2011注册化工工程师专业基础知识辅导1：变频器在炼油化工装置上的应用

2011注册化工工程师专业基础知识辅导1新型变频器在炼油化工装置上的应用介绍i .概述在工业企业中，电机是应用面最广和数量最多的电气设备之一。目前，大量交流电机均工作在固定的转速运行，这已愈来愈不能适应生产工艺对于自动化的要求。 同时，其运行在低功 率因数和低效率的工况下，对电能是极大浪费。由于石化行业的日益激烈的市场竞争，对我厂石油化工产品的型号、质量、数量等提出了新的要求。为了满足这些工艺上要求，在原驱动电机上，增加变频器系统。这样既可平滑改变物料的输送量，满足了生产工艺的要求，又达到了节能的效果。在我厂常一线、常二中采用的变频器系统， 既是动力源又是改变工艺参数的执行机构，它取代了原有的执行机构-调节阀，使得介质传输工艺过程控制发生了变革。2 变频器调速运行时的节能原理在实际的生产过程中， 各类泵的负荷选择都大于生产实际需要的流量，而在实际运行中， 所需的流量往往比设计的流量小很多，如果所用的电机不能调速，通常只能通过调节阀门来控制流量，其结果在阀门上会造成很大的能量损耗。如果不用阀门调节，而是让电机调速运行，那么，当需要的流量减小时，电机的转速降低，消耗的能量会明显减小。H (n 1), H (n2)表示调速时的 Q= f ( H)曲线，R1、 R2表示阀门调节时的管路阻力曲 线。阀门控制时，由于要减少流量，关小阀门，使阀门的摩擦阻力变大， Q2 tQ1 , AB,HL HB阀门控制时功率消耗 P1由0HBBQ1表示。当调速控制时，Q2 Q1 , AC , HAt HC调速控制时功率消耗 P2由0HCCQ1表示，若P1 P2则表示调速时功率消耗小于阀 门节流时的功率消耗。P= rQH泵的轴功率Q流量H扬程r液体重度在B点和C点运行时 PB PC = Q1 ( HB HC) r这部分就是所节约的电能。对于泵负载，有如下表达式：Q1/Q2 = n1/n2H1/H2 =(n 1/n2) 2P1/p2 =(n1/n2) 3由上式可知，当转速下降1/2时，流量下降1/2,压力下降1/4，功率下降1/8,即功率与转速成3次方的关系下降。如果不用关小阀门的方法，而是把电机的转速降下来，那么随着 泵的输出压力的降低，在输送同样流量的情况下，原来消耗在阀门上的功率就可完全避免。在不装变频器时，泵的出口流量靠出口阀控制调节。流量小时，靠关小阀门调节，增加了泵管压差，使部分能量白白消耗在出口阀门上。使用变频器后，可以降低泵的转速， 泵扬程也相应降低，电动机输出功率也降低了，从而消除了原来消耗在泵出口阀上的管压差。3 变频器系统的控制方案我厂的常一线泵 B109和常二中泵 B114的电动机功率分别为 75kW和55kW,转速2982转/ 分，额定电压380V，额定电流分别为132A和103A，额定出口流量分别为 28.520M3/h和2 0M3/h。在正常工作负荷情况下，电机工作在额定转速2982rpm，转速不可调。为保持流量稳定，采用控制出口阀门的方法进行控制，即差压变送器检测流量信号送至PID调节器，再由PID调节器输出4 20mA控制信号，控制出口调节阀的开度，从而控制出口流量，保持流量稳 定。原系统实际运行中，存在以下问题：(1) 节流量较大，泵出口阀的节流量已接近泵额定流量的一半，浪费大量的电能。(2) 控制精度低，出口流量波动较大(约 3% )。(3) 电机工作在额定转速，出力不变消耗电能。(4) 电机噪音较大，泵和管线阀门压力较大，易造成泄漏。根据系统的上述工艺要求，我们对变频器系统进行设计时，遵循了以下原则：a、保持出口流量稳定； b、出口流量的控制精度 0.5% ;d、根据泵的工作特性，系统设计应按恒转距原则进行；e、节能降耗；f、系统设计采用工频和变频双切换，保证的生产的连续性和可靠性，可以互为备用；g、采用两路DCS输出接点，一路控制原调节阀，一路控制变频器，在变频器故障状态时，DCS能自动识别变频故障信号，然后切换到调节阀调节流量。而当变频器处于正常运行状态时，调节阀处于全开位置；遵照上述原则，经过调研、比较，我们选择了日本东芝A5P变频器。该变频器具有技术先进、功能齐全、结构紧凑、可靠性高等特点，专为泵和风机类负载设计。FRH :频率设定；ACC/DEC :加/减速控制电路；A/D :模数变换；V/F :压频变换；BD :基极驱动电路；CPU :微处理器；LED :显示电路。变频器的主电路为典型的 交一直一交” SPWM电压型主电路。变频器的控制电路：频率给定FRH （即速度给定）经过 ACC和DED加减速控制电路，变成频率和电压基准信号，分别经过A/D转换电路和V/F函数发生器电路，再进入 CPU内,形成SPWM脉冲，成为IGBT的控制信号，驱动IGBT，从而使电压恒定、频率恒定的交流 电，经过变频器后，变成了电压和频率可调的交流电。A5P变频器整个控制系统采用微机进行采样、计算、实时控制、事故报警和显示。4. 变频器系统的运行情况1997 年 7 月，我厂在常一线泵和常二中泵电机上安装东芝 A5P 变频器后，运行情况与工频 比较，如下所示：( 1) 电机运行参数和节能情况的比较节电功率=() ( ) 1.73 = 16846 ( W)节电率=() ( ) / ()= 79%节电功率=() ( 200.9121 ) 1.73 = 19688(W)节电率=() ( 200.9121) / ()= 83%从比较表可以看出，使用变频器后既可满足生产需要，又可大量节能。( 2 ) 控制精度的比较在相同的工艺条件下， 采用工频和变频运行时， 绘出泵的出口流量波动曲线。 泵采用变频调 速后，流量控制精度非常高，记录仪记录的曲线为一条非常平稳的记录线。5 .应用效果及经济效益分析变频器投入运行以来，运行可靠，自动化程度高，节能效果显著，取得了良好的经济效益。( 1 ) 工艺控制平稳：由于变频器的高精度调节， 调节信号有高速传递性， 减少了以前仪表 控制带来的滞后现象，从而使系统控制精度提高，压力稳定，产品质量得到了提高。(2) 节能效果显著：按年 8000 小时计算，泵 114/1 年节约电量：节电率电动机工频功率工作时间=79%21.11千瓦8000小时 =133415千瓦时 泵109/2年节约电量：节电率电动机 工频功率工作时间=83%23.45千瓦8000小时 =155708千瓦时 泵114/1和泵109/2共节约电费：节电量电价=2891230.50= 144561元 变频器改造费用为15万元，所以只需1年左右， 就可收回投资。(3) 维护量减少：由于出口阀全开，电动机降速运行，使得管网压力下降，减少了工艺设 备的泄漏， 降低了机泵磨损，降低了电机的温升， 设备维护周期延长。 由于变频器代替了调 节阀，解决了由于调节阀故障高给生产带来的影响，使仪表的维护量减少。(4) 系统实现了软起动：由于变频器具有软起动功能，减小了对电网的冲击。6 .变频器应用时应注意的问题流量1 ) 用变频器时一定要满足工艺的要求，在某种特定环境下，老装置的机泵因扬程、所限制，变频器不一定适用，且非变工况运行的机泵也不宜采用。不能千篇一律照搬， 而应从工艺条件、机泵本身的参数出发而定。（2）变频器调速时，需要电气、仪表、工艺、设备各专业人员密切配合，以保证变频器安 全运行。工程技术人员在安装投用前要对有关专业人员进行培训。（3）大多数生产装置的仪表控制阀大多采用风关阀。采用变频器后，风关改为风开调节，需要注意，以免造成事故。旋转阀在炼油化工装置中的应用介绍1、旋转阀的特点阀通常分为直行程式和旋转式两大类。直行程阀通过一个直线运动的部件如闸板来允许或切断物流。直行程式的阀有截止阀、闸阀、隔膜阀等。旋转式的阀通过一个转动的部件来允许或切断物流。旋转部件能转动90度的旋转阀叫1/4旋转阀。有时候1/4旋转阀的分类可以扩大到转角小于 270度的旋转阀。由定义可以看到，旋转阀是一种通过旋转部件如转动 挡板旋转90度使阀从开位变化至关位的旋转阀。旋转阀一般具有如下的特点。（1）可调范围宽在流程工业中可调范围是最关键的，旋转阀的可调范围大约为150： 1（ VALTEK的球阀的可调范围可以达到 300 : 1.蝶阀和凸轮挠曲阀的可调范围为100: 1）。对应的截止阀的可调范围为30 : 1也就是说旋转阀可以提供5倍宽的可调范围。例如在最大流量是1000升/分，截止型阀能够有效地将流量减少到30升/分，同时旋转阀可以将流量调整到低于10升/分，对关键的阀控制流量越精确在流程中重复性越好，直接地降低了流程工业中不合格的产品。偏心旋转阀的两个特点提高了它的可调范围，第一个是其孔板式的设计，偏心是一个有效的1/4的园，偏心阀芯是 V型的，而传统的阀芯是园形的，当偏心旋转阀是关的时候，它的小的V型使得在低流量时形成非常精确的控制，对大流量，它几乎将阀门打开到几乎与 管道的直径相同。第二个特点是执行机器的行程旋转阀的执行机构有带一定行程的膜法和气 缸两种。1”的截止阀的行程大约是 3/4 ” 7/8而旋转阀的行程超过 2”对任何其它尺寸的阀 门。输入端的行程越大，则在工作端的控制越好。高可调比的控制阀提供按配方要求的精确的配比，而不论各流路流量的大小，传统的线性或调节阀不再适应这样的任务，旋转阀可以提高装置性能同时降低控制阀在工厂生命运行 周期中的成本。可调范围宽的旋转阀允许用户提高严密切断的标准，从而提高成本/效益指标。金属阀座加上用特殊材料制成的村里能够延长阀门的使用寿命，提高阀门的性能。简单的旋转结构的设计，可以使维护工作量减到最少。降低业主的生产成本。（2）严密切断直行程阀的轴是阀杆进出阀体，每个周期都带出产品， 对于直行程设计避免泄漏是困难的，它能将不希望的产品带入到生产过程系统中，并能产生较大的不能接受的工厂挥发性的外泄漏。旋转阀的旋转设计本质上不存在这个问题，因为这种阀采用了低滞后，高推力的气缸式执行机构，可提供比其它形式的执行机构更精确更高的稳定性，有能够提供长期严密切 断的金属阀座。（3）流通能力大尺寸小直行程阀的流通能力是安装阀的管道流通能力的分数，提高流通能力的方法是提高直行程阀的尺寸，通常可能比管道还大。 旋转阀的容量大约是相同尺寸的直行程阀的23倍，旋转阀能够用于提高掺合量而不改变进料管线的大小，可以极大地降低成本，基于这个原因， 部分旋转阀已经设计成可代替截止阀的法兰面对法兰面的连接形式，并配有连接螺栓，这类阀甚至比他们所替代的截止阀还便宜。（4）抗气蚀在流程工业中节流可引起大量的气蚀，气蚀可能损坏管道，产生不可接受的噪音等级，同时还可对计量系统产生扰动而引起不清楚或不可靠的读数，旋转阀具有坚固的设计， 大大减少了由于水锤现象造成阀门动作失败，同时其阀芯可以吸收部分多余的能量，明显地降低气蚀及相关的问题。（5）无外泄漏标准的旋转阀比标准的截止阀设计的外泄漏要好100倍，截止阀的阀杆的运动将灰尘拉出将沙子带入阀从而损坏了石墨填料。在旋转阀中阀杆不作任何进出的移动，而作旋转运动，从而不伤害填料，避免了外泄漏。(6) 维护费用与备品备件金属座旋转阀比截止阀的备品备件要少得多，维护通常也比较容易。2、旋转阀的种类2. 1、按照型式分类旋转阀按照型式分类有三种类型：蝶阀、球阀和柱塞阀。蝶阀是通过挡板或叶片以转轴为中心旋转一定角度来控制流动的方向。挡板或叶片看起来有点象一只蝴蝶。蝶阀可以起切断或调节作用，适用于浆状或带有固体悬浮物的流体。球阀的阀芯是带圆孔的球形体，当阀处于开位时允许流体流过，将球形体转动90度切断物流。球阀可以起切断和调节作用，它的压降小，适用于粘稠和有腐蚀性的流体、浆体低 温流体。球阀还可以用于高温、高压流体。柱塞阀的阀芯是中间带圆孔的锥形或圆柱形柱塞，当柱塞孔和流动方向一致时流体可以通过，当柱塞向任何方向旋转 90度时流路被切断。柱塞阀通常用于开/关控制。2. 2、按照操作方式分类旋转阀按照操作方式分类有如下类型：手动阀、自动阀和调节阀。手动旋转阀用手操作，通过手动执行机构如手杆、齿轮、手轮等来进行开关操作， 包括一个可以旋转90度的部件。执行机构通过操作阀杆和流量控制元件来开阀和关阀。自动旋转阀包括一个自动的执行机构，利用外部的能量来自动控制或遥控阀的开关。下列情况一般应选用自动阀：大阀（如大于8”的阀门）、手动操作很困难的阀门，处于有毒的或其它恶劣的环境中不可能采用手动操作的阀门，为处理紧急情况要求阀必须迅速关闭的阀门；配合批量配方所有流路的阀门等。自动执行机构的类型包括液动、气动和电动等，大部分自动旋转阀可以通过电动和气动执行机构来操作。旋转调节阀能够在特定的开度下操作，这类阀包括一个可以根据电信号大小产生相应转角的执行机构。蝶阀常用于低压大口径、对泄漏量要求不太严格的控制中。旋转调节阀是一种控制阀，控制阀还包括一些直行程阀如截止阀、闸阀、隔膜阀。自动旋转切断阀不是控制阀，因为它只能限定在开和关位。3、旋转阀的应用趋势(1)自动阀代替手动阀已成为工业应用的趋势随着世界范围内流程工业自动化程度的提高，对自动和调节型旋转阀的需求不断增加，同时手动阀需求减少。 这使今后阀门应用技术开发的重点应在于阀的执行器和定位器上，以使阀门能够连接到个人计算机、PLC、DCS系统。如采用数字定位器通过提高控制阀的精度来提高阀门的控制性能，成功的应用有如果将ND800数字定位器用于旋转控制阀，就能够使工艺参数的可变范围提高50%，再通过与控制阀的特性阀门定位器的电子特性的匹配来进一步提高控制的性能。典型应用有采用HART网的Field Browser软件。与切断阀相比，控制阀更适用于连续生产过程。通过调节功能，控制阀能够根据输入参数来改变流量的大小以保持设定值不变。在许多情况下，切断阀和控制阀二者均需要，如在炼油厂中，1/4旋转切断阀被用作安全切断阀。一个控制阀通常与两个切断阀一起使用，当 拆卸控制阀时起到隔离和切断物流的作用。电动执行机构将会逐步取代气动执行机构，因为电动执行机构不需要安装和维护供管线和压缩机，可以和定位器联系更紧密，而且可以避免将电信号转换为气信号。旋转阀的其它发展方向是通过改进阀座的设计及阀座的材质来提高阀的性能，减少阀的外泄漏等。具有控制和定位作用的智能阀门，会随着制造商降低成本和生产企业提高生产效率的需求使得市场变得越来越广泛。(2)代替直行程阀门的趋势因为旋转阀在许多情况下可以替代直行程阀门（如闸阀），与直行程阀门（如闸阀）相比，旋转阀具有许多优越性（见第1部分）。特别是随着净化空气行动（ CAA ）修正案的实施，防止阀门外泄漏变得越来越重要。1990年提出的CAA修正案包括了 189种挥发性有毒空气污染源（VHAPs ），其中有150种是挥发性的有机化合物（VOCs）。1997年4月通 过的最新的CAA修正案，除了包括前版修正案中的泄露检测及修复（LDAR ）方案外，还包括质量改进方案。CAA修正案增加了使用直行程阀门的化工公司、炼油厂及其它使用阀的生产企业在防止阀门外泄漏上的投入。CAA修正案及其引起的控制外泄漏的结果，促使手动阀、自动阀、控制阀的供应商采用新的技术来设计阀门，以减少阀门的外泄漏。 减少阀门外泄漏的关键在于阀门填料系统的材质。聚四氟乙烯（PTFE ）和石墨是阀填料系统的两种常用材料，为了减少阀门的外泄漏，许多供应商将全氟高弹性体和部分聚四氟乙烯及石墨结合起来用于阀门 的填料系统。全氟高弹性体填料系统比聚四氟乙烯填料系统的压紧力要大，但石墨填料系统的压紧力比全氟高弹性体填料系统高好多倍。压紧力大会导致阀杆的磨损和损坏，从而引起阀门外泄漏。总的来讲，采用旋转阀是减少外泄漏的有效措施，即旋转阀有代替执行程阀门的趋势。根据美国阀门制造商协会（ Valve Manufacturer Associate VMA ）市场份额排列也可以说明这一趋势：根据VMA提供的数据，美国1996年球阀、工业蝶阀和柱塞阀的装船量（VMA特别记录了球阀、工业用蝶阀和柱塞阀的装船量，除此之外，VMA将自动阀作为另一类别进行追踪，没有单独记录1/4旋转调节阀的销售量，而是将其归入自动阀这一类。VMA提供的是美国供货商装船量的数据，包括出口但不包括进口）共10.4亿美元，这个数量包括手动阀和自动阀，但不包括调节阀。球阀所占百分比最大，占总量的54.2%，工业蝶阀占26.2%，其余19.6%的份额为柱塞阀（参见表一）。表一美国1996年手动和自动球阀、工业蝶阀和柱塞阀的装船量类型销售额（百万美元）所占百分比球阀 565. 5 54. 2 %工业蝶阀 273. 0 26. 2 %柱塞阀 204. 0 19. 6 %4、旋转阀的应用（1）在炼油厂调和系统中的应用对于炼油厂中的调和系统，为了提高调和的质量，往往要求各种参与调和的油品必须精确高速地被注入与切断，这往往要求采用有较高切断率的控制阀，以便不论各流路的流量是多少都能够提供精确的液体掺混。传统的直行程阀或截止阀不再适应炼油厂中的这种应用情况，旋转阀由于其本身具有上文描述的优势，从而可以在这种应用场合下提供更高的性能价 格比。给用户的长期运行带来较大的收益。(2)旋转阀在我厂中应用广泛具体应用1 :焦化车间4路辐射进料控制阀改为旋转阀。焦化车间原设计为双座阀，由于焦化的辐射进料含有大量的焦粉颗粒，并且温度高、流速快，对控制阀产生很大的冲刷，控制阀的阀芯、阀座很快就被冲刷坏，漏量严重，不能控 制，一个新的控制阀仅能运行 3个月；后来将控制阀该为套筒阀，情况有所改观，一个新控制阀能运行5各月。1997年9月我们将控制阀该为 FISHER旋转阀，由于旋转的具有抗气 蚀能力，有效的克服了介质的冲刷，1998年10月我们检查了其中的一个控制阀，阀芯、阀座完好。四个控制阀一直使用至今。具体应用2 :南蒸馏减压炉3路进料。原设计减压炉3炉进料为套筒阀，由于进料含有渣油、杂质，经常将控制阀堵住， 且温度高、易凝结，给仪表维护带来大量的工作，1998年6月将3路进料该为FISHER旋转阀， 由于旋转阀具有较强的流通能力，克服上述问题，运行正常。具体应用3 :催化渣油回炼控制阀。催化渣油回炼控制阀原设计为套筒阀，由于渣油回炼中含有催化剂，对控制阀的冲刷严重，控制阀不能正常使用，一个新的控制阀进能运行6个月，1998年6月将控制该为FISHER旋转阀，使用至今。具体应用4:催化气压机放火炬。催化气压机放火炬原采用700闸板阀，缺点是开关速度慢， 泄漏量大，后采用三偏心蝶阀，开关速度小于10秒，密封可做到5级。这样的具体应用有许多，不再列举。5、结论随着炼化装置一体化和炼油化工装置规模大型化，生产过程对于仪表及控制系统的精度和适应性要求越来越严格，作为控制系统中的核心部件执行元件一控制阀，其性能与质量对于石油化工厂的经济效益的影响越来越大。无论是为了将来扩大生产规模还是提高控制质量（如上先进控制或优化控制等），都要求我们在选用控制阀时，不仅要考虑建设期的一次性投资，而且更要注重生产期的运行成本。随着旋转阀的特点日益为人们认识与接受，其必将会在国内的日益大型化的炼油及化工装置中获得越来越广泛的应用。