產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
少用電 用好電 再生電 存儲(chǔ)電 防爆電
解決方案
高壓變頻器在石化行業(yè)的應(yīng)用
1引言
中化弘潤(rùn)石油化工有限公司作為世界500強(qiáng)的中國(guó)中化集團(tuán)旗下的控股子公司，是全國(guó)守合同重信用企業(yè)、中國(guó)石油化工百?gòu)?qiáng)企業(yè)、山東省百?gòu)?qiáng)企業(yè)、濰坊市重點(diǎn)骨干企業(yè)。目前公司擁有140萬(wàn)噸/年渣油延遲焦化裝置、120萬(wàn)噸/年加氫—2.3萬(wàn)方制氫聯(lián)合裝置、60萬(wàn)噸/年汽油加氫裝置、日處理量1萬(wàn)余噸現(xiàn)代化大型污水處理裝置等。公司的原油年加工能力達(dá)到600萬(wàn)噸，綜合加工能力800萬(wàn)噸以上，原料油及成品油的罐儲(chǔ)能力達(dá)到80萬(wàn)噸。
延遲焦化是一種石油二次加工技術(shù)，是指以貧氫的重質(zhì)油為原料，在高溫（約500℃）進(jìn)行深度的熱裂化和縮合反應(yīng)，生產(chǎn)富氣、粗汽油、柴油、蠟油和焦炭的技術(shù)。它是目前世界渣油深度加工的主要方法之一，處理能力占渣油處理能力的三分之一。
現(xiàn)場(chǎng)焦化裝置配置兩臺(tái)輻射進(jìn)料泵，一用一備，平均一年運(yùn)行7800h單臺(tái)3900h。正常生產(chǎn)需要根據(jù)焦化爐內(nèi)的壓力和流量進(jìn)行頻繁的調(diào)節(jié)其原料進(jìn)料流量。由于調(diào)節(jié)閥前后具有很大的壓力差，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)焦化爐輻射段的進(jìn)料流量，大量能量就消耗在調(diào)節(jié)閥節(jié)流上，操縱不穩(wěn)定，調(diào)節(jié)閥沖洗十分嚴(yán)重，造成維修費(fèi)用居高不下，為減少電能浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本，用戶決定使用變頻進(jìn)行調(diào)節(jié)，還有輻射進(jìn)料泵承擔(dān)著向加熱爐輻射段輸送熱渣油的重任，因此該泵出現(xiàn)任何異常，裝置都有可能停工。因此必須選用可靠性高的變頻裝置對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造。經(jīng)過多方考察，比較性價(jià)比，決定選用新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-560F高壓變頻器2套對(duì)焦化輻射進(jìn)料泵進(jìn)行改造，改造取得了成功。
2 輻射進(jìn)料泵原系統(tǒng)現(xiàn)狀
輻射進(jìn)料泵（P102AB）給焦化爐供應(yīng)原料，輻射進(jìn)料泵流程如圖1所示。輻射進(jìn)料泵（P102ＡＢ）拖動(dòng)電機(jī)功率為450kW，額定電流為 31.6A，具體參數(shù)如表1、表2所示。
圖1 輻射進(jìn)料泵流程圖
由于生產(chǎn)原料的限制，該裝置實(shí)際處理量低于設(shè)計(jì)處理量，按設(shè)計(jì)處理量的1.4倍選配輻射泵，使該泵的實(shí)際流量比其最低設(shè)計(jì)流量還小。在低流量下運(yùn)行時(shí)，泵內(nèi)液體的流動(dòng)狀況將發(fā)生改變，泵的運(yùn)行工況劣化，致使軸承和機(jī)械密封壽命急劇降低，噪聲加劇，故障率升高。正常操作時(shí)泵的出口壓力為4.7MPa，加熱爐前（調(diào)節(jié)閥后）壓力為0.6MPa，即可滿足系統(tǒng)要求?？梢?，有大量的能量消耗在調(diào)節(jié)閥上，況且有時(shí)只有一臺(tái)爐子進(jìn)行生產(chǎn)，進(jìn)行變頻改造，節(jié)約能源勢(shì)在必行。
3風(fēng)光JD-BP38-560F高壓變頻器系統(tǒng)
改造選用風(fēng)光JD-BP38-560F高壓變頻器2臺(tái)、配置自動(dòng)旁路柜。2臺(tái)兩臺(tái)輻射進(jìn)料泵分別配置1臺(tái)高壓變頻器，采用“一拖一”變頻控制。
3.1風(fēng)光JD-BP38-560F變頻器參數(shù)
風(fēng)光JD-BP38-560F變頻器參數(shù)如表3所示。
3.2 風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻器技術(shù)特點(diǎn)
風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無(wú)速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標(biāo)小于IEEE519-1992的諧波標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機(jī)。具體來說，風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外，還具有以下突出特點(diǎn)：
(1)采用高速DSP作為中央處理器，運(yùn)算速度更快，控制更精準(zhǔn)。
(2)矢量控制技術(shù)，通過測(cè)量和控制交流電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，調(diào)速精度高，帶負(fù)載能力強(qiáng)。
(3)快速飛車啟動(dòng)功能。能夠識(shí)別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動(dòng)。在變頻器受到負(fù)載沖擊保護(hù)后可對(duì)其自動(dòng)復(fù)位，然后再自動(dòng)啟動(dòng)，即可避免重要場(chǎng)合（如水泥廠高溫風(fēng)機(jī)）變頻保護(hù)停機(jī)造成的損失。快速飛車啟動(dòng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)變頻器在0.1s之內(nèi)從保護(hù)狀態(tài)復(fù)位重新帶載運(yùn)行。
(4)工頻/變頻無(wú)擾切換技術(shù)?，F(xiàn)在的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般設(shè)置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時(shí)能使高壓電機(jī)轉(zhuǎn)至工頻運(yùn)行，旁路切換有手動(dòng)旁路和自動(dòng)旁路切換兩種型式，手動(dòng)旁路需人工操作，適應(yīng)于無(wú)備用裝置或不重要的運(yùn)行工況，自動(dòng)旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動(dòng)轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行。新風(fēng)光公司提供的自動(dòng)旁路切換柜，不僅可實(shí)現(xiàn)變頻故障情況下自動(dòng)由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行狀態(tài)，還可實(shí)現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運(yùn)行的功能，整個(gè)轉(zhuǎn)換過程不會(huì)對(duì)用戶設(shè)備的運(yùn)行造成任何影響。
(5)電網(wǎng)瞬時(shí)掉電重啟技術(shù)，電網(wǎng)瞬間掉電可自動(dòng)重啟，可提供最長(zhǎng)60s的等待時(shí)間。
(6)線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)（星點(diǎn)漂移技術(shù)）。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)通過調(diào)整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
(7)振蕩抑制技術(shù)，電機(jī)輕載或者空載的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)局部不穩(wěn)定現(xiàn)象，這時(shí)電流幅值波動(dòng)很大，電流的振蕩有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)因?yàn)檫^流或過壓而觸發(fā)保護(hù)。新風(fēng)光公司采用優(yōu)越的電流算法，有效地抑制電流的振蕩，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。
(8)多機(jī)主從控制技術(shù)，變頻器具備主從控制功能，多臺(tái)變頻器之間可通過數(shù)據(jù)總線組成主從控制網(wǎng)絡(luò)。將其中的一臺(tái)設(shè)為主機(jī)，其他設(shè)為從機(jī)，主機(jī)實(shí)時(shí)采集各從機(jī)的狀態(tài)信息，同時(shí)發(fā)送給各從機(jī)頻率、轉(zhuǎn)矩指令，實(shí)現(xiàn)各臺(tái)變頻器的功率平衡和綜合控制。該技術(shù)適用于皮帶機(jī)、摩擦式提升機(jī)等需要功率平衡控制的場(chǎng)合。
(9)輸出電壓自動(dòng)穩(wěn)壓技術(shù)，變頻器實(shí)時(shí)檢測(cè)各單元母線電壓，根據(jù)母線電壓調(diào)整輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)壓功能。避免電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響。
(10)故障單元熱復(fù)位技術(shù)，若單元在運(yùn)行中故障，且變頻器對(duì)其旁路繼續(xù)運(yùn)行，此時(shí)可在運(yùn)行中對(duì)故障單元進(jìn)行復(fù)位，不必等變頻器停機(jī)。
(11)單元直流電壓檢測(cè)：實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)系統(tǒng)的直流電壓，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統(tǒng)控制性能，并可使保證運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)現(xiàn)對(duì)功率單元運(yùn)行狀況的全面把握。
(12)具備突發(fā)相間短路保護(hù)功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路，此時(shí)如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能，將會(huì)導(dǎo)致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問題時(shí)能夠立即封鎖變頻器輸出，保護(hù)設(shè)備不受損害，避免事故的發(fā)生。
(13)限流功能：當(dāng)變頻器輸出電流超過設(shè)定值，變頻器將自動(dòng)限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負(fù)載突然變化而引起的過流保護(hù)，最大限度減少停機(jī)次數(shù)。
(14)多種控制方式，可選擇本機(jī)控制、遠(yuǎn)控盒控制、DCS控制支持MODBUS、PROFIBUS等通訊協(xié)議頻率設(shè)定可以現(xiàn)場(chǎng)給定、通訊給定等支持頻率預(yù)設(shè)、加減速功能。
4 改造后輻射進(jìn)料泵控制方式
項(xiàng)目實(shí)施過程中技術(shù)人員以滿足裝置加工量和焦化爐平穩(wěn)運(yùn)行為根本，積極與工藝、設(shè)備人員進(jìn)行技術(shù)溝通，制定控制方案，做好DCS系統(tǒng)組態(tài)程序，并考慮到兩臺(tái)焦化爐并列運(yùn)行，制定如下控制方案：
（1）對(duì)兩臺(tái)輻射進(jìn)料泵（P102AB）進(jìn)行改造，采用一拖一自動(dòng)控制。
（2）通過變頻器控制柜上的“遠(yuǎn)程/本地”切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)就地啟動(dòng)和遠(yuǎn)程啟動(dòng)，改造前后操作方式基本不變，只增加了就地啟動(dòng)功能，為保證裝置生產(chǎn)的連續(xù)性，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可以切換到工頻運(yùn)行，仍利用原來的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。
（3）從DCS組態(tài)程序中增加一套操作程序，DCS輸出兩個(gè)4～20mA的直流信號(hào)控制變頻器的輸出頻率，從而分別調(diào)節(jié)P102AB的兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制泵出口壓力，利用原調(diào)節(jié)閥來平衡進(jìn)爐料的流量。
5變頻改造主回路
為防止變頻器檢修或故障對(duì)生產(chǎn)的影響，本次采用的JD-BP38-560F型高壓變頻器采用“一拖一”控制方式，配置自動(dòng)工頻旁路，主回路接線如圖2所示。
圖2 自動(dòng)旁路柜
圖2旁路柜在變頻器進(jìn)、出線端增加了兩個(gè)隔離刀閘，以便在變頻器退出而電機(jī)運(yùn)行于旁路時(shí)，能安全地進(jìn)行變頻器的故障處理或維護(hù)工作。
旁路柜主要配置：三個(gè)真空接觸器（KM1、KM2、KM3）和兩個(gè)刀閘隔離開關(guān)K1、K2。KM2與KM3實(shí)現(xiàn)電氣互鎖，當(dāng)KM1、KM2閉合，KM3斷開時(shí)，電機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)KM1、KM2斷開，KM3閉合時(shí)，電機(jī)工頻運(yùn)行。另外，KM1閉合時(shí)，K1操作手柄被鎖死，不能操作；KM2閉合時(shí)，K2操作手柄被鎖死，不能操作。
電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，若需對(duì)變頻器進(jìn)行故障處理或維護(hù)，切記在KM1、KM2分閘狀態(tài)下，將隔離刀閘K1和K2斷開。
合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號(hào)串聯(lián)于KM1、KM2合閘回路。在變頻器故障或不就緒時(shí)，真空接觸器KM1、KM2合閘不允許；在KM1、KM2合閘狀態(tài)下，若變頻器出現(xiàn)故障，則“合閘允許”斷開，KM1、KM2跳閘，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入電源。
旁路投入：將變頻器“旁路投入”信號(hào)并聯(lián)于KM3合閘回路。變頻運(yùn)行狀態(tài)下，若變頻器出現(xiàn)故障且自動(dòng)投入允許，或者需要將電機(jī)從變頻投入到工頻狀態(tài)運(yùn)行（按下“工頻投切”按鈕），系統(tǒng)將首先分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入、輸出開關(guān)KM1和KM2，經(jīng)過一定延時(shí)后，“旁路投入”閉合，即工頻旁路開關(guān)KM3合閘，電機(jī)投入電網(wǎng)工頻運(yùn)行。同時(shí)采用閥門的開度控制進(jìn)爐原料流量，滿足生產(chǎn)工藝需求。
保護(hù)：保持原有對(duì)電機(jī)的保護(hù)及其整定值不變。
利用原有DCS控制系統(tǒng)的預(yù)留點(diǎn)，將高壓變頻器有關(guān)信號(hào)接入原有DCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)方/就地控制功能。當(dāng)高壓變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，將故障信息發(fā)送給DCS，以便于及時(shí)排除故障。
6焦化輻射泵變頻改造運(yùn)行情況
6.1 節(jié)能情況
改造完成后，高壓變頻器于2009年11月12日一次投入使用，至今運(yùn)行正常。焦化裝置運(yùn)行穩(wěn)定的情況下，加工量為146t/h，原料配比和性質(zhì)穩(wěn)定，使泵輸送介質(zhì)的工況相對(duì)穩(wěn)定，泵的運(yùn)行情況良好，能夠滿足生產(chǎn)工藝要求。為檢驗(yàn)改造效果，以P102A泵為例，對(duì)該泵改造前后運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表4所示。節(jié)電效果十分明顯。操作壓力明顯降低。
改造后，進(jìn)料泵電機(jī)的電流由31A下降到16.2A，功率因數(shù)0.86提高到0.97，每小時(shí)節(jié)約功率為189.6kW，每年按3900h，每kW?h按0.5元計(jì)算，則年節(jié)電為：
節(jié)電量=189.6 kW×3900h×0.5元/kW?h=369720元，兩臺(tái)泵一年可節(jié)省電費(fèi)730000元。
6.2其他收益
未改造之前純粹靠調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)爐原料流量，調(diào)節(jié)閥開度在25%～40%之間造成大量的能量浪費(fèi)，改造后，調(diào)節(jié)閥基本全開，系統(tǒng)壓力由4.7Mpa下降到2.5Mpa左右，大大減少了介質(zhì)度設(shè)備的沖蝕，延長(zhǎng)了系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命，初步估算，由于沖蝕磨損的減少，加熱爐進(jìn)料調(diào)節(jié)閥、前后手閥等有關(guān)閥門的使用壽命大大增加，僅此一項(xiàng)，年可節(jié)約設(shè)備更換費(fèi)用約15萬(wàn)元。此外，降低了因磨損造成的閥門關(guān)閉不嚴(yán)、管線彎頭等出現(xiàn)漏點(diǎn)給生產(chǎn)帶來的不利影響，以及不安全因素。為裝置長(zhǎng)期安全生產(chǎn)提供了有力保證，安全效益巨大。
7結(jié)束語(yǔ)
在石化行業(yè)焦化風(fēng)機(jī)、泵上應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，不僅解決了生產(chǎn)工藝中存在的問題，而且降低了生產(chǎn)成本，提高了設(shè)備運(yùn)行安全性，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。隨著我國(guó)“十二五”對(duì)節(jié)能減排工作的日益重視，變頻器用于石化行業(yè)的風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備節(jié)電效果顯著，而且性能穩(wěn)定、可靠性高，具有重要的推廣意義。
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