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1、1常催机常催机泵变频调泵变频调速速节节能改造技能改造技术经济术经济分析与分析与评评价价王 军（中石化安庆石化总厂电仪部技术室，246001）摘要 本文从项目后评价的角度，对 I 套常减压和催化装置部分机泵实施变频节能改造后的技术性能和经济效益进行了分析和评价，肯定了改造效果，同时也提出了控制技术上存在的缺陷，为以后的变频节能技术改造起到了借鉴作用。关键词 变频改造 技术经济 分析与评价1、 前言石油炼制装置的工艺流量或压力传统上大多数是通过泵系统的出口调节阀进行调节的，机泵的这种节流运行方式使得部分能量用来克服“阀阻”，这样原动机电动机从电网中摄取的电能有相当一部分浪费在节流阀上。随着电气传动
2、领域中的变频调速技术的成熟，工艺参数的调节可以通过机泵的调速运行来获得，从而节约了电能。I 套常减压装置和催化装置机泵变频调速节能技术改造（简称“常催机泵变频调速节能改造”）是 2002 年中石化安庆分公司“一号工程”的重要内容之一。通过此次改造，I 套常减压装置有 14 台机泵，催化装置有 8 台机泵获得了调速运行，改变了机泵高电耗的节流运行方式。本文从项目后评价的角度，对本次改造的技术性能和经济效益进行分析和评价，为将来在节能改造中推广变频调速技术总结经验。2、 改造主要内容及系统概要该改造项目由 I 套常减压和催化两套控制系统组成，I 常部分有 10 个子站，催化部分有 4 个子站，每套
3、系统分别与 CS1000 的两个操作工作站相连，形成一个完整的控制系统。2上位监控部分采用横河 CS1000 型 DCS 控制系统，结合西门子的 WINAC CPU412-2 实现对系统数据的冗余监控和处理，保证数据的可靠监控和实时记录，在 CS1000 和 CPU412 内都有数据的记录。控制部分采用西门子最新的 S7-200 CPU226XM 系列可编程控制器加PROFIBUS-DP 高速通讯模块 EM277 和高精度模拟量采集模块 EM235 实现每个子站部分的控制和数据采集、转换、通讯连接等；控制柜内核心元器件均选用知名品牌，继电器选用日本和泉、端子选用菲利克斯，按钮、指示灯及一次元件
4、断路器、接触器选用施耐德。变频器选用德国西门子高性能全数字式结构模块设计工程变频器 6SE70系列，该类型变频器具有矢量控制方式、过载强、抗低电压干扰能力好、维修、操作简单方便；输入电抗器为外置式，便于散热。整个系统从控制过程和通讯方式上可分成三个层次。系统总体结构如图一所示：第一层：现场控制和现场数据采集这一层主要实现现场动作的完成3和现场相应数据的采集过程，是整个控制系统的底层部分。该层与上二层通过通讯相连组成了一个整体，又可独立运行。 第二层：现场数据的传送和集中处理这一层主要实现将现场数据分别通过切换柜上的 14 个 PLC 从站采集，将现场采集的数据分成 I 常 10 个站和催化 4
5、 个站分别集中送入两块 WINAC SLOT PLC412-2DP 内，集中处理，同时，上位机的操作也通过两块 WINAC SLOT PLC412-2DP 传送到 14 个 PLC 站，再到现场。第三层 变频调速系统与 CS1000 的连接和 CS1000 系统的监控这一层主要实现现场网络系统与 CS1000 监控系统的连接，CS1000 系统的监控画面和菜单结构采用西门子 Win AC 技术实现与 CS1000 的连接。总之，在此次变频改造中采用了多项先进控制技术，实现了与仪表 DCS的有效连接，从而可以在 CS1000 的操作平台上同时实现实时监控变频调速系统的运行情况和生产工艺的流程状况
6、。3、 技术性能及其评价3.1、系统可维护性较好。该系统在设计之初就考虑到系统的可维护性，通过软件设计配置了诊断查错程序，通过报警窗口等界面，帮助维护人员查找故障原因，缩短排除故障的时间。3.2、系统可扩性较好。该系统采用了 PROFIBUS（Process Field Bus）现场总线，作为开放式通信系统工业标准，PROFIBUS 现场总线公布了网络各层协议的所有规范，按照这些规范设计网络接口，不同厂家设备可以实现网络互连，因此基于 PROFIBUS 现场总线的系统其扩展性更方便。3.3、通过设置“本地”和“远程”控制方式，提高了系统控制可靠性。为了避免后台机监控失效，造成系统失控，在设计时
7、就考虑了配置常规控制手段。系4统将后台监控定义为“远程”控制方式，将控制柜和现场操作柱上的操作定义为“本地”控制方式。当远程控制失效时，可切换到“本地”控制方式 ，继续实施对系统的有效控制。3.4、主回路采用了动态切换技术，节约了一次性投资。在工艺上，机泵的设置常常采用一开一备的方式，对此，在机泵变频调速节能改造中，若各配置一台变频器，当然能够满足工艺安全性和可靠性的要求，但投资增加了一倍，而且变频器的利用率也不高。而采用动态切换技术，只需配置一台变频器，便可实现“一拖二”功能，减少了投资，提高了变频器的利用率，也能满足一定可靠性要求。对于工艺上单一机泵（无备机），通过采用动态切换技术，亦可以
8、提高工艺可靠性。动态切换技术是指一台变频器通过不停机切换可使二台互为备用的机泵分别实现调速运行，或不停机实现变频回路和工频回路之间的切换（参见图二）。图二 “一拖二”动态切换主回路动态切换技术是通过 PLC 的用户程序结合工频接触器、变频接触器控制回路来实现的。为了确保在切换过程中工频、变频不同时运行，控制回路以及用户程序中均通过接触器接点实现互锁。在本地控制状态，动态切换的启动按5钮（SB9 或 SB10）的动作值（1 或 0）通过 PLC 的输入触点（I0.6 或 I0.7）存于PLC 的输入映象寄存器中。对于远程控制状态，动态切换的控制通过数据通讯将其动作值存储于 PLC 内部位存储器（
9、M）的标志位中。在程序启动动态切换时，变频器自动上升到 50Hz 这一过程的实现，是利用变频器本身的二速运行功能，对变频器的二速参数设定为 50Hz，其二速运行控制端子 2DF 置位后，变频器自动上升到 50Hz 运行，变频器输出触点（UPF，OCM）动作，频率到达继电器 KA 吸合。用户程序在扫描到频率到达信号（I0.5=1）后，延时 1S，变频器复位（R/M 端子置位）停机。该系统 PLC 控制回路如图三所示。变频器控制端子接线：模拟量0-10V仪表接入频率变送 器Zf输入端子频率到达（黄）仪表调速备用（远控）（远控）（远控KM3）（远控KM4）2#切换1#变频1#工频2#变频2#工频变频
10、运行（FR）空转制动（R/M）二速运行（2DF）1#切换本地控制远程控制1#过载2#过载变频故障频率到达1#切换2#切换1#变频1#工频2#变频2#工频S7-200（CPU226）6图三 PLC 控制回路需要说明的是，当要动态切换到工频运行时，为了保证工艺的平稳运行，工艺操作人员可以通过 DCS 监控程序击活对调节阀的闭环控制，以调节工艺参数。相反，当机泵投入到变频调速运行时，工艺操作人员亦可以通过 DCS 监控程序全开调节阀后封锁对调节阀的闭环控制。该系统 PLC 用户程序是用梯形图设计的，梯形图简单易学易懂，便于维护。有关动态切换的程序从用户程序或称为主程序（MAIN PROGRAMER）
11、中节录出来附后，并且为了便于理解，笔者对程序的每一步都进行了注释。通过注释不难理解动态切换控制的实现过程。动态切换技术充分发挥了变频器的使用效率，较之一台变频器控制一台机泵的方案，节省了一次性投资。I 套常减压装置的P108/1、2，P125/1、2，P104/1、2，P126/1、2，催化装置的P301/1、2，P302/1、2，P304/1、2，P308/1、2 共计 16 台机泵通过“一拖二”控制方式实现了变频调速运行，减少了 8 台变频器的投资，虽然由于为了实现“一拖二”动态切换控制功能，在主回路和控制回路均增加了相应的投资，但相比之下，整个项目一次性投资仍然因此节约了近 80 万元。
12、动态切换技术虽然节约了投资，但有时会出现在切换过程中过流跳闸现象，造成工艺波动。经过分析，造成配电空气开关有时跳闸的原因是：在电机脱离变频器往工频切换的瞬间，电机处于发电状态，其定子绕组感应电动势为 50Hz 交流电势，与切换瞬间变频器的输出电压同相位。如果变频器输出电压与工频输入电压相位同步，那么在切换瞬间电机投入到工频电网中就不会产生瞬时过电流。但实际上两者常常出现相位差，使得与变频器输出电压同相位的电机感应电动势与工频电网之间存在着电压向量差，这个差值是随机的，最恶劣的情况是，7相位相差 180 度，这时电压差瞬时值可达 2*1.414*220=622V，可以想见，在电机切换到：程序分步
13、注释本地控制（切换柜或操作柱上操作）1#变频器运行本地控制（切换柜或操作柱上操作）2#变频器运行远程控制（后台机或触摸屏上操作）1#变频器运行远程控制（后台机或触摸屏上操作）2#变频器运行本地切换启动，输出置 ，变频器频率向二 速（50Hz）上升。本地切换启动，输出置 ，变频器频率向二 速（50Hz）上升。远程切换启动，输出置 ，变频器频率向二 速（50Hz）上升。远程切换启动，输出置 ，变频器频率向二 速（50Hz）上升。9二速50Hz频率到达（），定时器延 时置 。延时，内部位存储器置 （用来存取 切换操作中中间控制状态）。延时，内部位存储器置 （用来存取 切换操作中中间控制状态）。切换至
14、工频运行（I1.1=1），变频接触器未启动 （I1.2=0），变频器二速（50Hz）运行停止（Q0.2复位 ）。两台机泵均停止运行时，变频器二速（50Hz）运行停止（Q0.2 复位）。变频接触器释放（），工频运行（）， 内部位存储器M9.1复位。变频接触器释放（），工频运行（）， 内部位存储器M9.2复位。切换至工频运行（I1.3=1），变频接触器未启动 （I1.0=0），变频器二速（50Hz）运行停止（Q0.2复位 ）。10。1S。2#。 。2#。1S。1#。 。1#。1S。1#。T41。0.6S。2#。T41。0.6S。T41。0.6S。Q0.4。K14。T41。0.6S。Q0.3。K13
15、。远控工频运行（）远控工频运行（）远控：2#工频及切换远控：1#工频及切换远控：2#变频远控：1#变频远控变频运行（Q0.7=1），在本步梯形图中串 接M9.2（ ）。当M9.2=1，Q0.7=0（2#变频停止）远控变频运行（Q0.5=1），在本步梯形图中串 接M9.1（ ）。当M9.1=1，Q0.5=0（1#变频停止）远控切换至工频运行（M9.2=1，则 ）远控切换至工频运行（M9.1=1，则 ）11投入工频电网的瞬间流过工频回路的电流会有多大，足以使空开瞬时跳闸。这就解释了为什么在切换瞬间工频回路的配电空气开关有时会跳闸，而有时又不会跳闸的原因。4、 经济效益及其评价通过此次改造，变频调速
16、运行的机泵电耗较之改造前均有不同程度的下降，尤其 I 套常减压装置机泵改造后运行频率始终处在 35Hz 以下，节电效果显著，使得整个装置的电耗因此有了较大的下降。2003 年 4 月，I 套常减压装置对装置增容改造（即所谓的“一号工程”）后的能耗进行了标定。通过标定，得到如下数据：表一 全装置能耗消 耗标定能耗设计能耗2002 年度能耗 名称单位数量每吨消耗KgEO/tKgEO/tKgEO/t电KWh67065.46.6441.9932.1582.319注：此表摘自I 套常减压装置能耗测定总结从表一可见，在装置增容改造后部分机泵功率增大的情况下，装置电耗却较之 2002 年度下降了 0.33 KgEO/t。在I 套常减压装置能耗测定总结报告中分析认为，在装置增容后，电耗反而下降的主要原因，应归功于机泵的变频节能改造。催化装置的 8 台机泵
