機泵是煉油廠的心臟，在煉油過程中機泵輸送的物流總量約為原油加工量的40多倍，所以耗電量大是可想而知的。在煉油裝置中，電動機是應用面最廣、數量最多的電氣設備之一，其大部分負載為機泵，而定速泵在所耗功率中，被工藝物流吸收作有用功率的僅占30%-40%，其60%-70%的電能消耗于調節閥節流控制壓降和因為處理量、及設計裕量大所造成的“大馬拉小車”而導致的泵出口閥壓降上。 　　機泵節能的根本問題在于如何使控制方案與實際負荷相匹配，使之在控制過程中降低阻力，提高系統效率。這就為變頻調速技術提供了廣闊的應用空間。實踐證明，變頻調速裝置是企業技術改造、節能降耗的理想設備。毫無疑問，這種調速方式將成為石化企業中驅動系統的中樞。 　　一、離心泵性能概述 　　在煉油化工行業，泵無處不在。正確選擇和使用泵，就要從了解泵的性能開始。離心泵的主要性能參數包括流量Q、揚程H、功率N和效率η。在轉速一定時，離心式泵的特性曲線如下（圖一）： 而在轉速變化時，由泵的近似法則: n/n1=Q/Q1 H/H1=[n/n1]3 N/N1= [n/n1]3=[Q/Q1]3 （公式一） 二、變頻泵的選擇 　　泵類的選擇，多是根據滿負荷工作需要來選型。實際應用中，泵在大部分時間并非工作于滿負荷狀態。 　　由上面公式一可以看出當改變泵的轉速時，其流量、揚程及功率都變化。功率與轉速的三次方成正比，轉速降低時功率大大降低。例如當電機在額定轉速的80%運行時，理論上其消耗的功率為額定功率的（80%）3，即51.2%，除去機械損耗、電機銅、鐵損等影響，節能效率也接近40%。由于轉速與頻率成正比，變頻節能即源于此。 　　在泵的使用中，由于交流電機調速很困難，同時大電機在工頻狀態下頻繁開、停，電力沖擊較大，勢必造成電能損耗和開、停機時的電流沖擊。因而傳統泵常用擋風板、回流閥或開、停機時間來調節流量。 　　采用變頻器直接控制泵類負載是一種科學的控制方法。裝置中介質的流量、液面、溫度和壓力等工藝參數由變送器檢測送至調節器，經PID控制運算，以4～20mADC電信號送至變頻器，調節機泵轉速，從而控制工藝參數。若原系統的調節閥為風關閥，則需增加信號倒相器，將4～20mADC信號轉變為20～4mADC信號。 　　由于變頻器可實現大電動機的軟停、軟起，避免了啟動時的電壓沖擊，減少電動機故障率，延長使用奉命，同時也降低了對電網的容量要求和無功損耗，因此為達到節能目的推廣使用變頻器已成為各地節能工作部門以及各單位節能工作的重點。 　　三、變頻泵的節能理論分析 　　變頻調速技術通過改變電動機定子電源頻率來改變電動機轉速，相應地改變機泵的轉速和工況，使其流量與揚程適應管網介質流量的變化。 如圖二所示，ｎ為泵特性曲線，A為管路特性曲線，H0為管網未端的服務壓力，H’為泵出口壓力。當流量達到最大（Qmax）時，泵全速運轉，出口閥門全開，達到了滿負荷運行，泵的特性曲線n0和管網特性曲線A0匯交于ｂ點，則其工況點為ｂ，此時，泵的出口壓力為H’，未端服務壓力剛好為H0。當流量從Qmax減少到Q1的過程中，泵全速運轉，靠泵出口閥門關小控制:此時，管網阻力特性曲線變陡（A2），泵的工況點由ｂ上滑到ｃ點，而管網所需的揚程將由ｂ點下滑到ｄ點，這樣，ｃ點和ｄ點揚程的差值即為全速泵的能量浪費。泵變速運轉，管網壓力恒定來控制:此時，當流量為Qmax下降到Q1時，泵降低轉數，泵特性曲線變為n1，其工況點為ｄ，正好落在管路特性曲線A0上，這樣可使泵工作點始終沿A0滑動。管網的服務壓力H0恒定不變，其揚程與系統阻力相適應，沒有能量的浪費，從而達到了調速節能的目的。 　　圖二 變頻調速特性曲線 　　在節能上，單回路閉環自動控制變頻運行節電原因是：變頻運行時，介質走控制閥組的副線閥 ，且副線閥可全開，泵出口閥全開。而以往不使用變頻器時，調節工藝參數的執行機構是控制閥，其控制閥開起又不大，阻力降損大。 　　出口單回路閉環自動控制的離心泵，一般來說，在裝置滿負荷生產的情況下仍有節電效果， 原因是：工頻運行時，介質走控制閥縮徑節流路線，變頻運行時介質走公稱直徑高一個檔次的副線閥（全開）的路線，減少了壓頭損失。單回路閉環控制離心泵變頻運行一般來說節電效果好，但也有個別因工況差異，節電率有所下降：一是控制閥后管路系統工藝要求的操作壓力較大，而離心泵工頻與變頻運行的泵出口 壓力差不大，則節電率有所降低。其次是變頻泵打出來的介 質不流經控制閥組的副線閥，而仍走控制閥路線，則節電率低。 　　四、變頻泵應用在烏石化節能效果計算 　　當電機以額定轉速N運行，若想減小管道流量到Q1，則必須減小閥門開度到，這使得閥前壓力由原來的P0降到Ph。閥前閥后存在一個較大的壓差 △P=Pq-Ph 　　如果讓閥門全開，采用變頻調速，使風機轉速至n1，且流量等于Q1，壓力等于Ph，那么在工藝上則與閥門調節一樣，達到控制的要求。而在電機的功耗上則大不一樣，泵的軸功率與流量Q和壓力P的乘積成正比見公式二。 N = QPρ/102η （公式二） 其中：ρ輸送液體密度。 η泵的總效率。 　　在流量為Q1，用閥門節流時，令電動機的功率為N1=KPhQ1，用變頻調速比閥門節流節省的電能： 　　　　　　　　　Ni-N1=K（Pq-Ph）Q1=Q1△P （公式三） 可見，流量越低，閥門前后壓差越大，也就是說用變頻調速在流量小、轉速低時，節能效果更好。 下面我用兩個例子說明： 　　一、烏石化輸送原油的泵P-1/1，原配用357kW電機，全年十個月運行，平均控制閥開度在40%以下。設電機全速供量為Qn，空載損耗為0.1。每天總供風量為40%Qn，則全速Pq=（357-357＊0.1）kW=321.3kW。（下標q為全速，下同） 1、現采用上海科達機電控制有限公司提供的MAXF高壓變頻調速裝置500kw電動機。每天只需功率 Pb=（500＊0.1+（40%）×500）kW=250kW （下標b為變頻，下同） 節約的功率：Pj=（321.3-250）kW=71.3kW （下標j為節約，下同） 2、如果電費按0.46元/kW小時計算，每年藥的電費是： 　　　　　　　71.3kW×24×300×0.46元/kWh=236145.6元=24萬元 　　二、烏石化輸送拔頭油的泵P-3/1，原配用315kW電機，全年十個月運行以上，平均控制閥開度在50%以下。設電機全速供量為Qn，空載損耗為0.1。每天總供風量為50%Qn，則全速Pq=（315-315＊0.1）kW=283.5kW。 1、現采用上海科達機電控制有限公司提供的MAXF高壓變頻調速裝置315kw電動機。每天只需功率 Pb=（315＊0.1+（50%）×315）kW=189kW 節約的功率：Pj=（283.5-189）kW=94.5kW 2、如果電費按0.46元/kW小時計算，每年藥的電費是： 　　　　　　　94.5kW×24×300×0.46元/kWh=312984元=31萬元 　　變頻調速用變壓器的售價由其容量而定：300KVA—700KVA的報價在6.7萬到10.8萬之間，整個變頻裝置的售價稍稍估算一下，由以上情況可知，一年內輕易可收回投資. 　　五、變頻裝置現場的合理加減速時間問題 　　變頻器在煉油廠一般負載上使用，其電氣參數的設置較為簡單，一般技術人員經過簡單培訓后都能掌握，但在掌握一般性原則后還要注意負載的特殊性。一般變頻泵最常見問題也是最容易錯誤的是：合理的加減速時間。 所謂“合理”，是針對一些錯誤的觀念而言。我們知道，根據所驅動負載性質的不同，主要是負載的轉動慣量的大小，變頻器在起動和停止電動機時所需時間不同，過短的加減速時間 會導致變頻器在加速過程中過電流、在減速過程中過電壓保護。但這樣一來就很容易產生一個誤區：只要變頻器不跳閘保護、加減速時間越長越好。這種觀點在許多技術人員的概念中普遍存在，經常發現變頻器無論驅動什么負載，加減速時間都在2min以上甚至更長。這種觀念的問題就在于片面地考慮了變頻器單機的運行，而忽略了整個系統的控制性能和效率。無論是改造還是新建項目，裝置中的變頻器頻率控制命令（4～20mA DC）一般由儀表系統或DCS系統給定，在沒有使用變頻器之前，這個信號是用來控制閥門開度的，由于閥門跟隨信號變化的動作很快，因此，為防止閉環控制系統產生振蕩，儀表或DCS中PI調節器的比例增益P參數通常設置的較小，而積分時間t參數則相對較長。這時如果加減速時間長，那么變頻器輸出長時間才能達到給定命令值，再進行PI調節，這就使得整個系統跟隨性差，調節緩慢， 同時，對外部擾動的控制能力變差，容易處于小幅不穩定狀態中，控制效率較低，在負荷經常變化的工位尤其突出。這種情況在實際生產中因設備外表正常而很容易被忽略。正確的做法是：區分泵和風機的特點，在現場允許的情況下測試負載允許的盡可能短的加減速時間并加以設定。 　　我廠新近的上海科達機電控制有限公司提供的MAXF高壓變頻裝置性能：說明中說過載能力在1.6倍時，可以堅持60s；采用高效銅散熱技術；單元中增設了dv/dt抑制電路，降低對其他設備的干擾；參數設置較為簡單；整體性能良好。但對于上述問題，在使用中還是要注意一下為好。 六、變頻調速技術的展望 1．變頻調速應用領域將不斷擴大。 　　隨著科學技術的進步、大功率電力電子技術的迅速發展，大規模集成電路和微機技術的突飛猛進，交流電動機變頻技術已日趨完善，變頻調速器用于交流異步電動機調速，其性能勝過以往任何一種交流調速方式，已成為電動機調速最新潮流。在國外交頻調速已廣泛在鋼鐵、有色冶金、油田、煉油、石化、化工、紡織、印染、醫藥、造紙、卷煙、高層建筑供水、建材及機械行業應用，功率大到上萬千瓦的軋鋼機，小到只有幾十瓦的公園噴水頭，從工廠裝備到家用電器，應用范圍相當廣闊，并且還將繼續擴大，在日本100KVA的各種變頻器銷售量在1988到1993車五年內多數增加了一倍，在我國亦可看到這種銷售勢頭。 　　耗電大、生產環境惡劣的行業對推廣變頻技術尤具有積極性，雖然要初次投資，但是一般一到二年時間節電的效益足以回收成本，至于改善生產環境，減輕操作者的勞動強度，已不是用經濟效益可以估算。 2．變頻器自八十年代初以來；國際市場已實現產品的商品化，變頻技術的發展主要有以下幾個趨勢： （1）大功率開關器件更新換代速度加快，電壓、電流頻率定額不斷提高，開關損耗不斷減少，開關頻率不斷提高。 （2）變頻器產品系列化、通用化、小型化，目前在市場已可看到用于一般產業用和用于風機和泵類的兩個系列，功率從0.4千瓦到280千瓦。產品不同功率都統一了功能，統一了性能，統一了式樣，統一了端子符號，統一功能碼內容等；方便了設計和維修。由于集成電路的高密度和冷卻技術的高效率，產品實現了小型化，體積只有過去的60％。 （3）性能智能化：新產品采用了對電動機的最先進的轉矩矢量控制，能獲得與負載自動適應的電機轉矩；低速時提高起動轉矩，大幅度提高轉矩響應速度等。 （4）裝置功能多樣化：提供便于安全、便于操作的顯示器、監視器、測試器，各種完善的保護環節，便于維護更換的模塊和器件等。 七、結束語 烏石化新進的上海科達機電控制有限公司的MAXF高壓變頻裝置，目前正處于運行期，其性能還有待長期的觀察。對于它為烏石化煉油在節能上的表現，大家都在拭目以待。希望通過本文簡單闡述，可以讓大家對變頻泵有一定的了解。 參考文獻 [1] 王小鵬. 變頻調速技術在煉油化工生產裝置上的應用. 江西能源，2002（3）. [2] 劉 志. 變頻調速技術在煉油裝置上的應用. 黑龍江電子技術， 1999，（4）. [3] 李陽初.石油化學工業基礎.石油大學出版社，1997年7月. [4] MAXF高壓變頻調速裝置用戶手冊，上海科達機電控制有限公司. 　 作者單位：新疆烏魯木齊石化公司煉油廠儀表車間 　 地址：新疆烏魯木齊石化公司煉油廠儀表車間　830019　 Email：epet_1982@163.com