變頻調(diào)速器在磷復(fù)肥生產(chǎn)中的應(yīng)用

摘要：在磷復(fù)肥的生產(chǎn)過(guò)程中介質(zhì)的強(qiáng)腐蝕、易結(jié)垢、易結(jié)晶等特性，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥的投用和維護(hù)很困難，由此造成磷復(fù)肥生產(chǎn)的自動(dòng)化水平很難提高。文章介紹了變頻調(diào)速技術(shù)，同時(shí)從流體力學(xué)及泵的特性曲線(xiàn)與管路特性曲線(xiàn)兩個(gè)方面分析了變頻調(diào)速器的節(jié)能原理，并給出了變頻調(diào)速器在磷復(fù)肥生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速器；磷復(fù)肥生產(chǎn)；調(diào)節(jié)閥；變頻調(diào)速技術(shù)；節(jié)能原理 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ126 文章編號(hào)：1009-2374（2015）09-0067-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0789

在磷復(fù)肥的生產(chǎn)過(guò)程中，為了保證產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，需要對(duì)溫度、壓力、流量、物位等參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制。傳統(tǒng)的自動(dòng)控制通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度進(jìn)行控制。這類(lèi)控制使得風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)等設(shè)備大部分時(shí)間處于非滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，造成大量能量的浪費(fèi)。同時(shí)在磷復(fù)肥的生產(chǎn)過(guò)程中介質(zhì)的強(qiáng)腐蝕、易結(jié)垢、易結(jié)晶等特性，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥的投用和維護(hù)很困難，由此造成磷復(fù)肥生產(chǎn)的自動(dòng)化水平很難提高。采用變頻調(diào)速器對(duì)風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)進(jìn)行控制，不僅節(jié)約了能量，而且提高了控制系統(tǒng)的控制精度和可調(diào)比，提高了磷復(fù)肥生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。

1 變頻調(diào)速技術(shù)

在交流異步電動(dòng)機(jī)的各種調(diào)速方法中，變頻調(diào)速性能優(yōu)良，效率高。通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造，可以降低系統(tǒng)能耗、優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能，同時(shí)節(jié)約資源，減少環(huán)境污染、優(yōu)化工作環(huán)境等，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)電效果、優(yōu)良的調(diào)速性能以及廣泛的適用性、系統(tǒng)的安全可靠性和延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命等優(yōu)點(diǎn)而成為現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向。

變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是通過(guò)改變輸入到交流電機(jī)的電源頻率調(diào)節(jié)交流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。異步交流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與輸入頻率的關(guān)系如下：

式中：

n——電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速

f——輸入電動(dòng)機(jī)的電源頻率

s——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率

p——電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)

電動(dòng)機(jī)一旦購(gòu)買(mǎi)，轉(zhuǎn)差率s、極對(duì)數(shù)p均不可變，只有改變輸入電動(dòng)機(jī)的電源頻率f，才可改變電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速n。

2 變頻調(diào)速器的節(jié)能原理

在磷復(fù)肥的生產(chǎn)過(guò)程中多使用離心泵輸送液體。當(dāng)采用調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)泵流量時(shí)，電機(jī)的輸出功率會(huì)被大量消耗在調(diào)節(jié)閥的截留過(guò)程中。當(dāng)采用變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)流量時(shí)，根據(jù)流體力學(xué)理論可知：

即泵的流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，揚(yáng)程H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比。因此可得出各項(xiàng)數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 流量、轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程、功率的相對(duì)關(guān)系

流量（Q） 轉(zhuǎn)速（n） 揚(yáng)程（H） 功率（P）

100 100 100 100

90 90 81 72.9

80 80 64 51.2

70 70 49 34.3

60 60 36 21.6

50 50 25 12.5

由表1可知：當(dāng)流量減少到80%時(shí)，轉(zhuǎn)速下降到80%，揚(yáng)程下降到64%，功率下降到51.2%；當(dāng)流量減少到50%時(shí)，轉(zhuǎn)速下降到50%，揚(yáng)程下降到25%，功率下降到12.5%，可節(jié)約87.5%的能量。

從離心泵的特性曲線(xiàn)和管路特性曲線(xiàn)可知，兩條曲線(xiàn)的交點(diǎn)，即為離心泵的工作點(diǎn)。在該點(diǎn)，泵的效率最高。當(dāng)工藝要求流量、壓力發(fā)生變化時(shí)，就需要改變工作點(diǎn)。改變工作點(diǎn)的方法有兩種：一是改變管路特性曲線(xiàn)；二是改變泵的特性曲線(xiàn)。通過(guò)改變管路特性來(lái)改變工作點(diǎn)，是通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)流量的控制，從而改變工作點(diǎn)。該方法人為增大管路阻力，使相當(dāng)一部分電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能消耗在調(diào)節(jié)閥閥芯的阻力上，浪費(fèi)大量電能。通過(guò)改變泵的特性曲線(xiàn)，是通過(guò)變頻器來(lái)改變泵的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)流量的控制，從而改變工作點(diǎn)。該方法節(jié)省了能量。具體分析如下。

離心泵的流量（Q）與揚(yáng)程（H）的特性方程如圖1所示：

圖1 離心泵特性曲線(xiàn)

圖中n1表示離心泵在額定轉(zhuǎn)速為n1時(shí)的特性曲線(xiàn)，n2表示離心泵降速運(yùn)行在n2時(shí)的特性曲線(xiàn)，S1表示未采用調(diào)節(jié)閥的管路特性曲線(xiàn)，S2表示采用調(diào)節(jié)閥管路特性曲線(xiàn)。Q1、Q2、H1、H2分別表示在兩種工況下的流量、壓力。由圖1可知，在額定轉(zhuǎn)速n1和未采用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量時(shí)，離心泵的功率正比于AH1OQ1所圍面積。當(dāng)工況發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量時(shí)，離心泵功率正比于BH3OQ2所圍面積，而采用變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)流量時(shí)，離心泵功率正比于CH2OQ2所圍面積。由此可知，采用變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)，可以節(jié)約能量。變頻調(diào)速器節(jié)能主要由兩部分組成：一部分是節(jié)約用來(lái)克服調(diào)節(jié)裝置阻力而損失的能耗；另一部分是克服因阻力調(diào)節(jié)而引起的風(fēng)機(jī)或泵的效率減小而造成的能耗損失。

3 變頻調(diào)速器在磷復(fù)肥生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用

磷復(fù)肥的生產(chǎn)過(guò)程的介質(zhì)具有強(qiáng)腐蝕性、易結(jié)垢、易結(jié)晶等特性，采用調(diào)節(jié)閥或閥門(mén)，會(huì)使閥前管道結(jié)垢堵塞更嚴(yán)重。若采用變頻調(diào)速器取代調(diào)節(jié)閥，避免與工藝介質(zhì)直接接觸，具有無(wú)腐蝕、無(wú)沖蝕等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了控制系統(tǒng)的控制精度和可調(diào)比。

3.1 6×104t/a半水-二水濕法磷酸流量、流位等14個(gè)調(diào)節(jié)回路改用變頻調(diào)速器

該公司引進(jìn)挪威羅什海角公司的生產(chǎn)工藝，原設(shè)計(jì)全部采用費(fèi)希爾公司生產(chǎn)的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行參數(shù)控制。因介質(zhì)腐蝕性大，易結(jié)垢、堵塞、摩擦大，造成調(diào)節(jié)閥維護(hù)工作量大，管道堵塞嚴(yán)重，造成調(diào)節(jié)閥維護(hù)工作量大、管道堵塞嚴(yán)重。用變頻調(diào)速器替代調(diào)節(jié)閥后，生產(chǎn)控制良好，維護(hù)管理費(fèi)用大幅度降低。PID參數(shù)的整定采用智能調(diào)節(jié)器的專(zhuān)家自整定功能或人工湊試法整定。改用變頻調(diào)速器后，該裝置的清管周期由原來(lái)的3天延長(zhǎng)為7天，產(chǎn)量由1×104t/a提高到7.5×104t/a，每噸磷酸消耗磷礦由4.2t降為3.7t，硫酸消耗由3.2t降為2.6t，儀表的備件消耗由37萬(wàn)元/年降為13萬(wàn)元/年。

圖2 磷酸裝置調(diào)節(jié)回路的改造

3.2 2.4×105t/a DAP裝置、1×105t/a NPK裝置的流量控制回路

該公司引進(jìn)西班牙英殼兒公司管式反應(yīng)器，并在后期修改了英殼兒公司的初始設(shè)計(jì)，將進(jìn)管式反應(yīng)器的磷酸和預(yù)中和槽進(jìn)造粒機(jī)的DAP料漿流量調(diào)節(jié)閥改為變頻調(diào)速器控制，生產(chǎn)的產(chǎn)品成分穩(wěn)定，粒度均勻，色澤較好。PID參數(shù)整定為比例放大倍數(shù)Kc=0.5，積分時(shí)間I=10s，微分時(shí)間D=3s。

圖3 DAP、NPK裝置的流量控制回路

4 結(jié)語(yǔ)

在磷復(fù)肥的生產(chǎn)過(guò)程中，采用變頻調(diào)速器替代調(diào)節(jié)閥，可以節(jié)省能源，簡(jiǎn)化控制操作系統(tǒng)，減少儀表的使用量，提高磷復(fù)肥生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。直接和間接的經(jīng)濟(jì)效益非常顯著，有必要在磷復(fù)肥生產(chǎn)裝置中大力

推廣。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：胡嘉偉（1973-），男，湖北武漢人，貴州開(kāi)磷集團(tuán)礦肥有限公司工程師，研究方向：電子技術(shù)。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）