Асинхронный частотно-регулируемый взаимосвязанный электропривод аппарата воздушного охлаждения нефтепродуктов

Введение

К числу ответственных технологических процессов при производстве различных видов нефтепродуктов (НП) на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) относится их охлаждение. На одной из завершающих производственных стадий НП находится в горячем состоянии (НПГ). Температура (Т_НПГ) нагретого нефтепродукта изменяется в широком диапазоне и зависит от вида НП (бензин, керосин, дизельное топливо и т. д.), технологического режима, времени года и суток и может достичь 200 °С и более. Для дальнейшего использования НПГ требуется его охлаждение (НПО) до температуры (Т_НПО), равной заданному по технологии значению (Т_НПОЗ). Заданная температура Т_НПОЗ определяется видом производимой продукции и характером дальнейшей ее переработки. Поэтому охлаждение НП относится к важным технологическим процессам, характеризуемым непрерывностью, требованиями высокой надежности, точности поддержания Т_НПОЗ, автоматизации, пожаро-и взрывобезопасности. Процесс уменьшения температуры Т_НПГ до температуры Т_НПО, равной заданной Т_НПОЗ, производится аппаратом воздушного охлаждения нефтепродукта (АВО НП) [1-9].

Охлаждение нефтепродуктов

Аппараты воздушного охлаждения НП представляют собой теплообменники, которые на нефтеперерабатывающих заводах также называются воздушными теплообменниками и холодильниками. Конструктивно АВО НП состоит из трех основных узлов [4-9]:

• трубной решетки, выполненной в виде нескольких секций;
• одного или нескольких вентиляторных агрегатов, каждый из которых содержит вентилятор (В) и электроприводной асинхронный короткозамкнутый электродвигатель;
• несущей конструкции.

Горячий нефтепродукт НПГ, являющийся теплоносителем теплообменного аппарата, прокачивается по трубам, расположенным с определенным шагом в трубной решетке, секции которых соединяются параллельно и располагаются попарно в виде шалаша и, реже, горизонтально [8]. Теплосъем с НПГ производится окружающим воздухом. Для повышения интенсивности теплообмена (ИТ) между НПГ и окружающим воздухом используется принудительное охлаждение воздушным потоком, создаваемым вентилятором (вентиляторами), направляемым на трубную решетку.

Число секций и вентиляторов в одном АВО НП бывает различным [3-9]. Наиболее широко используются одно- [4, 5], двух- [6, 7], четырех- [8], восьми- и шестнадцативентиляторные АВО НП. Расположение вентиляторов в 4-, 8- и 16-вентиляторных АВО НП одной из установок по производству нефтепродуктов на Саратовском НПЗ приведено на рис. 1.

Рис. 1. Расположение вентиляторов в 4- 8- и 16-вентиляторных АВО НП

Асинхронный нерегулируемый электропривод

Для АВО НП, приведенных на рис. 1, применяется асинхронный взаимосвязанный нерегулируемый по скорости вращения вентиляторов электропривод. Каждый вентилятор приводится во вращение своим асинхронным электродвигателем, статорные обмотки которого подключаются к питающей сети с номинальным напряжением 380 В. Скорость вращения электроприводных асинхронных электродвигателей незначительно изменяется при отклонениях напряжения и частоты в сети и при изменении нагрузки, создаваемой вентиляторами. Поэтому практически не изменяется скорость вращения вентиляторов В1–ВN (где N = 4, 8 или 16, т. е. числу вентиляторов в одном АВО НП) и напор H_i (i = 1, 2, … N), создаваемый каждым вентилятором.

Для удобства анализа режимов работы АВО НП представим его состоящим из N модулей, каждый из которых содержит: приводной асинхронный электродвигатель, вентилятор, часть трубной решетки с жалюзи, на которую направлен воздушный поток данного вентилятора, и кожух, направляющий на указанную часть трубной решетки воздушный поток, создаваемый вентилятором. Следовательно, число модулей равно числу вентиляторов: N_М = N_В.

Температура Т_НПО охлажденного НП зависит от трех факторов [4 9]:

• температуры Т_НПГ на входе АВО НП;
• температуры Т_ОС окружающей среды (АВО НП находится на открытом воздухе);
• интенсивности теплообмена ИТ_У  между трубной решеткой с НП и направленными на нее воздушными потоками, создаваемыми вентиляторами В1–ВN:

Т_НПО = f (Т_НПГ, Т_ОС, ИТ_У)     (1)

Первый фактор (Т_НПГ) обусловлен видом производимого нефтепродукта и технологическим режимом. Второй фактор (Т_ОС) зависит от сезона, времени суток и погоды в конкретный момент времени. Первый и второй факторы влияют на Т_НПО, но не могут регулировать температуру НПО и, следовательно, обеспечивать ее заданное значение.

Регулировать или стабилизировать Т_НПО можно только путем изменения интенсивности теплообмена ИТ_Σ, который зависит от:

• числа N работающих вентиляторов В1–ВN;
• давления H_Σ воздушного потока на трубные решетки, создаваемого вентиляторами АВО НП:

H_У = H₁ + H₂ + … + H_N;     (2)

• интенсивности теплосъема ИТС с нефтепродукта:

ИТС_У = ИТС₁ + ИТС₂ + … + ИТС_N.     (3)

Следовательно, интенсивность теплообмена определяется так:

ИТ_У = f (N_В, H_У, ИТС_У).     (4)

В свою очередь интенсивность теплосъема каждого i-го модуля ИТС_i зависит от угла в_i  направляющих пластин жалюзи i-го модуля АВО НП:

ИТС_i = (в_i).     (5)

Давление H_i воздушного потока на трубную решетку i-го модуля АВО НП или производительность вентиляторных агрегатов определяется углом направления (атаки) лопаток вентилятора Вi и скоростью вращения вентилятора щ_Вi (электропривод асинхронного электродвигателя щ_Мi):

H_i = f (б_i, щ_i).     (6)

При нерегулируемом электроприводе реализуется комбинированное управление интенсивностью теплообмена:

• электрическое, ступенчатое путем ввода в работу от 1 до N электроприводов (вентиляторов);
• механическое, плавное путем изменения углов управления направляющих пластин жалюзи и углов лопаток вентиляторов. Следовательно, интенсивность теплообмена при использовании нерегулируемого асинхронного электропривода
  ИТ_У = f (N_В, б_i, в_i) (7)

Механический способ позволяет регулировать давление, создаваемое вентилятором на трубную решетку модуля вниз от номинального давления H_ном в пределах:

• изменением угла б от H_ном до 0,7H_ном;
• изменением углавот H_ном до 0,5H_ном.

Механический способ регулирования интенсивности теплообмена АВО НП обладает рядом недостатков:

• повышенное потребление электроэнергии электроприводом вентиляторов АВО НП из сети при регулировании температуры Т_НПО ;
• большие потери электроэнергии и нагрев электроприводов асинхронных электродвигателей;
• сложность и требование определенного времени на изменение угла б;
• необходимость вывода вентилятора из работы при изменении угла его лопаток;
• трудность точного регулирования и стабилизации температуры охлажденного нефтепродукта;
• практическая невозможность создания эффективной системы автоматического управления АВО НП.

Кроме этого, применение нерегулируемого по скорости электропривода вентилятора АВО НП имеет ряд известных существенных недостатков [5]:

• продолжительное время пуска из-за большого момента инерции вентилятора и электропривода асинхронного двигателя;
• значительные и продолжительные пусковые токи и мощность электродвигателя, отрицательно воздействующие на асинхронный электродвигатель и систему электроснабжения;
• повышенное и продолжительное потребление активной и реактивной энергии из сети;
• большие динамические моменты асинхронных электродвигателей при пуске, отрицательно воздействующие на двигатель и механическую часть, особенно при встречном вращении лопастей вентилятора от воздушных потоков, возникающих в АВО НП.

Асинхронный частотно-регулируемый электропривод

Перечисленные недостатки, присущие нерегулируемому асинхронному электроприводу и механическому способу управления интенсивностью теплосъема с охлаждаемого НП, исключаются с применением электрического способа регулирования давления и скорости воздушного потока, создаваемого вентилятором [4-9]. Он наиболее эффективно реализуется с применением системы «преобразователь частоты — асинхронный двигатель» (ПЧ-АД) [1-9].

При электрическом способе регулирование интенсивности теплообмена охлаждаемого НП производится комбинированно:

• числом работающих асинхронных электродвигателей (вентиляторов);
• плавным регулированием скорости асинхронных двигателей (вентиляторов).

ИТ = f (N_В, В₁–В_N)     (8)

Для получения наибольшего энергосберегающего эффекта необходимо установить оптимальный угол б _опт лопаток вентиляторов В1–ВN, при котором КПД вентиляторов будет максимальным [1].

Электрический способ регулирования ИТ позволяет плавно изменять давление и скорость воздушного потока каждого вентилятора от нуля до номинального значения. Его использование обеспечивает во всех режимах работы технологической установки и возможных температурах окружающей среды заданную или несколько меньшую (ДТ ≤ 2 °С) температуру охлажденного НП при минимальном потреблении электроэнергии из сети и потерях в двигателях:

Т_НПОЗ – Т_НПО = 0–ДТ    (9)

В качестве примера рассмотрим асинхронный частотно-регулируемый взаимосвязанный электропривод (АЧЭП) АВО НП с восьмью асинхронными электродвигателями  (вентиляторами). Схема расположения вентиляторов и потока охлаждаемого НП приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема расположения вентиляторов и потока охлаждаемого НП

Электрическая схема 8-двигательного взаимосвязанного АЧЭП АВО НП приведена на рис. 3.

Рис. 3. Электрическая схема 8-двигательного взаимосвязанного АЧЭП АВО НП

Для реализации заданных режимов охлаждения НП целесообразно применение двух преобразователей частоты для управления восьмью электроприводами М1…М8. Схема обеспечивает высокую надежность работы АВО НП. Для этого в нормальном режиме работы системы электроснабжения (СЭС) и преобразователей частоты предусмотрено:

• питание ПЧ1 от первой системы шин I_сш, а ПЧ2 от второй системы шин II_сш, то есть от двух источников электроэнергии;
• питание четырех электроприводов асинхронных двигателей (М1, М3, М5, М7) первого ряда вентиляторов (В1, В3, В5, В7) от сети I_сш, а четырех электроприводов асинхронных электродвигателей (М2, М4, М6, М8) второго ряда вентиляторов (В2, В4, В6, В8) от сети II_сш;
• управление каждым из четырех электроприводов асинхронных электродвигателей первого ряда вентиляторов от ПЧ1, а каждым из четырех электроприводов асинхронных электродвигателей второго ряда вентиляторов — от ПЧ2;
• обеспечение температуры Т_НПО охлажденного нефтепродукта на выходе АВО НП, равной заданной Т_НПОЗ, во всем возможном диапазоне изменения температуры Т_НПГ на входе АВО НП путем плавного регулирования скорости двух асинхронных электродвигателей (двух вентиляторов) и необходимого числа асинхронных электродвигателей, подключенных непосредственно к сети (скорость вентиляторов близкая к номинальной);
• обеспечение плавного пуска всех электроприводов асинхронных двигателей (М1…М8) и всех вентиляторов (В1…В8).

В аварийном режиме СЭС или преобразователь частоты схема взаимосвязанного асинхронного электропривода обеспечивает:

• питание ПЧ1 от II_сш, а питание ПЧ2 от I_сш;
• управление каждым из всех электроприводов асинхронных электродвигателей (М1…М8) от ПЧ1 или ПЧ2;
• питание всех электроприводов асинхронных электродвигателей (М1…М8) от I_сш или II_сш;
• обеспечение плавного пуска всех электроприводов;
• обеспечение температуры Т_НПО, равной Н_ПОЗ .

Стабилизация температуры охлажденного НП предусматривает автоматическое и ручное (при наладке и неисправностях в системе регулирования) управление скоростью вентиляторов В1…В8. Автоматическое регулирование реализуется с помощью микропроцессорной системы управления МПСУ и датчика температуры ДТ охлажденного НП (см. рис. 2 и 3). МПСУ выполняет функцию локального контроллера. Контроллер верхнего уровня (КВУ), управляющий технологической установкой для производства нефтепродуктов, осуществляет обмен информацией с МПСУ и в случае необходимости корректирует задание на температуру t_НПО охлажденного нефтепродукта.

На рис. 4 приведены диаграммы изменения температуры НПГ и НПО и скоростей двигателей электроприводов М1…М8 вентиляторов АВО НП. Исходной является диаграмма изменения температуры Т_НПГ горячего нефтепродукта (начиная с температуры Т_ОС окружающей среды для одного из возможных технологических процессов. При этом температура охлажденного НП должна на начальном этапе не превышать, а затем оставаться равной заданной (Т_НПО = Т_НПОЗ).

Соответствующие диаграммы изменения скорости щ_М1– щ_М8 электроприводов асинхронных электродвигателей М1…М8 и вентиляторов В1…В8 приведены на рис. 4. Они показывают, как должна изменяться их скорость, и как должны функционировать системы ПЧ асинхронных электродвигателей и коммутационная аппаратура (см. рис. 3), чтобы обеспечить стабильность температуры НПО и ее равенство заданной температуре Т_НПОЗ. Алгоритм, реализованный в МПСУ, предусматривает последовательное введение в работу электроприводов асинхронных электродвигателей от М1 до М8 (от В1 до В8) при увеличении температуры НПГ и выведение их из работы при снижении температуры НПГ.

Рис. 4. Диаграммы изменения температуры НПГ и НПО и скоростей приводных двигателей M1…M8 вентиляторов АВО НП

Предложенная схема асинхронного 8-двигательного взаимосвязанного электропривода по системе ПЧ асинхронных электродвигателей, алгоритм регулирования скоростью двигателей электроприводов и вентиляторов АВО НП и управление и стабилизация температуры охлаждаемого нефтепродукта планируются к использованию на установке по производству нефтепродуктов в ОАО «Саратовский НПЗ».