高壓變頻器在化工裝置中的應(yīng)用

史曉宇

（北京石油工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075）

0 引言

隨著當(dāng)前我國(guó)科技現(xiàn)代化發(fā)展的步伐逐步加快，現(xiàn)代電力電子技術(shù)以及微電子技術(shù)等領(lǐng)域都取得了明顯進(jìn)步。聚焦于化工生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)，高壓變頻器裝置的設(shè)備改造技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文以此為研究對(duì)象，對(duì)高壓變頻器裝置在化工裝置中的應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行深入分析與探索。

1 高壓變頻器裝置的相關(guān)概念介紹

1.1 高壓變頻器裝置的基本定義

變頻器裝置是一種在工業(yè)生產(chǎn)、公共服務(wù)設(shè)施建設(shè)當(dāng)中用來(lái)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的速度控制裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)與控制輸出頻率、以及輸出電壓的方式實(shí)現(xiàn)。隨著當(dāng)前我國(guó)科技現(xiàn)代化發(fā)展的步伐逐步加快，現(xiàn)代電力電子技術(shù)以及微電子技術(shù)等領(lǐng)域都取得了明顯進(jìn)步。對(duì)于變頻器裝置中的較大功率、較高電壓的變頻器裝置也在不斷地實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的趨于成熟。

1.2 高壓變頻器裝置的基本參數(shù)介紹

對(duì)于高壓變頻器裝置，包括以下3 個(gè)方面的具體參數(shù)：①高壓變頻器裝置的輸入值參數(shù)，主要包括變頻器裝置輸入的額定電壓、電流，額定電容值，有功功率及其因數(shù)，輸入次諧波與總諧波的失真度參數(shù)等等。②高壓變頻器裝置的輸出值參數(shù)，主要包括輸出的額定電壓及連續(xù)電流，額定功率及頻率范圍，電容過(guò)載能力范圍，以及輸出次諧波與總諧波的失真度參數(shù)等。③高壓變頻器裝置的效率參數(shù)，主要是指在變頻器裝置所設(shè)計(jì)的各個(gè)頻率范圍內(nèi)，不同頻率值參數(shù)下的效率參數(shù)[1]。

1.3 高壓變頻器裝置的基本運(yùn)行原理介紹

在我國(guó)目前的發(fā)展階段，高壓變頻器裝置被廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)、采礦業(yè)生產(chǎn)行業(yè)、市政公共用水提供、冶金冶煉以及供電服務(wù)行業(yè)等領(lǐng)域的風(fēng)機(jī)設(shè)備、水泵設(shè)備、壓縮機(jī)設(shè)備以及軋鋼機(jī)設(shè)備等等。高壓變頻器裝置的基本運(yùn)行方式有兩種：①閥門控制方法；②轉(zhuǎn)速控制方法。

一方面是閥門控制方法的基本原理。這種方法是通過(guò)對(duì)高壓變頻器裝置的出口閥門開(kāi)合度的大小進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)與控制。其實(shí)質(zhì)就是通過(guò)閥門開(kāi)合度的大小，對(duì)高壓變頻器裝置管道中的流體量的大小進(jìn)行控制，進(jìn)而通過(guò)改變阻力的大小實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)需要。另一方面是轉(zhuǎn)速控制方法的基本原理。這種方法是通過(guò)對(duì)泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法實(shí)現(xiàn)流量控制，運(yùn)用電子模式加以控制，其實(shí)質(zhì)就是通過(guò)改變高壓變頻器裝置中流體的總能量對(duì)流量進(jìn)行改變，在閥門開(kāi)合度不變的基礎(chǔ)上進(jìn)行轉(zhuǎn)速改變，實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)需要[2]。

1.4 高壓變頻器裝置的具體類型梳理

在運(yùn)用的實(shí)踐中，高壓變頻器裝置的類型多種多樣，較為常見(jiàn)的有以下9 種。

（1）電流型的高壓變頻器裝置。這種類型的高壓變頻器裝置是在其運(yùn)行過(guò)程中的直流環(huán)節(jié)下，加入了電感元件裝置。這種方法具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具備良好的四象限運(yùn)行能力，能夠較為便捷地實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)功能；同時(shí)，這種方法也具有較為突出的問(wèn)題，主要在于需要對(duì)逆變橋裝置處進(jìn)行強(qiáng)迫性的換流操作，此外這種方法下的裝置整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，運(yùn)行過(guò)程中的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)操作也缺乏一定的便捷性。

（2）高壓型的高壓變頻器裝置。這種類型的高壓變頻器裝置是在其運(yùn)行過(guò)程中的直流環(huán)節(jié)下，加入了電容元件裝置。這種方法同樣可以實(shí)現(xiàn)良好的四象限運(yùn)行能力，是目前在各行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐中最為常見(jiàn)的高壓變頻器裝置類型。

（3）高低高型的高壓變頻器裝置。這種類型的高壓變頻器裝置采取的是升降壓的方法，在實(shí)際運(yùn)行的中壓、高壓環(huán)境下，使用低壓或者通用型的變頻器裝置，先將裝置電壓降低到額定低壓變頻所允許的電壓控制參數(shù)范圍之內(nèi)，經(jīng)過(guò)變頻器裝置的頻率變換，形成振幅以及頻率都可以變化調(diào)整的交流電流，隨后再經(jīng)過(guò)升壓變壓器裝置變換電機(jī)所需要的電壓參數(shù)。這種類型的高壓變頻器的裝置整體占地面積較大、裝置復(fù)雜程度高；其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)θ我怆妷旱燃?jí)的電網(wǎng)及其電動(dòng)機(jī)均能實(shí)現(xiàn)良好的匹配。

（4）高電流型的高壓變頻器裝置。這種類型的高壓變頻器裝置在其運(yùn)行過(guò)程中的直流環(huán)節(jié)下，加入了電感元件裝置。輸入時(shí)采取可控硅移相來(lái)控制整體流量，輸出則采取強(qiáng)迫交流方式。這種方法同樣可以實(shí)現(xiàn)良好的四象限運(yùn)行能力。

（5）高電壓型的高壓變頻器裝置。這種類型的高壓變頻器裝置先采取降壓裝置降低電網(wǎng)設(shè)備的電壓，隨后連接低壓變頻器裝置，最后再通過(guò)升壓變頻器裝置得到所需要的運(yùn)行電壓等級(jí)。

（6）高高變頻型的高壓變頻器裝置。這種類型的高壓變頻器裝置是在電網(wǎng)設(shè)備與電機(jī)設(shè)備中間直接進(jìn)行變壓器架構(gòu)，減少運(yùn)行緩沖，技術(shù)難度較高，但整體運(yùn)行結(jié)構(gòu)相對(duì)要更為緊湊。

（7）高高電流型的高壓變頻器裝置。這種類型的高壓變頻器裝置是采取GTO，SCR 或IGCT 等元件串聯(lián)而實(shí)現(xiàn)直接的高壓變頻。這種方法對(duì)裝置的散熱效果不夠理想，運(yùn)行中的維修養(yǎng)護(hù)難度也較大。

（8）高高電壓型的高壓變頻器裝置。這種類型的高壓變頻器裝置是將器件進(jìn)行直接串聯(lián)，在直流環(huán)節(jié)使用高壓電容進(jìn)行濾波和儲(chǔ)能。實(shí)踐中這種方法的成本較高，同時(shí)電平數(shù)又較少；但由于其與低壓變頻器有著一樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此它像低壓變頻器一樣具有四象限運(yùn)行功能，也可以實(shí)現(xiàn)矢量控制。

（9）嵌位型的高壓變頻器裝置。這種類型的高壓變頻器裝置主要包括二極管型與電容型兩類。前者是采取二極管中點(diǎn)嵌位的方法，實(shí)現(xiàn)更多電平輸出的效果；后者是在裝置中增設(shè)懸浮電容的裝置，在實(shí)踐中的應(yīng)用較少[3]。

2 高壓變頻器裝置在化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的具體控制方法與注意事項(xiàng)

2.1 高壓變頻器裝置在化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的具體控制方法

高壓變頻器裝置在化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的具體控制方法，主要包括以下兩種：①遠(yuǎn)程控制方法；②就地控制方法。在高壓變頻器裝置處于正常運(yùn)行的狀態(tài)時(shí)，通常采取遠(yuǎn)程控制方法進(jìn)行具體操作，只需要在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)按成啟動(dòng)與停止的操作，之后在具體的變頻環(huán)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)整，這種方法調(diào)整的精確度較高，調(diào)整的效率與反應(yīng)度也較為良好；而就地控制方法，是在高壓變頻器裝置產(chǎn)生運(yùn)行故障、或者需要進(jìn)行日常定期維護(hù)時(shí)使用，主要通過(guò)在高壓變頻器裝置的控制面板上直接進(jìn)行，具體的操作內(nèi)容包括高壓變頻器裝置啟動(dòng)操作、停止操作、復(fù)位操作以及頻率升降操作等基本的主要操作行為，這種方法有利于對(duì)出現(xiàn)的故障問(wèn)題進(jìn)行更為直接地解決[4]。

2.2 高壓變頻器裝置在化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的注意事項(xiàng)

高壓變頻器裝置在化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的注意事項(xiàng)有以下3 個(gè)方面：①在高壓變頻器裝置的啟動(dòng)環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格確認(rèn)裝置的工頻處于正確的變頻模式下，這樣在裝置接受到變頻的操作信號(hào)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的變頻調(diào)節(jié)。②如果在變頻信號(hào)傳遞并接收后的一定時(shí)間范圍內(nèi)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)及時(shí)的變頻調(diào)節(jié)，那么就應(yīng)當(dāng)要仔細(xì)檢查高壓變頻器裝置是否出現(xiàn)了運(yùn)行故障，對(duì)于故障為題第一時(shí)間采取針對(duì)性的維修措施加以解決。③在高壓變頻器裝置正常啟動(dòng)后，需要在完成高壓合閘操作后等待1min 左右的時(shí)間，裝置才可以正常啟動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

3 高壓變頻器裝置在化工生產(chǎn)中的具體應(yīng)用類型

3.1 高壓變頻器裝置在化工配料操作中的具體應(yīng)用

首先，是高壓變頻器裝置在化工配料操作中的具體應(yīng)用，主要是用來(lái)解決化工配料當(dāng)中的催化劑添加量、配料攪拌速度以及液體輸送流量和速度等具體環(huán)節(jié)，通過(guò)高壓變頻器裝置的使用，大幅度提高化工配料作業(yè)的精確度，對(duì)這一環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)良好的精細(xì)化管理，從而能夠有效提高化工配料環(huán)節(jié)的輸出質(zhì)量。尤其是在較大規(guī)模的配料生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，使用高壓變頻器裝置能夠在確?；づ淞腺|(zhì)量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高效性，其作用的發(fā)揮是顯而易見(jiàn)的。高壓變頻器裝置在化工配料階段的科學(xué)應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的定量化設(shè)置，這樣可以大幅度減少由于人工操作誤差導(dǎo)致的配料生產(chǎn)質(zhì)量問(wèn)題，目前在化工生產(chǎn)領(lǐng)域已經(jīng)得到了越來(lái)越高的認(rèn)可度[5]。

3.2 高壓變頻器裝置在液化氣提取設(shè)備改造中的具體應(yīng)用

其次是高壓變頻器裝置在液化氣提取設(shè)備改造中的具體應(yīng)用。液化氣的提取設(shè)備，主要是將液化氣中的丙烷物質(zhì)、原油物質(zhì)等進(jìn)行有效分離與提取，將其存儲(chǔ)入提取塔設(shè)備的頂罐位置處，這就需要對(duì)頂罐內(nèi)的壓力值進(jìn)行時(shí)時(shí)關(guān)注測(cè)量，如果壓力變化已經(jīng)超出設(shè)備的允許值范圍，就需要調(diào)節(jié)頂罐的空氣閥門對(duì)丙烷等物質(zhì)進(jìn)行及時(shí)的液化處理。在這一過(guò)程中就需要相對(duì)大功率的電能供給，實(shí)現(xiàn)對(duì)液化壓縮設(shè)備的能量提供。在這一環(huán)節(jié)中應(yīng)用高壓變頻器裝置，能夠有效降低液化壓縮環(huán)節(jié)的大量能源消耗，對(duì)于電網(wǎng)沖擊力的承受能力會(huì)相應(yīng)有所提升，并且實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化運(yùn)行模式。此外，高壓變頻器裝置在液化氣提取環(huán)節(jié)中的應(yīng)用還能夠進(jìn)行有效的矢量調(diào)節(jié)，具備運(yùn)行效率提高、運(yùn)行低速轉(zhuǎn)矩提升、運(yùn)行諧波較少、運(yùn)行輸出電壓的適應(yīng)性與兼容度提高等諸多方面的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)[6]。

3.3 高壓變頻器裝置在爐條機(jī)操作中的具體應(yīng)用

最后是高壓變頻器裝置在爐條機(jī)操作中的具體應(yīng)用，主要是用來(lái)改善傳統(tǒng)類型爐條機(jī)設(shè)備的老舊、能耗高等突出問(wèn)題。在我國(guó)現(xiàn)階段的爐條機(jī)設(shè)備使用中，大多安裝的是滑差電機(jī)裝置，運(yùn)行功率較高，能源浪費(fèi)非常大。在這種傳統(tǒng)方式下，對(duì)這種滑差電機(jī)裝置的速度調(diào)節(jié)，需要直接通過(guò)直流系統(tǒng)來(lái)完成。在爐條機(jī)操作中加入高壓變頻器裝置，就能夠避開(kāi)直流系統(tǒng)這一環(huán)節(jié)，直接可以完成速度調(diào)節(jié)，從而大幅度節(jié)約能源消耗[7]。

4 高壓變頻器裝置在化工裝置中應(yīng)用的注意事項(xiàng)梳理

高壓變頻器裝置在化工裝置中的應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)注意以下3 個(gè)方面問(wèn)題。

（1）高壓變頻器裝置的使用，對(duì)于化工裝置的工藝使用具有一定的技術(shù)要求。只有在滿足相應(yīng)技術(shù)水平的基礎(chǔ)之上，才能科學(xué)加入高壓變頻器裝置進(jìn)行設(shè)備改造。這些技術(shù)水平主要集中于電網(wǎng)流量、揚(yáng)程性能指數(shù)等方面，如果不能滿足這些技術(shù)參數(shù)要求，就不能進(jìn)行強(qiáng)制性的設(shè)備改造，否則會(huì)導(dǎo)致安全隱患，無(wú)法實(shí)現(xiàn)節(jié)能與高效運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。

（2）高壓變頻器裝置的使用，需要在改造初期的調(diào)試環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)，同時(shí)由于改造涉及的技術(shù)設(shè)備類型較多，因此如何進(jìn)行設(shè)備之間正確的銜接與協(xié)調(diào)配合，就需要由具備相應(yīng)資質(zhì)的專業(yè)化技術(shù)人才進(jìn)行設(shè)備的調(diào)試與頻率調(diào)節(jié)的控制，實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的協(xié)調(diào)性與統(tǒng)一性，確保高壓變頻器裝置在安全使用區(qū)間內(nèi)，最大限度避免產(chǎn)生設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的安全隱患問(wèn)題。

（3）高壓變頻器裝置的使用，其實(shí)質(zhì)是對(duì)傳統(tǒng)化工設(shè)備的創(chuàng)新性升級(jí)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是對(duì)傳統(tǒng)科技實(shí)現(xiàn)的一種創(chuàng)新和突破。因此，就需要建立相應(yīng)的人才培養(yǎng)與儲(chǔ)備體系，從而奠定扎實(shí)的人才基礎(chǔ)與技術(shù)支撐[8-11]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高壓變頻器裝置能夠在化工生產(chǎn)的配料操作、液化氣提取設(shè)備改造以及爐條機(jī)操作等環(huán)節(jié)，初步實(shí)現(xiàn)設(shè)備的技術(shù)改造與實(shí)踐應(yīng)用，并且取得了顯著成效。通過(guò)上述的分析探索我們可以發(fā)現(xiàn)，高壓變頻器裝置對(duì)設(shè)備的改造應(yīng)用，在化工生產(chǎn)實(shí)踐中具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。在化工生產(chǎn)裝置設(shè)備的改造應(yīng)用領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的能源消耗縮減與設(shè)備運(yùn)行成本的降低，同時(shí)有效提高化工產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，在化工生產(chǎn)領(lǐng)域形成高度的自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)。這對(duì)于我國(guó)化工行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展能夠發(fā)揮重要的推動(dòng)作用，是全面實(shí)現(xiàn)我國(guó)化工生產(chǎn)領(lǐng)域、乃至整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益共同發(fā)展進(jìn)步的可信性舉措。