108 m3聚合釜采用低壓變頻器調(diào)速的可行性和效益分析

耿慶魯，于張燕

（德州實(shí)華化工有限公司，山東 德州 253007）

1 108 m3聚合釜技術(shù)特點(diǎn)

采用8臺(tái)帶有釜頂冷凝器的聚合釜，配套外夾套伴管，夾套換熱面積為91.5 m2，釜頂冷凝器換熱面積為200 m2，大部分反應(yīng)熱由釜頂冷凝器移出。該釜采用釜底低攪和高攪切換（280 kW/70 kW）運(yùn)行，不僅有效節(jié)約電能，還可以減輕入料時(shí)泡沫的產(chǎn)生，并降低攪拌剪切力，保護(hù)攪拌器。該攪拌為二層三葉平槳攪拌，直徑為1 700 mm。該工藝循環(huán)水系統(tǒng)開車前經(jīng)酸洗預(yù)膜處理，且日常加藥調(diào)水質(zhì)，有效地保證了循環(huán)水水質(zhì)，確保了換熱效果，再加上該釜強(qiáng)大的換熱系統(tǒng)—釜頂冷凝器、釜外壁半圓管式夾套、6組內(nèi)冷管、釜上下封頭整體夾套，可完全滿足整個(gè)反應(yīng)的換熱要求。

采用冷水和熱水交叉入料方式，加冷水的同時(shí)加入分散劑，然后再加入引發(fā)劑，接著加單體，最后加入設(shè)定量的高溫?zé)崴?；也可在加入設(shè)定量單體的同時(shí)加入熱水，使單體和熱水的入料同時(shí)完成。

108 m3聚合釜備有緊急事故終止劑加入罐，且保壓1.3 MPa以上，以確保反應(yīng)異常時(shí)能及時(shí)加入；釜底攪拌除配有高低速電動(dòng)機(jī)外，還配有氣動(dòng)馬達(dá)和工藝空氣儲(chǔ)罐。遇緊急情況，可加入緊急事故終止劑，然后啟動(dòng)氣動(dòng)馬達(dá)。

2 108 m3聚合釜工藝流程

（1）涂釜操作。密閉入料涂釜時(shí)，根據(jù)設(shè)定的程序和時(shí)間，首先進(jìn)行液封排水，然后啟動(dòng)真空循環(huán)泵，同時(shí)開高攪，涂釜蒸汽經(jīng)排液后與涂釜液混合，通過噴嘴均勻噴入釜中。通過真空泵釜底、釜頂切換打循環(huán)，可使涂釜均勻無死角。開蓋入料涂釜時(shí)同樣開高攪，但不開涂釜真空泵。整個(gè)過程中需注意攪拌功率，并觀察排水時(shí)是否見水。

（2）加水操作。開蓋入料時(shí)需先抽真空使釜內(nèi)壓力達(dá)-0.08 MPa后再加水，先開低攪，根據(jù)設(shè)定料位低攪和高攪自動(dòng)切換，同時(shí)開啟釜底、釜頂注水。去離子水從釜底入料，同時(shí)加入分散劑，當(dāng)達(dá)到配方設(shè)定值時(shí)，通過氮?dú)夤芫€進(jìn)行氮?dú)夤呐?，置換釜內(nèi)空氣，達(dá)設(shè)定量時(shí)關(guān)閉。密閉入料時(shí)同樣先啟動(dòng)攪拌并注水，加去離子水到設(shè)定量，同時(shí)加入設(shè)定量的分散劑。

（3）引發(fā)劑入料。準(zhǔn)確計(jì)量的2種引發(fā)劑經(jīng)加入泵直接由入料管線進(jìn)入聚合釜。DCS按設(shè)定程序?qū)τ?jì)量罐進(jìn)行多次沖洗，最后一次沖洗后，當(dāng)計(jì)量罐質(zhì)量下降到規(guī)定值時(shí)，加入完成。

（4）單體入料。單體加入量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，釜頂開始充入設(shè)定量的氮?dú)?，同時(shí)開啟引發(fā)劑管線注水、涂釜管線注水和釜頂冷凝器注水。單體加入量達(dá)設(shè)定值時(shí)，加料完成。

（5）熱水入料。通過冷水加入管線加入設(shè)定量的熱水，加入完成后，把管線內(nèi)的熱水置換回?zé)崴邸＜油旰?，釜?nèi)溫度一般可達(dá)聚合要求溫度，如相差較大，可采用夾套升溫。

（6）正常反應(yīng)。冷水系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)釜溫，當(dāng)反應(yīng)達(dá)設(shè)定時(shí)間，釜頂開始間歇排氮?dú)?，直到釜頂冷凝器換熱達(dá)設(shè)定值。各管線注水量按設(shè)定量正常加入。

（7）出料。當(dāng)釜內(nèi)壓力低于設(shè)定值時(shí)，可根據(jù)物料型號(hào)決定是否自升溫，如需自升溫，完畢后可自壓出料，不能出料則加入終止劑。出料前視型號(hào)加入消泡劑。出料時(shí)攪拌切到低攪，由出料管線加入中和劑和添加劑。當(dāng)釜壓降到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)開啟出料泵，釜內(nèi)按程序進(jìn)行一次回收，且對釜頂冷凝器和分散板進(jìn)行多次沖洗。出料完成后，沖洗出料管線。

3 變頻器具有多種功能

（1）通過調(diào)節(jié)頻率，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能效果。

（2）對運(yùn)行中的電機(jī)進(jìn)行力矩調(diào)整，大幅度降低功率消耗。

（3）可根據(jù)產(chǎn)品的工藝要求，對電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，使電機(jī)始終工作在高效節(jié)能狀態(tài)。

（4）降低機(jī)械磨損，齒輪箱的損耗，降低油溫，從而延長齒輪和密封件的使用壽命。

（5）變頻器自身有著超強(qiáng)的保護(hù)性能，當(dāng)出現(xiàn)過流、過壓、過載、欠壓等系列問題，變頻器都會(huì)瞬間進(jìn)行保護(hù)，停止輸出，從而保護(hù)負(fù)載免遭損害。

（6）變頻器啟動(dòng)電流平緩，可減小啟動(dòng)沖擊電流，避免了對電網(wǎng)的沖擊。

（7）變頻器運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)可達(dá)到0.94，不消耗過多的無功功率，節(jié)能效果好。

4 聚合釜攪拌電機(jī)采用變頻器的必要性

攪拌的轉(zhuǎn)速對于懸浮液的流場的狀態(tài)起到至關(guān)重要的作用，攪拌轉(zhuǎn)速越高，流場的混合和剪切就越強(qiáng)，但轉(zhuǎn)速太高將會(huì)導(dǎo)致電力浪費(fèi)。懸浮液體系隨著聚合反應(yīng)階段的不同，黏度逐漸變大，所需要的攪拌強(qiáng)度也應(yīng)該逐步加強(qiáng)。根據(jù)反應(yīng)原理，聚合釜選用變頻器控制攪拌的轉(zhuǎn)速，在不同反應(yīng)階段，控制不同的攪拌轉(zhuǎn)速，達(dá)到聚合反應(yīng)的最佳效果，并且可以節(jié)約電能消耗。

由于聚合釜攪拌電機(jī)的功率較大，功率在300kW左右，是PVC生產(chǎn)裝置中耗電量較大的設(shè)備，并且在聚合的不同階段其運(yùn)行電流變化較大，因此，給聚合釜攪拌電機(jī)增加變頻器來調(diào)節(jié)輸出功率，避免長時(shí)間出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，節(jié)電效果明顯。

（1）節(jié)能。

采用變頻器控制，滿足工藝要求的前提下達(dá)到最大限度的節(jié)能，達(dá)到了自動(dòng)調(diào)速控制功能。

（2）可靠。

由于降速運(yùn)行和軟啟動(dòng)，獲得良好的轉(zhuǎn)矩，改善機(jī)械運(yùn)行的性能。減少了振動(dòng)、噪音和磨損，延長了設(shè)備維修期和使用壽命，提高了設(shè)備平均故障維修時(shí)間值，減少了對電網(wǎng)沖擊，提高了系統(tǒng)的可靠性。

（3）安全。

系統(tǒng)具有各種保護(hù)措施，使系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)率和安全可靠性大大提高。

（4）變頻器維護(hù)中旁路可正常運(yùn)行。

變頻調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)與工頻控制系統(tǒng)互為互鎖，不影響原系統(tǒng)的運(yùn)行，且在變頻調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)檢修維護(hù)或故障時(shí)，原工頻控制系統(tǒng)通過旁路照樣可以正常運(yùn)行。

5 高壓電機(jī)和低壓電機(jī)帶變頻器的對比

（1）設(shè)備投資

采用10 kV高壓電動(dòng)機(jī)，并設(shè)置280 kW/70 kW雙速電動(dòng)機(jī)，高壓柜需1面斷路器柜和2面高壓接觸器切換柜。采用380 V低壓電機(jī)，用變頻器調(diào)速，低壓柜需1面變頻器柜和1套旁路啟動(dòng)的軟啟動(dòng)柜。再考慮到高壓電纜的投資，采用低壓電動(dòng)機(jī)用變頻器調(diào)節(jié)，與采用高壓電機(jī)相比，可節(jié)約12萬～18萬元。

（2）節(jié)能比較

采用10 kV高壓電動(dòng)機(jī)，沒有明顯的節(jié)能效果，只是可以提高10 kV功率因數(shù)，可以減少10 kV電流的電能輸送消耗。而采用380 V低壓電機(jī)，用變頻器調(diào)速，功率因數(shù)可達(dá)到0.94，可減少低壓電流輸送中的電能消耗。同時(shí)，根據(jù)攪拌電機(jī)的運(yùn)行狀況，可以方便調(diào)低運(yùn)行轉(zhuǎn)速，降低電機(jī)功率消耗，節(jié)能效果顯著。

（3）運(yùn)行安全比較

采用280 kW/70 kW雙速10 kV高壓電動(dòng)機(jī)時(shí)，當(dāng)高速攪拌切換低速攪拌時(shí)，需高壓開關(guān)柜進(jìn)行切換，3面高壓柜的故障，直接影響攪拌電機(jī)的運(yùn)行。每一批料反應(yīng)過程是高攪涂釜30 min，低攪進(jìn)料10 min，高攪反應(yīng)5 h，低攪出料1 h。在高壓電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中進(jìn)行切換，屬于熱態(tài)啟動(dòng)，直接啟動(dòng)電流較大，因繞組過熱對高壓電機(jī)繞組的損害較大，甚至造成高壓電機(jī)燒毀。

采用380 V低壓電機(jī)，用變頻器調(diào)速，一般電機(jī)在低于額定負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，在高速攪拌向低速攪拌切換時(shí)，無需重新啟動(dòng)，只需調(diào)節(jié)變頻器的頻率，改變輸出電壓，即可調(diào)節(jié)攪拌電機(jī)的速度，安全性較高。

6 效益分析

（1）節(jié)電分析

因攪拌電機(jī)消耗功率與電源頻率的3次方成正比。例如，將供電頻率由50 Hz降為40 Hz，則P40/P50=（40/50）3=0.512，即P40=0.512P50（P為電機(jī)軸功率）。

聚合釜在PVC生產(chǎn)過程中，每一批料反應(yīng)時(shí)間是:高攪涂釜 30 min，低攪進(jìn)料 10 min，高攪反應(yīng)5 h，低攪出料 1 h。

高壓雙速電機(jī)帶動(dòng)攪拌的轉(zhuǎn)速，高攪為125r/min，低攪為62.5 r/min。設(shè)定電機(jī)功率280 kW，減速比為11，攪拌額定轉(zhuǎn)速為136.4 r/min。高攪和低攪為滿負(fù)荷運(yùn)行，高攪280 kW，低攪70 kW。

當(dāng)采用變頻器后，高攪時(shí)速率為125 r/min，低攪時(shí)速率為62.5 r/min。全天按生產(chǎn)3聚合釜PVC考慮。

高攪涂釜T1為0.5 h，速率125 r/min P1=0.5（125/136.4）3280=0.5×0.84×280=117.6

低攪進(jìn)料T2為0.167 h，速率62.5 r/min P2=0.167（62.5/136.4）3280=9.8

高攪反應(yīng)T3為5 h，速率125 r/min P3=5（125/136.4）3280=5×0.84×280=1 176；

低攪出料T4為1 h，速率62.5 r/min P4=1（62.5/136.4）3280=58.8；

全天用電量 W1=3×（P1+P2+P3+P4）=3 ×（117.6+9.8+1176+58.8）=4 086.6（kW·h）；

當(dāng)采用高壓電機(jī)時(shí):W2=3×（0.5×280+0.167×70+5×280+1×70）=4 865.1（kW·h）；

當(dāng)采用變頻器后，全天節(jié)電量W=W2-W1=4865.1-4 086.6=778.5（kW·h）；

8臺(tái)聚合釜全年節(jié)電量

W總=8×W×365=2 273 220（kW·h）。

每度電按照0.6元計(jì)算，全年可節(jié)約成本:

2 273 220×0.6=136.393 2（萬元）。

實(shí)際上，當(dāng)聚合反應(yīng)溫度和壓力穩(wěn)定后，在高攪反應(yīng)后期，可以適當(dāng)較低攪拌速率，節(jié)能效果更佳明顯。

（2）提高系統(tǒng)效率

采用變頻器驅(qū)動(dòng)之后，反應(yīng)釜攪拌機(jī)電機(jī)與減速器之間是直接硬聯(lián)接，中間減少了液力偶合器這個(gè)環(huán)節(jié)。而液力偶合器本身的傳遞效率不高，并且液力偶合器主要是通過液體來傳動(dòng)，而液體的傳動(dòng)效率比直接硬聯(lián)接的傳動(dòng)效率要低許多，因而采用變頻器驅(qū)動(dòng)后，系統(tǒng)總的傳遞效率要比液力偶合器驅(qū)動(dòng)的效率要高5%～10%。

（3）降低維修率，提高了電網(wǎng)的安全運(yùn)行

如果為了到達(dá)工藝要求采用機(jī)械方式調(diào)速，增大攪拌機(jī)的損耗，同時(shí)會(huì)使攪拌機(jī)工作在波動(dòng)狀態(tài)。采用變頻器驅(qū)動(dòng)之后，避免了工頻啟動(dòng)對齒輪箱的沖擊，減少了齒輪箱的損耗。由于軟啟動(dòng)方式啟動(dòng)時(shí)，電流平緩，可減小啟動(dòng)沖擊電流，避免了對電網(wǎng)的沖擊。

（4）提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率 通過變頻器的無級(jí)調(diào)速，逐漸提高和降低攪拌速率，可以改善了生產(chǎn)工藝條件，使化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)條件達(dá)到最佳狀態(tài)，縮短反應(yīng)周期大大提高了物料的反應(yīng)效果。