108 m3聚合釜采用低压变频器调速的可行性和效益分析

耿庆鲁，于张燕

（德州实华化工有限公司，山东 德州 253007）

1 108 m3聚合釜技术特点

采用8台带有釜顶冷凝器的聚合釜，配套外夹套伴管，夹套换热面积为91.5 m2，釜顶冷凝器换热面积为200 m2，大部分反应热由釜顶冷凝器移出。该釜采用釜底低搅和高搅切换（280 kW/70 kW）运行，不仅有效节约电能，还可以减轻入料时泡沫的产生，并降低搅拌剪切力，保护搅拌器。该搅拌为二层三叶平桨搅拌，直径为1 700 mm。该工艺循环水系统开车前经酸洗预膜处理，且日常加药调水质，有效地保证了循环水水质，确保了换热效果，再加上该釜强大的换热系统—釜顶冷凝器、釜外壁半圆管式夹套、6组内冷管、釜上下封头整体夹套，可完全满足整个反应的换热要求。

采用冷水和热水交叉入料方式，加冷水的同时加入分散剂，然后再加入引发剂，接着加单体，最后加入设定量的高温热水；也可在加入设定量单体的同时加入热水，使单体和热水的入料同时完成。

108 m3聚合釜备有紧急事故终止剂加入罐，且保压1.3 MPa以上，以确保反应异常时能及时加入；釜底搅拌除配有高低速电动机外，还配有气动马达和工艺空气储罐。遇紧急情况，可加入紧急事故终止剂，然后启动气动马达。

2 108 m3聚合釜工艺流程

（1）涂釜操作。密闭入料涂釜时，根据设定的程序和时间，首先进行液封排水，然后启动真空循环泵，同时开高搅，涂釜蒸汽经排液后与涂釜液混合，通过喷嘴均匀喷入釜中。通过真空泵釜底、釜顶切换打循环，可使涂釜均匀无死角。开盖入料涂釜时同样开高搅，但不开涂釜真空泵。整个过程中需注意搅拌功率，并观察排水时是否见水。

（2）加水操作。开盖入料时需先抽真空使釜内压力达-0.08 MPa后再加水，先开低搅，根据设定料位低搅和高搅自动切换，同时开启釜底、釜顶注水。去离子水从釜底入料，同时加入分散剂，当达到配方设定值时，通过氮气管线进行氮气鼓泡，置换釜内空气，达设定量时关闭。密闭入料时同样先启动搅拌并注水，加去离子水到设定量，同时加入设定量的分散剂。

（3）引发剂入料。准确计量的2种引发剂经加入泵直接由入料管线进入聚合釜。DCS按设定程序对计量罐进行多次冲洗，最后一次冲洗后，当计量罐质量下降到规定值时，加入完成。

（4）单体入料。单体加入量达到设定值时，釜顶开始充入设定量的氮气，同时开启引发剂管线注水、涂釜管线注水和釜顶冷凝器注水。单体加入量达设定值时，加料完成。

（5）热水入料。通过冷水加入管线加入设定量的热水，加入完成后，把管线内的热水置换回热水槽。加完后，釜内温度一般可达聚合要求温度，如相差较大，可采用夹套升温。

（6）正常反应。冷水系统自动调节釜温，当反应达设定时间，釜顶开始间歇排氮气，直到釜顶冷凝器换热达设定值。各管线注水量按设定量正常加入。

（7）出料。当釜内压力低于设定值时，可根据物料型号决定是否自升温，如需自升温，完毕后可自压出料，不能出料则加入终止剂。出料前视型号加入消泡剂。出料时搅拌切到低搅，由出料管线加入中和剂和添加剂。当釜压降到设定值时，自动开启出料泵，釜内按程序进行一次回收，且对釜顶冷凝器和分散板进行多次冲洗。出料完成后，冲洗出料管线。

3 变频器具有多种功能

（1）通过调节频率，改变电机转速，达到节能效果。

（2）对运行中的电机进行力矩调整，大幅度降低功率消耗。

（3）可根据产品的工艺要求，对电机进行闭环控制，使电机始终工作在高效节能状态。

（4）降低机械磨损，齿轮箱的损耗，降低油温，从而延长齿轮和密封件的使用寿命。

（5）变频器自身有着超强的保护性能，当出现过流、过压、过载、欠压等系列问题，变频器都会瞬间进行保护，停止输出，从而保护负载免遭损害。

（6）变频器启动电流平缓，可减小启动冲击电流，避免了对电网的冲击。

（7）变频器运行时的功率因数可达到0.94，不消耗过多的无功功率，节能效果好。

4 聚合釜搅拌电机采用变频器的必要性

搅拌的转速对于悬浮液的流场的状态起到至关重要的作用，搅拌转速越高，流场的混合和剪切就越强，但转速太高将会导致电力浪费。悬浮液体系随着聚合反应阶段的不同，黏度逐渐变大，所需要的搅拌强度也应该逐步加强。根据反应原理，聚合釜选用变频器控制搅拌的转速，在不同反应阶段，控制不同的搅拌转速，达到聚合反应的最佳效果，并且可以节约电能消耗。

由于聚合釜搅拌电机的功率较大，功率在300kW左右，是PVC生产装置中耗电量较大的设备，并且在聚合的不同阶段其运行电流变化较大，因此，给聚合釜搅拌电机增加变频器来调节输出功率，避免长时间出现“大马拉小车”的现象，节电效果明显。

（1）节能。

采用变频器控制，满足工艺要求的前提下达到最大限度的节能，达到了自动调速控制功能。

（2）可靠。

由于降速运行和软启动，获得良好的转矩，改善机械运行的性能。减少了振动、噪音和磨损，延长了设备维修期和使用寿命，提高了设备平均故障维修时间值，减少了对电网冲击，提高了系统的可靠性。

（3）安全。

系统具有各种保护措施，使系统的运转率和安全可靠性大大提高。

（4）变频器维护中旁路可正常运行。

变频调速闭环控制系统与工频控制系统互为互锁，不影响原系统的运行，且在变频调速闭环控制系统检修维护或故障时，原工频控制系统通过旁路照样可以正常运行。

5 高压电机和低压电机带变频器的对比

（1）设备投资

采用10 kV高压电动机，并设置280 kW/70 kW双速电动机，高压柜需1面断路器柜和2面高压接触器切换柜。采用380 V低压电机，用变频器调速，低压柜需1面变频器柜和1套旁路启动的软启动柜。再考虑到高压电缆的投资，采用低压电动机用变频器调节，与采用高压电机相比，可节约12万～18万元。

（2）节能比较

采用10 kV高压电动机，没有明显的节能效果，只是可以提高10 kV功率因数，可以减少10 kV电流的电能输送消耗。而采用380 V低压电机，用变频器调速，功率因数可达到0.94，可减少低压电流输送中的电能消耗。同时，根据搅拌电机的运行状况，可以方便调低运行转速，降低电机功率消耗，节能效果显著。

（3）运行安全比较

采用280 kW/70 kW双速10 kV高压电动机时，当高速搅拌切换低速搅拌时，需高压开关柜进行切换，3面高压柜的故障，直接影响搅拌电机的运行。每一批料反应过程是高搅涂釜30 min，低搅进料10 min，高搅反应5 h，低搅出料1 h。在高压电动机运行过程中进行切换，属于热态启动，直接启动电流较大，因绕组过热对高压电机绕组的损害较大，甚至造成高压电机烧毁。

采用380 V低压电机，用变频器调速，一般电机在低于额定负荷状态下运行，在高速搅拌向低速搅拌切换时，无需重新启动，只需调节变频器的频率，改变输出电压，即可调节搅拌电机的速度，安全性较高。

6 效益分析

（1）节电分析

因搅拌电机消耗功率与电源频率的3次方成正比。例如，将供电频率由50 Hz降为40 Hz，则P40/P50=（40/50）3=0.512，即P40=0.512P50（P为电机轴功率）。

聚合釜在PVC生产过程中，每一批料反应时间是:高搅涂釜 30 min，低搅进料 10 min，高搅反应5 h，低搅出料 1 h。

高压双速电机带动搅拌的转速，高搅为125r/min，低搅为62.5 r/min。设定电机功率280 kW，减速比为11，搅拌额定转速为136.4 r/min。高搅和低搅为满负荷运行，高搅280 kW，低搅70 kW。

当采用变频器后，高搅时速率为125 r/min，低搅时速率为62.5 r/min。全天按生产3聚合釜PVC考虑。

高搅涂釜T1为0.5 h，速率125 r/min P1=0.5（125/136.4）3280=0.5×0.84×280=117.6

低搅进料T2为0.167 h，速率62.5 r/min P2=0.167（62.5/136.4）3280=9.8

高搅反应T3为5 h，速率125 r/min P3=5（125/136.4）3280=5×0.84×280=1 176；

低搅出料T4为1 h，速率62.5 r/min P4=1（62.5/136.4）3280=58.8；

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

当采用高压电机时:W2=3×（0.5×280+0.167×70+5×280+1×70）=4 865.1（kW·h）；

当采用变频器后，全天节电量W=W2-W1=4865.1-4 086.6=778.5（kW·h）；

8台聚合釜全年节电量

W总=8×W×365=2 273 220（kW·h）。

每度电按照0.6元计算，全年可节约成本:

2 273 220×0.6=136.393 2（万元）。

实际上，当聚合反应温度和压力稳定后，在高搅反应后期，可以适当较低搅拌速率，节能效果更佳明显。

（2）提高系统效率

采用变频器驱动之后，反应釜搅拌机电机与减速器之间是直接硬联接，中间减少了液力偶合器这个环节。而液力偶合器本身的传递效率不高，并且液力偶合器主要是通过液体来传动，而液体的传动效率比直接硬联接的传动效率要低许多，因而采用变频器驱动后，系统总的传递效率要比液力偶合器驱动的效率要高5%～10%。

（3）降低维修率，提高了电网的安全运行

如果为了到达工艺要求采用机械方式调速，增大搅拌机的损耗，同时会使搅拌机工作在波动状态。采用变频器驱动之后，避免了工频启动对齿轮箱的冲击，减少了齿轮箱的损耗。由于软启动方式启动时，电流平缓，可减小启动冲击电流，避免了对电网的冲击。

（4）提高产品质量和生产效率 通过变频器的无级调速，逐渐提高和降低搅拌速率，可以改善了生产工艺条件，使化学物质反应条件达到最佳状态，缩短反应周期大大提高了物料的反应效果。