引风机变频调速节能技术在化工生产中的应用

全永光（大庆油田化工集团）

引风机变频调速节能技术在化工生产中的应用

全永光（大庆油田化工集团）

大庆油田甲醇厂引进的合成氨装置引风机启动力矩大，需配置大功率电动机，能源浪费巨大；风量的调节靠调节风机入口挡板的开度来完成，风机振动大。为解决这一问题，在风机上采用了变频调速技术，引风机风量的调节方式由节流调节改为变频调节。变频器投入使用后引风机的运行状况得到明显的改善：低负荷运行时，风机转速降低，无需再调节风机入口挡板，解决了风机低负荷运行振动的问题；利用负压来控制风机的转速，转化炉辐射段的负压非常平稳，大大提高了原料气的转化率，风机在70%负荷运转时，能耗仅为额定值的34%，节能效果非常显著。

引风机 节流调节 变频调节 经济效益

D O I:10.3969/j.i ssn.2095-1493.2011.05.008

大庆油田甲醇厂合成氨装置是从美国引进的二手装置，年生产液氨能力为6×104t。该装置采用凯洛格工艺，即天然气蒸汽一段转化、空气二段转化、MEA脱碳、高压合成制氨工艺。

一段转化炉是该装置的核心设备，其主要作用是将天然气转化为氢气和一氧化碳。操作压力为2.2 MPa，操作温度为1100℃，负压运行，其负压操作靠引风机不断从炉子辐射段抽取烟气来实现。由于一段转化炉引风机的轮毂直径为1.2 m，风机的启动力矩非常大，因此风机所配置的拖动电动机功率也非常大。在风机正常运行时，电动机处于大马拉小车状态，造成极大的能源浪费。另外由于电动机为固定转速，风量的调节靠调节风机入口挡板的开度来完成。小风量时，风机挡板开度很小，造成风机的振动非常大，装置无法实现低负荷平稳运行。鉴于此，对引风机采用变频调速技术，并建立依照炉膛负压值来控制电动机转速的闭环控制系统。

1 引风机变频器

1.1 节能分析

利用变频器实现调速节能运行，是变频器的一个最典型的例子，其中以风机和泵类机械的节能效果最为显著。下面以引风机为例做节能分析。

风机的机械特性符合下列公式[1]：

式中：T——转矩；T0——空载转矩；Kr——比例系数；n——转数；P——功率；P0——空载功率；kp——比例系数。

通常控制风量的方法有A和B两种方法：

◇A法是控制输出或输入的风门开度；

◇B法是控制旋转速度。

采用A法时，管路的节流阻力改变，可得到所需的送风特性，此方法的优点是投资少，操作简单。采用B法时由于功率与速度的3次方成正比，节能效果十分明显，加之采用变频装置容易操作，并可以实现高功能化，因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门控制方案，见图1[2]。

由图1可知，当Q=0.7Qn（Q——风量，Qn——额定风量）时，通过调速的方法来调节风量，消耗的电功率P=0.34Pn（P——电功率，Pn——额定电功率），而直接用风门调节风量所耗功率则为Px=0.94Pn。可见，用变频器调速节能效果十分明显。

1.2 变频器的选择

根据电动机的额定功率、额定频率、额定转速、额定电流、额定电压等特性选择相应的变频器。

变频器连续运转时所需的变频器容量应满足以下公式[3]：

式中：

Pm——负载所要求的电动机的轴输出功率，kW；

y——电动机效率（0.85）；

cosϕ——电动机的功率因数（通常选为0.95）；

Um——电动机电压，V；

Im——电动机电流，A；

k——电流波形修正参数；

Pcn——变频器的额定容量，kvar；

Icn——变频器的额定电流，A。

2 系统自动控制

合成氨装置一段转化炉引风机运行的自动控制过程是：现场变送器送回的炉膛负压值与控制室的设定值相比较，再通过PID调整，使其对应变频器线性输出20～50 Hz，变频器的频率又对应着一定的炉膛负压，从而达到控制目的。引风机工作时所测数据见表1。

表1 引风机工作时所测数据

控制系统[4]的结构见图2。

3 变频调速系统应用效果

通过对合成氨装置一段转化炉引风机变频调速系统的研究，得到了系统的设置方案，完成了变频器的选型，确立了自动控制方案。变频器选择德国西门子公司的MIDIMASTER Ecd型变频器。最大功率为110 kW，频率调节范围为0～50 Hz；负压变送器采用合资厂生产的3051型智能变送器；频率表、电压表、电流表选用国内性能稳定的产品，控制部分利用现有装置的ABB公司DCS控制系统。

安装、调试，投入运行后引风机的运行状况得到明显的改善：低负荷运行时，风机转速降低，无需再调节风机入口挡板，解决了风机低负荷运行振动的问题；利用负压来控制风机的转速，转化炉辐射段的负压非常平稳，大大提高了原料气的转化率，利用变频器调速后，风机在70%负荷运转时，能耗仅为额定值的34%，节能效果非常显著。装置运行数据见表2。

表2 合成氨装置一段转化炉引风机检测数据

风机的额定功率是110 W，没装变频器前日用电量约为2640 kW·h，装变频器后能耗仅为额定值的34%，每天节约的电量为1742.4 kW·h。按化工装置每年生产运行300 d计算，一年节约的电量为52.272×104kW·h，按0.50元/（kW·h）计算，每年可节约26×104元。运行一年即可收回安装费用。同时又实现了自动调节控制，使风机运行更加平稳，装置操作更加省力，保证了化工装置的安、稳、长、满、优运行。

[1]韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京：机械工业出社，1996.

[2]吴忠智，吴加林.变频器应用手册[M]．北京：机械工业出版社，1995.

[3]席志红，曲杰琳.电工技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1998.

[4]钱积新，王慧，邵之江.控制系统的数字仿真及计算机辅助设计[M].杭州：浙江大学出版社，1999.

全永光，2001年毕业于天津大学，助理工程师，从事变电运行工作，E-mail：quanyongguang@126.com，地址：大庆市让胡路区马鞍山大庆油田甲醇厂调度室，163000。

2011-05-28)