Энергосберегающий электропривод аппаратов воздушного охлаждения нефти

Автор: О.В. Крюков (ОАО «Гипрогазцентр»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №11/2014

На современных нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) при производстве различных видов нефтепродуктов (НП) одним из наиболее ответственных технологических процессов является их охлаждение [1, 2].

Это объясняется тем, что НП на завершающих производственных стадиях находятся в горячем состоянии, и их температура изменяется в широком диапазоне, достигая 200°С в зависимости от вида НП (бензин, керосин, дизельное топливо и т.п.); особенностей технологического режима на предприятии, климатических факторов в течение года и времени суток. В связи с этим на завершающих этапах производственных циклов НПЗ требуется охлаждение нефти и НП до определенной заданной по технологии температуры, которая определяется видом производимой продукции и характером дальнейшей ее переработки. Процесс охлаждения нефти и НП относится к важнейшим технологическим процессам, обеспечивая точность поддержания заданной температуры конечного НП, непрерывность, высокую надежность, уровень автоматизации, а также требования пожарои взрывобезопасности. Все эти функции, как правило, возлагаются на аппараты воздушного охлаждения (АВО) нефти и нефтепродуктов [1–3].

Анализ существующих АВО нефти

Конструктивно установки АВО нефти и нефтепродуктов представляют собой трубчатые теплообменники (холодильники), где низкопотенциальная теплота от НП отводится благодаря обдуву окружающим воздухом, и состоят из следующих основных частей:

• несущая конструкция характерного вида;
• трубная решетка, выполненная в виде нескольких секций, расположенных друг относительно друга с определенным шагом;
• один или нескольких вентиляторных агрегатов, каждый из которых содержит вентилятор и приводной асинхронный короткозамкнутый электродвигатель (АД).

Исходный горячий нефтепродукт, являющийся теплоносителем воздушного холодильника, прокачивается насосами по трубам секций трубной решетки, которые соединяются попарно параллельно в виде «шалаша» (реже горизонтально).

В результате отвод теплоты от НП производится окружающим воздухом. Повышенная интенсивность теплообмена обеспечивается принудительным движением воздуха в межтрубном пространстве АВО, создаваемым электроприводными вентиляторами.

Число секций и вентиляторов на каждой установке охлажденияНП может быть различным [3–5], но наиболее широко используются одно-, двух-, 4-, 8и 16-вентиляторные АВО. Расположение вентиляторов в трех последних вариантах конструкций воздушных холодильников на одном из НПЗ представлено на рис. 1.

В качестве электроприводов вентиляторов для АВО НП, изображенных на рис. 1, используется нерегулируемая асинхронная электрическая машина по системе взаимосвязанного (технологически связанного) привода. Каждый независимый вентилятор АВО приводится во вращение с номинальной скоростью своим АД, статорные обмотки которого подключаются к сети с напряжением 380 В. Скорость вращения приводных АД практически не изменяется при нормируемых отклонениях напряжения и частоты в питающей сети и при незначительных колебаниях нагрузки, создаваемой вентиляторами при порывах ветра, поэтому вследствие жестких механических характеристик АД и напор Нi, создаваемый каждым вентилятором, и угловую скорость их вращения ωi можно считать постоянными и одинаковыми.

Анализ режимов работы установок охлаждения НП удобнее начать с представления АВО нефти в виде n независимых модулей, каждый из которых содержит приводной АД, вентилятор, часть трубной решетки с жалюзи и кожух, который направляет воздушный поток от вентилятора на данную часть трубной решетки.

Как известно [6, 7], выходная температура охлажденных НП t2 является функцией нескольких стохастических и детерминированных воздействий:

• входной температуры НП t1 перед подачей на АВО;
• температуры воздуха θ (а иногда и влажности, ветровых характеристик, а также наличия осадков) в районе установки АВО;
• интенсивности теплообмена С между трубной решеткой с НП и направленными на нее воздушными потоками от вентиляторов.

Таким образом, можно записать, что t2 = f(t1, θ, С). При этом первый фактор (начальная температура) является детерминированным, поскольку обусловлен видом производимогоНП и особенностями технологического режима его получения. Второй же (температура воздуха) обусловлен действием исключительно случайных возмущений, характерных для текущего сезона, времени суток и прочих метеорологических характеристик. Однако оба эти фактора являются консервативными и не могут обеспечивать регулирование температуры охлажденного НП в соответствии с требуемым заданием.

Единственным каналом управляющего воздействия на t2 является третий фактор (интенсивность теплообмена), регулировать который можно несколькими способами:

• дискретно (ступенчато) включением/отключением требуемого числа работающих вентиляторов n;
• изменением давления НΣ воздушного потока на трубные решетки АВО, при этом НΣ = ΣНi(i = 1…n);
• регулированием интенсивности теплосъема cΣ для конкретного НП с учетом того, что cΣ = Σci (i = 1…n).

Таким образом, выражение для интенсивности теплообмена можно представить в виде СΣ = f(n, НΣ, сΣ).

Однако известно, что интенсивность теплосъема сi, с другой стороны, зависит от угла βi направляющих пластин жалюзи каждого i-го модуля АВО нефти. Давление Нi воздушного потока на трубную решетку i-го модуля АВО или производительность вентиляторных агрегатов определяется углом атаки лопаток вентилятора αi и скоростью вращения вентилятора ωi от приводногоАД: Нi = f(αi, ωi).

При использовании нерегулируемого электропривода вентиляторов возможности комбинированного управления теплообменом в АВО ограничены способами дискретного (ступенчатого) включения вентиляторов в работу и механическим изменением углов пластин жалюзи и углов атаки лопаток вентиляторов:СΣ = f(n, αi, βi).

Оценивая возможности механического способа регулирования теплообменом АВО нефти, следует учитывать ограниченность их диапазонов изменения параметров, влияющих на HΣ, вниз от номинальных значений Нном:

• при изменении угла α значения давления Н = Нном…0,7Нном;
• при изменении угла β значения давления Н = Нном…0,5Нном. При этом, как известно, механический способ регулирования интенсивности теплообмена АВО нефти обладает рядом следующих существенных недостатков:
• режимы регулирования температуры t2 нефтепродуктов не оптимальны, связаны с повышенным потреблением электроэнергии электроприводами вентиляторов АВО из сети;
• большие потери электроэнергии, пропорциональные кубической зависимости от диапазона регулирования, и существенный перегрев приводных электродвигателей;
• большие трудозатраты и временные издержки на регламентные работы по изменению величин углов α лопаток вентиляторов (необходимо временно выводить их из эксплуатации);
• трудности обеспечения точной автоматической стабилизации температуры охлажденных НП на оптимальном уровне и адаптации к новым требованиям технологического процесса.Помимо этого функциональные возможности самого нерегулируемого электропривода АВО также ограничены, ухудшают его надежность и ресурс штатной работы. Причины этого следующие:
• длительное время пуска из-за 3…4-кратного момента инерции вентилятора АВО по отношению к инерционным массам самого АД;
• значительные и продолжительные пусковой ток, момент и мощность двигателя, отрицательно воздействующих на статорные обмоткиАД и систему электроснабжения;
• значительные электродинамические моменты в элементах машины, возникающие особенно при встречном вращении лопастей вентилятора от воздушных потоков в АВО нефти.

Возможности частотнорегулируемых электроприводов

Отмеченные недостатки нерегулируемых систем электропривода вентиляторов АВО иногда частично исправляют, используя простейшие локальные технические средства (мягкие пускатели, вариаторы, муфты скольжения и т.п.). При этом невозможно создавать надежные автоматизированные и энергоэффективные системы. Только применение частотно-регулируемых электроприводов (ЧРП) для вентиляторов АВО нефти не только исключает все недостатки нерегулируемого электропривода, но и позволяет реализовать новые функциональные возможности по диагностике и оптимальному автоматическому управлению всего технологического процесса на НПЗ.

При использовании ЧРП по системе преобразователь частоты – асинхронный двигатель (ПЧ–АД) с автономным инвертором напряжения и широтно-импульсной модуляцией обеспечивается плавное регулирование интенсивности теплообмена охлаждаемого НП в АВО с помощью дискретного включения/отключения вентиляторов и регулирования скорости вращения АД в соответствующих поддиапазонах: СΣ = f(n, ωi).

Для получения максимального энергосберегающего и синергетического эффекта при использовании ЧРП вентиляторов необходимо установить все параметры механикиАВО (углы направляющих пластин жалюзи β и углы атаки лопаток вентиляторов α) в оптимальное положение, при которых КПД всех вентиляторов будут максимальными.

Оптимизация интенсивности теплообмена по законам частотного регулирования средствами электропривода позволяет плавно менять давление и скорости воздушного потока вентиляторов от нуля до номинального значения. Его использование обеспечивает во всех режимах работы технологической установки и возможных температурах окружающего воздуха заданную и даже несколько меньшую (до 2°С) температуру охлажденных НП при минимальном потреблении электроэнергии из сети.

В качестве конкретного примера можно рассмотреть установку АВО нефтепродуктов с 8 вентиляторами на базе ЧРП АД, схема расположения которых приведена на рис. 2.

Соответствующая электрическая схема 8-двигательного ЧРП вентиляторов АВО нефтепродуктов приведена на рис. 3.

Оптимизация заданных режимов охлаждения НП производится с использованием двух преобразователей частоты, которые регулируют скорости вращения 8 приводных двигателей М1…М8. Данная схема обеспечивает высокую надежность работы АВО НП. Для этого в номинальном режиме работы системы электроснабжения и преобразователей частоты предусмотрено внешнее питание:

• ПЧ1 от первой системы шин Iсш, аПЧ2 – от второй системы шин IIсш, т.е. от двух независимых источников электроэнергии;
• питание четырехприводных АД (М1, М3, М5, М7) первого ряда вентиляторов (В1, В3, В5, В7) – от первой системы шин Iсш, а других четырехприводных АД (М2, М4,М6, М8) второго ряда вентиляторов (В2, В4, В6, В8) – от второй системы шин IIсш;
• управление каждым из четырехприводных АД первого ряда вентиляторов от ПЧ1, а каждым из четырехдругих приводных АД второго ряда вентиляторов – от ПЧ2;
• обеспечение температуры охлажденного НП t2 на выходе АВО, равной заданному по технологии значению, во всем возможном диапазоне изменения входных значений температур горячего нефтепродукта t1 – путем плавного регулирования скорости вращения двух АД и вентиляторов с учетом необходимого числа АД, подключенных непосредственно к питающей сети (ωном);
• обеспечение плавного пуска всех приводных АД (М1…М8) с соответствующими вентиляторами В1…В8.В аварийном режиме рассмотренная схема электроснабжения ЧРП вентиляторов АВО обеспечивает:
• надежное и быстрое переключение питания ПЧ1 от системы шинIIсш, а ПЧ2 – от системы шин Iсш;
• управление каждым из всех приводных АД (М1…М8) вентиляторов от ПЧ1 или от ПЧ2;
• питание всех приводных АД (М1…М8) вентиляторов от системы шинIIсш или Iсш;
• обеспечение плавного пуска всех приводных АД (М1…М8);
• обеспечение температуры охлажденного НП t2 на выходе АВО, равной заданному значению.

Стабилизация температуры охлажденного НП предусматривает автоматическое или ручное (при наладке или неисправностях в системе регулирования) управление скоростью вентиляторов В1…В8. Автоматическое регулирование температуры охлаждения НП реализуется микропроцессорной системой управления (МПСУ) в режиме локального контроллера и датчиков температуры (ДТ) на выходе АВО. Кроме того, МПСУ управляет включением/отключением всех АД вентиляторов с помощью блока управления (БУ) силовыми контакторами КМ1…КМ18 в схеме электроприводов АД.

Контроллер верхнего уровня иерархии (КВУ), управляющий всем технологическим процессом получения НП, осуществляет обмен информацией с МПСУ и в случае необходимости корректирует значение требуемой температуры НП на выходе из АВО. В этом реализуются функции адаптации ЧРП вентиляторов при переходе на другие условия работы с обеспечением оптимальных характеристик по энергосбережению и сохранения требований технологического процесса.

Список литературы

1. Крюков Н.П. Аппараты воздушного охлаждения. М.: Химия, 1983.
2. Крюков О.В. Инновационные возможности оптимизации работы АВО газа/В кн. Электроприводы объектов газотранспортных систем/Под ред. О.В. Крюкова. Т. 4. Нижний Новгород: Исток, 2013.
3. Крюков О.В. Новые технические решения по АВО для роста эффективности/В кн. Электроприводы объектов газотранспортных систем/Под ред. О.В. Крюкова. Т. 4. Нижний Новгород: Исток, 2013.
4. Патент РФ №106310 МПК F04D 27/00. Система управления аппаратами воздушного охлаждения.
5. Патент РФ №108511 МПК F04D 27/00. Система управления аппаратами воздушного охлаждения газа.
6. Крюков О.В. Выбор систем электропривода вентиляторов АВО для КС Новоивдельская на базе технико-экономических расчетов/В кн. Электроприводы объектов газотранспортных систем/Под ред. О.В. Крюкова. Т. 4. Нижний Новгород: Исток, 2013.
7. Крюков О.В., Мочалин Д.С., Титов В.Г. Инвариантное управление электроприводами аппаратов воздушного охлаждения//Труды VII МНТК по автоматизированному электроприводу. Иваново:ИГЭУ, 2012.