通过热油的流量不同并保持稳定。副线：热油从加热炉出来，进入11个重沸器，每个重沸器均有压控阀，由DCS控制进入各重沸器热油的多少，多余的热油通过副线压控阀5FRC10回到泵的入口罐V501，11台重沸器出口热油进行完热交换后也流到泵的入口罐。
分子筛装置投产一年多P501逐步暴露出一些工艺及设备上的问题，主要有：其一、由于生产要求，流量为1300m3/h，而一台泵为1100m3/h，流量不够，所以必须开两台泵才能满足生产要求。因开两台机泵，造成热油系统压力高，使11台重沸器及所有热油系统漏油严重，损失较大；其二、由于热油流量远远大于所需流量(多出300—400m3/h)，造成加热炉负荷加重，耗费燃料增多，能量损失过大；其三、因为开两台泵输出的总流量远远大于所用流量，使泵的出口压力高于额定压力运行(2.2—2.4Mpa)，甚至多出泵的最高压力运行，使泵的端面密封泄漏频繁，备件更换频繁，人工及设备备件耗费大；其四、由于热油系统流量远远大于所需流量，300—400m3/h的热油经过加热炉加热后被迫通过副线压控阀5FRC10回泵的入口罐，造成电机电能浪费严重，基于上述原因，对P501泵进行变频技术改造也就非常有必要了。

2 应用高压变频器可行性分析

根据96年11月25日装置在109%负荷的实测，两台电机耗电1080kWh，如果通过变频把电机转速降下来，保证热油系统所需压力情况下，同样的流量，两台电机只需耗电580kWh，每小时净节电500kWh，全年按8000小时计算，节电400万kWh，节约资金170万元，效益非常可观。

根据抚顺石化公司《九八》生产发展规划及抚顺石化公司石油三厂关于九七年技措项目讨论会议纪要的精神，我们开始着手进行高压变频器的可行性研究。

(1) 根据加热炉对入口流量的需要量，泵出口流量计测出的4-20mA信号，进DCS后与给定信号进行比较后的差值，经PID调节后作为变频器的反馈输入信号，控制电机的转速，保证流量的稳定；
(2) 由于转速下降，泵的出口压力也成平方关系下降，此过程应保证导热炉油能进入炉子，进导热管后，再进入重沸器中，再回到泵入口罐；
(3) 使用变频器后，电机转速应在保证泵的出口压力前提下随着流量的变化而自动调节；
(4) 变频器应具备手动/自动切换功能，并具有变频运行停车指示，以及电流、电压、频率指示，以便生产维护人员进行巡检维护；
(5) 变频装置应具有接地、过载、短路、过压、过流保护功能，并具有故障报警显示功能；
(6) 变频装置对电网的谐波干扰应在中国国家标准规定的范围内。

2.1主要设备

针对分子筛热油系统目前存在的工艺及设备问题，我们决定对热油泵P501A、B两台机泵进行改造，采用美国ROBICON公司ID—CS456的电源高—低—高式高压原装进口变频器。其主要设备有：

图2 交—直—交变频器

(1) 降压变频器(1个)：将输入6kV电压降为460V电压。
(2) 变频器(1个)：460V交—直—交变频器，见图1。
(3) 升压变频器(1个)：从460V变频电压升至6kV变频电压。

我们根据石油三厂的实际，设计装置年开工时间为8000小时。公用系统安排依托原有设施，不增加新的工程，整个改造建设工期为2个月。变频器电源柜，仍为原有的沈阳成套高压开关厂生产的ZN58型真空开关，动力电缆及变频器一次保护系统不变。仪表的检测用压力表需新安装，4-20mA控制电缆需新敷设，DCS控制系统利旧。总计划投资为400万元，其中变频器费用370万元，土建及电缆、仪表费用约30万元。

实际的运行分析，从泵类运行的关系式可以看出，当机泵降速运行时，流量一定要满足生产需要，这时的泵的扬程(泵出口压力)也相应下降，实际扬程为ｈ=ｈo×(n/no)2；但是管网阻力(管网压力)在管网不变的情况下，R不变，即管网压降与流量平方成正比，在正常情况下，虽然泵的转速下降，泵出口压力与管网压降按同一比例下降，不会影响装置的安全生产。

应用变频器之后，可以达到以下效果：

· 满足生产工艺自动化控制的要求，由于响应准确灵敏，所以可保证正常生产的平稳可靠。
· 节电效果非常显著
· 减少机泵、密封及管线等的维护保养量
· 降低工人劳动强度

3 应用效果分析

经过几年来的运行来看，已经达到各项要求的技术指标。

3.1 工艺控制方案可靠准确

根据加热炉出口压力检测信号(信号和流量具有平方关系)，DCS输出4—20mA信号进入变频器做为变频器的给定信号。管线的压力检测计给出的4—20mA信号进入DCS后，DCS给出两个控制方案，一个方案是在变频器均出现故障时采用变频器手动工频工作，系统仍控制副线压控阀工作，另一个方案是将此信号送入变频器，变频器进行调节转速，保证流量(压力)的稳定性，这一闭环控制系统是非常成熟的。

3.2 控制效果非常好

(1) 转速下降。泵出口压力成平方关系下降，即在保证导热油能打入炉子，进入重沸器的基础上，降低压力值，这样就会大大减少重沸器及管线接头部位泄漏，减少导热油消耗。
(2) 转速自动调节。保证加热炉入口流量，不走副线，会大大降低炉子燃料消耗，节约能源。
(3) 转速自动调节。使出口压力可以大大降低，大大减少泵的密封泄漏，同时大大减轻了整个传动系统的机械磨损并延长了电机寿命。
(4) 由于不走副线，大大减少电机无用做功，节电效果非常显著。

此次石油三厂分子筛P501机泵变频技术改造是抚顺石油三厂97年的重点技术改造项目，不仅关系到全年的扭亏为盈，是一个挖潜增效的有效手段，而且能够解决石油三厂分子筛热油系统(UNIT500)目前存在的设备隐患，对今后石油三厂安全生产有着极其重大的意义。

4 运行中出现的问题及解决办法

在应用变频器期间，我们也遇到几个比较棘手的实际问题，经过长期的努力，终于一一解决。

4.1变频器发热问题

由于变频器是由输入输出变压器以及整流逆变的功率元件构成的设备，所以工作中散热是必须很好解决的问题。尽管电流源型变频器的效率很高，但仍有5.12%的损失，以热量形式散发在柜内。正常工作时，变频器本身的内置排风扇工作以便柜内空气能够流通。
12月份，尽管是冬季(户外-25℃)，但变频器室内由于两台变频器的运行，室内温度仍然在30~40℃之间(2台5P空调均正常工作情况下)，98年元月31日17：35：00分就发生过变频器整流超温(限度40℃)停车的事故，因此解决好室内的降温工作就非常必要，否则在夏季高温条件下变频器将无法正常工作。

经过广泛调查研究，最后采取水冷空调器(2台15P)的方案，从7月份施工完毕运行效果来看，确实解决了这一问题经常运行温度为20~23℃之间。

4.2 变频器A、B两台同时运行出力不平衡的问题

98年2月份，分子筛A、B两台变频器均单独调试完毕。由于生产需要，热油量提高到1500t/h，开A、B两台泵，出现两台出力不平衡的问题，流量不稳。以2月5日为例：

一次电流百分输出值频率输出电压输出电流出口压力
P501A 60A 94% 48Hz 458V 950A 1.1MPA
P501B 60A 94% 48Hz 460V 700A 1.4MPA

A台泵流量平衡，压力一定，但B台流量不稳，压力在1.4MPA范围波动很大。基于这种现象，大家分析原因并逐项落实：

· B台、A台可能由于工艺管线的位置不同，存在阻力不同的问题，或入口过滤器堵了，但经过大检修检查无问题。
· A、B两台泵转速不同，压力不一样。后在3月份电工利用转速表测试两台电机转速相同。
· A、B泵的特性不同，但原来的96、97年以前也均相同，所以不是这个原因。
· 液位是假的。泵的入口吸不到介质造成，后经过4月7日仪表同工艺两家查找，是这个原因。具体为V501罐出现罐存实际低于20%的液位，直接影响了两台机泵大流量吸入的要求，使分子筛出现了近2个月的流量不稳的情况中，经过大家的努力，这个问题已解决了。

4.3 关于电机在低转速时能否正常油圈甩油润滑瓦的问题。

由于电机前后轴瓦需要油圈甩油润滑方式，可能出现电机在低转速时影响电机油圈的甩油质量。为此7月20日在相关人员的配合下，将前后轴瓦外小盖打开，分别标定了60%，80%，100%几种状态的润滑情况，认为虽然流量减少，但还是可以满足润滑的需要的，经实际运行证明，润滑没有问题，如运行中保持高油位会更可靠。

4.4 P501电机串轴问题

P501电机(Siemens)自从引进以来就出现串轴问题，串轴量达到6mm，造成一系列问题。经过分析是由于电机磁场平衡未解决好，测试转子的硅钢片为600mm，定子的硅钢片为612mm，如果两个铁芯的轴向中心相对，则不会产生轴向力，而这三台电机中的A、C内为铁芯一面相对，则会产生轴向力。电机轴承在6mm之间轴向运行，当到轴瓦护台以后又会碰回来，所以我们看到的就是6mm左右的串轴。6mm的串轴是机泵无法承受到的，造成电机与泵的弹性联轴节运行不了一个月就损坏，弹性联轴节失效后，泵密封、泵端环损坏频繁。

目前，P501A已经由鞍山电机厂处理完毕，彻底解决了轴向尺寸问题，C台轴转子重力中心与磁场中心差别不象A台那么大，通过调整瓦垫已调整相对满意。B台尺寸比较好，不存在上述问题。

以上是变频器期间碰到和解决的几个大问题，还有许多小问题，我们边工作边解决了，有力保证了厂节能项目工作的开展。
总之，通过引进变频技术后，分子筛原来存在的问题全部解决，多年来保证了分子筛装置的安全平稳生产。

参考文献
[1] 满永奎，韩安荣，吴成东等. 通用变频器及其应用[M]. 北京：机械工业出版社，1990.
[2] Theodore Wildi. 电机、托动及电力系统[M]. 北京：科学出版社，2002.
[3] 黄俊. 半导体变流技术[M]. 北京：机械工业出版社， 1990.
[4] ROBICON.《ID-CSI 456 SERIES Microprocessor Controlled Current Source Inverter(40 Hp through 1500Hp) OPERATIONS MANUAL》使用说明书1996(10)

作者简介
张雷(1970-) 男工程师现在抚顺石化工程建设三公司工作。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/8/2005)


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