變頻技術(shù)在化工行業(yè)的應(yīng)用

賀軍鵬 (陜西金泰氯堿神木化工有限公司， 陜西 神木 719319)

0 引言

變頻器是可以實現(xiàn)電源調(diào)壓調(diào)頻的變換設(shè)備，可以保證異步電動機(jī)產(chǎn)生良好的調(diào)速效果。依據(jù)生產(chǎn)的實際情況，對于風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備選擇合理的變頻器可以實現(xiàn)節(jié)能降耗的作用?；どa(chǎn)中存在大量的風(fēng)機(jī)、水泵以及需要實現(xiàn)調(diào)速的旋轉(zhuǎn)類設(shè)備，所以變頻器的應(yīng)用具有可行性。

1 變頻技術(shù)的引入

1.1 變頻的定義

簡單地理解，變頻技術(shù)是將電路中的電流頻率加以改變，變頻器是完成變頻功能的控制裝置。變頻器的組成較為復(fù)雜，主要部位包括電源板、控制板、電容等，這些元件的共同作用，可以改變變頻器的電流頻率。在傳統(tǒng)的電氣設(shè)備控制中，電流頻率是恒定的，難以變化的。在設(shè)備運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)速因此也不能調(diào)節(jié)，這樣的控制模式不僅降低了設(shè)備的使用壽命，還造成了電能的浪費。變頻技術(shù)的引入可以解決此類問題，設(shè)備的運轉(zhuǎn)速度得以變化，可以結(jié)合生產(chǎn)的需要來調(diào)節(jié)設(shè)備的轉(zhuǎn)速，生產(chǎn)方式更加靈活。

1.2 變頻技術(shù)的原理

在電壓不發(fā)生改變的條件下，變頻器借助了電力半導(dǎo)體器件具有的通斷功能，將原有無法改變的交流電頻率變成了可變化的交流電，并且借助頻率的變化實現(xiàn)了頻率變化下的調(diào)速[1]。變頻技術(shù)的應(yīng)用為工業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造了方便條件。變頻技術(shù)的產(chǎn)生最初是為了實現(xiàn)電流頻率變化的需求。在上世紀(jì)中期，由于技術(shù)的進(jìn)步，電子器件在快速發(fā)展，從原有的晶閘管發(fā)展到絕緣柵雙極型晶體管，經(jīng)歷了多次的更新發(fā)展，促進(jìn)了變頻技術(shù)的進(jìn)步。在上世紀(jì)70年代，經(jīng)過研究產(chǎn)生了倠?—VVVF調(diào)速，這一成果的應(yīng)用帶來良好的效果。在上世紀(jì)80年代PWM模式得以應(yīng)用，PWM 模式是實現(xiàn)變頻的核心技術(shù)，它的出現(xiàn)推動了變頻技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，產(chǎn)生出多種優(yōu)化模式，包括鞍形波PWM模式。在后來的發(fā)展中，發(fā)達(dá)國家推出了VVVF變頻器，它的投入使用，實現(xiàn)了更優(yōu)質(zhì)的變頻效果。

1.3 變頻技術(shù)的作用

在化工生產(chǎn)中，由于變頻技術(shù)的應(yīng)用，在生產(chǎn)過程中發(fā)揮著重要的作用。首先是實現(xiàn)調(diào)速，在許多運轉(zhuǎn)設(shè)備，調(diào)速借助轉(zhuǎn)子串電阻的方式，這種技術(shù)的調(diào)速范圍有限，難以保證精準(zhǔn)，可靠性差，在使用中易引發(fā)設(shè)備故障，降低了設(shè)備壽命，增加了維修成本。借助變頻技術(shù)來調(diào)速，操作簡單，設(shè)備的運行更加安全可靠，降低了設(shè)備故障，設(shè)備性能得以提升。其次是實現(xiàn)節(jié)能，在風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備中，流量調(diào)節(jié)多采用改變調(diào)節(jié)氣門開度的方式，造成了電能的浪費，影響經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)用變頻技術(shù)來調(diào)節(jié)流量，可以避免浪費現(xiàn)象，節(jié)能效果較好。此外，變頻技術(shù)的應(yīng)用還促進(jìn)了產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)備體積得以減小等，但最主要的優(yōu)勢體現(xiàn)在調(diào)速與節(jié)能。變頻器原理圖如圖1所示。

圖1 變頻器原理圖

2 變頻技術(shù)在化工行業(yè)的具體應(yīng)用

2.1 變頻技術(shù)在流量調(diào)節(jié)上的應(yīng)用

在化工生產(chǎn)中，需要對化工配料、催化劑的添加、反應(yīng)釜的出料速度、液體輸送的流量加以精確控制，能否保證生產(chǎn)過程準(zhǔn)確靈活的流量控制對于化工產(chǎn)品的最終質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用。在化工生產(chǎn)的工藝控制中，最為有效最適合的方法就是利用變頻器對生產(chǎn)過程加以控制，特別是在化工企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)中更有利于變頻器的應(yīng)用?；どa(chǎn)線通常存在計量配料泵、各類反應(yīng)釜以及輸送泵等，不同生產(chǎn)線的數(shù)量各不相同，在化工生產(chǎn)時可以借助變頻器來實現(xiàn)對計量配 料流量進(jìn)行精確控制，還可以控制反應(yīng)釜的物料流入與流出的速度，控制生產(chǎn)環(huán)節(jié)液體的輸送流量，保證化工生產(chǎn)可以實現(xiàn)自動、精確的控制。此外，還可以解決不同濃稠液體混合時精確配比問題，保證配料可以實現(xiàn)動態(tài)化的控制，保證了控制的精度。由于變頻器的使用，化工產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量得以保證，消除人工控制流量對產(chǎn)品質(zhì)量造成的不良影響。將變頻器、控制器 PLC等加以組合，構(gòu)成了功能完善的生產(chǎn)控制系統(tǒng)，這也是當(dāng)前化工生產(chǎn)較為理想的控制模式[2]。電動機(jī)從靜止到平穩(wěn)轉(zhuǎn)速可以借助變頻器完成軟啟動，避免了大電流帶來的沖擊。

2.2 變頻技術(shù)在壓力調(diào)節(jié)上的應(yīng)用

變頻器采用了交直交電源加以變換的原理，可結(jié)合控制目標(biāo)的需要輸出相應(yīng)的頻率，輸出連續(xù)可調(diào)的交流電壓。在化工生產(chǎn)中，水泵、空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變可以來調(diào)節(jié)壓力，介質(zhì)的供應(yīng)量也隨之改變。借助壓力變送器可對反應(yīng)罐內(nèi)的壓力進(jìn)行不間斷采樣。在壓力發(fā)生改變時，變頻器會依據(jù)反饋信號動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)供需的動態(tài)平衡，消除了化學(xué)反應(yīng)中壓力不穩(wěn)定的弊端。在壓力容差的許可范圍內(nèi)，借助變頻器PID調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了頻率的變化。保證介質(zhì)流動中的壓力恒定，可保證介質(zhì)壓力恰好滿足反應(yīng)需求，還可以達(dá)到恒壓供給的目的。在控制電路上引入“工頻”和“變頻”接觸器，實現(xiàn)了“工頻運行”和“變頻運行”不同模式間的切換。在工頻運行條件下，變頻器不進(jìn)行控制，系統(tǒng)依據(jù)原有方式起停、工頻運行；在節(jié)電模式下，系統(tǒng)由變頻器直接完成拖動，系統(tǒng)結(jié)合用量的需要，自動調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得介質(zhì)在管道始終保持恒定壓力的輸出。在系統(tǒng)中由于變頻節(jié)能系統(tǒng)的應(yīng)用，借助變頻技術(shù)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)管道壓力的調(diào)節(jié)，取代原有的閥門調(diào)節(jié)，可以取得更好的節(jié)能效果。變頻調(diào)速可以將管網(wǎng)壓力作為控制目標(biāo)，裝在出口端的壓力變送器可以將壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，變頻器收到信號后內(nèi)部的 PID調(diào)節(jié)器會和壓力的設(shè)定值加以比較，并結(jié)合差值的變化，按照 PID控制模式運算，輸出信號去改變變頻器的輸出電壓和變頻率，調(diào)整轉(zhuǎn)速，保證實際壓力處于設(shè)定壓力。

2.3 變頻技術(shù)在液位調(diào)節(jié)上的應(yīng)用

在化工生產(chǎn)中，配料控制、催化劑的計量需要借助液壓調(diào)節(jié)來實現(xiàn)，反應(yīng)釜的液位以及液態(tài)中間體的液位調(diào)節(jié)是非常重要的化工工藝控制， 液壓控制的靈活性和精確度會直接影響產(chǎn)品的品質(zhì)。要保證靈活、精確的液位控制有多種多樣的方式， 變頻器是最為有效的方式之一。變頻器可以實現(xiàn)智能化的過程控制，因變頻器更適合于大規(guī)模的化工生產(chǎn)線的應(yīng)用[3]?；どa(chǎn)線存在數(shù)量不等的反應(yīng)釜、計量配料泵與輸送泵等。在反應(yīng)過程中， 反應(yīng)釜的液位控制、計量泵的液位精確定量控制與生產(chǎn)中不同環(huán)節(jié)的匹配輸送可以借助變頻器來實現(xiàn)執(zhí)行功能，以實現(xiàn)化工生產(chǎn)全過程的自動控制。除了上述與生產(chǎn)直接相關(guān)的優(yōu)勢外，變頻器的應(yīng)用還會解決濃稠液體的液位難以實現(xiàn)精確控制的弊端，實現(xiàn)了配料的精確，保證了控制的動態(tài)精度。變頻器的應(yīng)用可以最大限度消除操作人員存在的人為因素對品質(zhì)造成的不利影響。在當(dāng)前技術(shù)條件下， 化工生產(chǎn)控制系統(tǒng)控是由變頻器、 控制器PLC、監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)成的。該系統(tǒng)的應(yīng)用體現(xiàn)出液位控制低成本投入，降低維護(hù)工作量的優(yōu)勢。

3 變頻技術(shù)的節(jié)能方式

3.1 降低化工工藝中的動力損耗

在化工企業(yè)的生產(chǎn)中，工藝設(shè)計中發(fā)生能源損耗主要為動力損耗，因此采用技術(shù)措施降低生產(chǎn)中的動力損耗，有利于降低化工企業(yè)的能源支出?；て髽I(yè)引入變頻技術(shù)可以提升調(diào)節(jié)效果，調(diào)節(jié)儀器設(shè)備處于更優(yōu)的運作模式下，可以利用變頻技術(shù)對閥門類常規(guī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)加以改造升級，降低儀器設(shè)備的電量損耗。結(jié)合化工企業(yè)的生產(chǎn)特點，分析不同設(shè)備的工作狀況，優(yōu)化調(diào)控裝置，可以借助化工設(shè)備的工藝交叉點，減少化工工藝中的動力損耗。

3.2 完善化工生產(chǎn)的工藝條件

化工生產(chǎn)的工藝條件不僅會影響到產(chǎn)品品質(zhì)，還有利于降低化工生產(chǎn)中的能源損耗，對化工生產(chǎn)條件加以改善，可以推動節(jié)能技術(shù)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用。當(dāng)生產(chǎn)中外部壓力不合理時，生產(chǎn)中的能源損耗會增加。針對工藝條件，結(jié)合化學(xué)屬性與物理屬性，借助變頻技術(shù)改善反應(yīng)條件，比如控制生產(chǎn)中的反應(yīng)溫度，以保證熱能利用率的提升，減少能源損耗。借助變頻技術(shù)控制化學(xué)反應(yīng)中的壓力，可以提高化學(xué)原材料的利用率，推動生產(chǎn)中的主反應(yīng)效果，降低生產(chǎn)中副反應(yīng)的發(fā)生[4]。因此借助變頻技術(shù)完善化工中的工藝條件，有利于降低能源損耗，提高原料利用率，降低化工中生產(chǎn)中的能源損耗。

4 變頻技術(shù)應(yīng)用于化工行業(yè)的節(jié)能應(yīng)用

4.1 啟動時節(jié)能

在化工企業(yè)生產(chǎn)過程中，電機(jī)難以正常啟動，電網(wǎng)會受到?jīng)_擊，大型電機(jī)在啟動時需要高的電網(wǎng)容量，所以在啟動時會發(fā)生較大的沖擊震動與大的電流波動，啟動若不正常，電機(jī)啟動時部分元件會發(fā)生損壞，機(jī)電設(shè)備的壽命也會受到影響。如果變頻技術(shù)應(yīng)用于化工企業(yè)的生產(chǎn)中，電機(jī)的起動可以在電流是零的時候開始，電流不會超過額定電流，電網(wǎng)受到的沖擊也會大幅降低，消除了大電流的影響，電機(jī)驅(qū)動的各類輔助部位也可以得到保護(hù)，變頻技術(shù)的應(yīng)用，降低了化工企業(yè)設(shè)備的維修費用。

4.2 功率方面的節(jié)能

無功功率會引發(fā)化工設(shè)備產(chǎn)生發(fā)熱或線損問題，若降低功率因數(shù)，電網(wǎng)的有功功率就會降低，會導(dǎo)致大量的無功電能被消耗，這樣會造成電能的浪費，化工企業(yè)設(shè)備的使用年限會因此降低。變頻技術(shù)的應(yīng)用可以對內(nèi)部的濾波電容起保護(hù)作用，并且可以降低無功功率引起的電能消耗，提升配電的有功功率，實現(xiàn)了節(jié)能的效果。

4.3 在變頻方面的節(jié)能

電機(jī)如果長期處于過負(fù)荷狀態(tài)下，正常運行會受到影響。要保證動力驅(qū)動的效果，要消耗有功功率，這會導(dǎo)致電能的浪費。傳統(tǒng)化工的設(shè)備是借助調(diào)節(jié)出口或入口的閥門或擋板以實現(xiàn)調(diào)節(jié)水量或風(fēng)量的作用，這個過程需要的功率是較大的[5]。應(yīng)用變頻技術(shù)后，如果要控制流量、壓力，可以通過改變機(jī)電設(shè)備的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)流量、壓力調(diào)節(jié)的作用，這種操作方式，降低了輸入的功率，同步降低了電能損耗，使得化工企業(yè)的電能利用更加科學(xué)合理。

4.4 變頻技術(shù)的節(jié)能效益

某化工企業(yè)引入變頻技術(shù)后，生產(chǎn)線的節(jié)能效果明顯。

生產(chǎn)線工頻運行年耗電量統(tǒng)計如表1所示。

表1 生產(chǎn)線工頻運行年耗電量統(tǒng)計

變頻下生產(chǎn)線實際運行參數(shù)如表2所示。

表2 變頻下生產(chǎn)線實際運行參數(shù)

結(jié)合表1表2，計算生產(chǎn)線在變頻運行方式下的耗電量，如表3所示。

表3 生產(chǎn)線變頻運行年耗電量

綜合以上表格，年節(jié)電量為1 784 852-1 484 529＝300 323 kW·h，按照上網(wǎng)電價0.339 4元∕kW·h計算，變頻技術(shù)應(yīng)用后年節(jié)電效益為300 323×0.339 4＝10.19萬元。變頻技術(shù)的應(yīng)用，節(jié)電效益明顯。

5 結(jié)語

變頻技術(shù)應(yīng)用于化工行業(yè)，在化工生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。隨著技術(shù)的發(fā)展，變頻技術(shù)也會滲透到化工生產(chǎn)的多個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)生產(chǎn)的高效率、高質(zhì)量。變頻技術(shù)的應(yīng)用推動了化工行業(yè)的節(jié)能減排，為化工生產(chǎn)的順利進(jìn)行創(chuàng)造了條件，推動了化工技術(shù)的發(fā)展，同時也使得企業(yè)獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。