利德華福超大功率高壓變頻器在中盈化肥壓縮機中的應用

　　項目概述: 　　安陽中盈化肥80萬噸尿素項目2010年7月由上級政府部門批準備案，地點設在滑縣，計劃建設周期為2010年7月—2012年12月，所采用的清潔生產工藝技術是世界領先的，氣化工序采用世界上先進的水煤漿氣化技術；凈化工序采用耐硫變換、低溫甲醇洗、液氮洗及進口硫回收技術；氨合成工序采用瑞士卡薩利低壓合成工藝；尿素合成工序采用進口CO2氣提法工藝。整個系統(tǒng)中核心技術是世界最先進的，工程配置是最優(yōu)化的，能量系統(tǒng)是最合理的，生產成本必將也是最低的，建成后將是目前河南省最大的一套尿素生產裝置。 生產合成氨的基本過程如下方框圖表示：

　　其生產工藝中合成氣壓縮機、二氧化碳壓縮機和氨氣壓縮機均采用利德華福高壓變頻器驅動。下面就氨氣壓縮機為例做具體介紹 　　工藝原理及流程簡述: 　　氨冷凍主要是通過典型的壓縮制冷循環(huán)（壓縮→冷凝→節(jié)流→蒸發(fā)），將液氨這一良好的冷凍劑（其蒸發(fā)潛熱大）循環(huán)使用，從而為不同的用戶提供不同冷凍等級的冷量，同時回收氨冷用戶因換熱而產生的氣氨，通過再次升壓、降溫得到液氨供氨冷用戶循環(huán)使用。

（現(xiàn)場工況圖）

　　氨壓縮機由電機驅動，電機與壓縮機機之間由齒輪箱連接，通過大小齒輪數(shù)176/29速比6.069來控制調節(jié)壓縮機轉速，電機轉速由利德華福高壓變頻器實現(xiàn)調節(jié)控制，變頻器將工頻50Hz的電源轉換為0-50Hz的頻率電源來控制電機轉速，電機轉速為1490 r/min根據速比使壓縮機轉速控制在9043r/min這樣來實現(xiàn)壓縮機做功。 　　重要參數(shù): 　　一、氨壓縮機組主要參數(shù)： 　　序號 項目 單位 數(shù)值 備注 　　1  低壓缸一段入口流量 Nm3/h 30910  　　2  低壓缸一段進口壓力 MPa（A） 0.065  　　3  低壓缸一段進口溫度 ℃ -38  　　4  低壓缸一段出口壓力 MPa 0.266  　　5  低壓缸一段出口溫度 ℃ 79.9  　　6  高壓缸一段入口流量 Nm3/h 74003  　　7  高壓缸一段進口壓力 MPa 0.264  　　8  高壓缸一段進口溫度 ℃ 27.5  　　9  高壓缸一段出口壓力 MPa 0.581  　　10  高壓缸一段出口溫度 ℃ 99.3  　　11  高壓缸二段入口流量 Nm3/h 110733  　　12  高壓缸二段進口壓力 MPa 0.557  　　13  高壓缸二段進口溫度 ℃ 30.7  　　14  高壓缸二段出口壓力 MPaA 1.759  　　15  高壓缸二段出口溫度 ℃ 139.1  　　16  額定功率 KW 9920  　　17  正常功率SOR/EOR KW 8800/8790  　　18  壓縮機額定工作轉速 Rpm 9014  　　19  最大可調轉速 Rpm 9043  　　20  最小可調轉速 Rpm 6761  　　21  低壓缸第一臨界轉速 Rpm 3158  　　22  高壓缸第一臨界轉速 Rpm 3107  　　23  旋向方向   從驅動側看順時針 　　24  潤滑油牌號   GB11120-N46 透平油

（壓縮機）

　　二、電機參數(shù)： 　　額定功率：11000KW 　　額定電流：731A 　　額定電壓：10KV 　　額定轉速:1490 r/min 　　額定頻率50HZ 　　功率因數(shù)0.90 　　效率96.5% 　　最大轉矩倍數(shù)1.8 　　堵轉電流倍數(shù)4.5 　　堵轉轉矩倍數(shù)0.6

 （高壓電機）

　　三、增速箱的參數(shù)： 　　額定齒輪箱功率：11000 KW 　　額定轉速 輸入/輸出：1490/9043 　　齒輪齒數(shù) 大齒輪/小齒輪：176/29 　　實際使用能效系數(shù)：1.45 　　四、變頻器原理、技術參數(shù)、系統(tǒng)方案及現(xiàn)場運行 　　(1) 變頻調速原理 　　按照電機學的基本原理，電機的轉速滿足如下的關系式： 　　n=(1-s)60f/ P =n0×(1-s) 　　式中：P-電機極對數(shù)；f-電機運行頻率；s-滑差。 　　從式中看出，電機的同步轉速n0正比于電機的運行頻率(n0=60f/p)，由于滑差s一般情況下比較小（0-0.05），電機的實際轉速n約等于電機的同步轉速n0，所以調節(jié)了電機的供電頻率f，就能改變電機的實際轉速。 　　而改變頻率必須改變供電電壓，由交流電機成立的電磁關系式： 　　E=4.44fwΦ 　　式中：E-電機電動勢，f-定子頻率，W-繞組系數(shù)，Φ-氣隙主磁通。 對異步電機調速時，希望主磁通Φ恒定，即U/F保持恒定，所以改變頻率時，供電電壓也應跟著變化。

（高壓變頻器）

　　(2)變頻器主要參數(shù)： 　　額定容量 6900×2KVA 　　額定輸出電流 730A 　　額定電壓10KV； 　　最高電壓11KV； 　　電壓正常變化范圍（1±10%）un； 　　額定頻率50HΖ； 　　頻率變化范圍±0.2HΖ； 　　電動機成組自起時，母線電壓65% un； 　　最大一臺電機啟動時，母線電壓80% un； 　　10KV母線側短路電流40kA（有效值）100kA（峰值）； 　　中性點：經消弧線圈方式接地。 　　(3)系統(tǒng)方案 　　該系統(tǒng)主要包括：10kV電壓等級18MW合成氣壓縮機1臺、11MW氨氣壓縮機1臺、11.5MW二氧化碳壓縮機1臺。其容量均在10MW級，屬超大功率旋轉負載。 　　高壓電機選用兩極異步電動機驅動，采用1:3.12增速齒輪箱與與壓縮機負載連接。選用利德華福電壓源型單元串聯(lián)多電平結構變頻器，網側功率因數(shù)大于0.95、網側諧波污染小于3%、適用于普通異步電動機；而無需增設無功補償或選用同步電動機。 　　壓縮機系統(tǒng)采用變頻驅動后，壓縮機組可實現(xiàn)軟起動、軟停車功能，并且能夠承受系統(tǒng)喘振時產生的電氣瞬時過載沖擊負荷，而不會保護誤動。采用變頻啟動時的電流加速曲線如圖一所示。另外，變頻器可以按照合成氨裝置生產所需的壓縮機升速曲線實現(xiàn)，調節(jié)壓縮機轉速；其啟動過程的加速特性如圖二所示。

圖一、壓縮機啟動過程電流加速特性曲線 圖二、壓縮機啟動加速特性曲線

　　三臺壓縮機組的裝機功率40.5MW，電網累計容量需求5.0625MVA。電氣配電系統(tǒng)中11MW、11.5MW 采用II段母線供電，18MW及備用變頻器(18MW)采用III段母線供電。每段母線網側變壓器容量均為6.3MVA可同時為兩段母線負載供電；確保單段電源丟失時，單段母線保證生產連續(xù)。 　　方案采用全容量高壓變頻備用的一拖一變頻切換系統(tǒng)方案，其原理如圖三所示。其中，QF表示高壓開關、TF表示變頻器、ML表示母聯(lián)開關、GN表示隔離開關柜、M表示電動機。QFx2和QFx3之間存在電氣與邏輯雙重互鎖關系，防止變頻器輸出側發(fā)生短路等嚴重事故(x，表示設備編號)。

圖（三）高壓電氣配電與變頻驅動一次動力系統(tǒng)圖

　　廠變由兩路110kV電網接入10kV高壓301變電站，提供II、III兩段母線變壓器供電。當單段電網供電或變壓器故障時，廠區(qū)可通過ML-GN依賴另外一段電源供電變壓器承擔生產100%用電負荷；而無需停產。| 　　三臺壓縮機的電動機驅動系統(tǒng)，由301變電站II、III段母線分別引至313變電所。其中，備用變頻器下掛于III段母線，QF41提供10kV驅動電源。備用變頻器可在三臺電動機任意一臺工作變頻電氣系統(tǒng)故障時，驅動壓縮機調速運行。 　　正常情況下，每臺壓縮機均有一臺主變頻器TF通過QF2連接至電動機，實現(xiàn)壓縮機的電氣驅動。系統(tǒng)并可根據合成氨裝置的生產需求調節(jié)壓縮機轉速改變氣量，達到滿足生產的目的。 　　以合成氣壓縮機為例：壓縮機主變頻驅動時，首先檢查備用變頻器輸出側QF13與電動機處于斷開狀態(tài)，然后閉合工作變頻器TF1輸出側開關QF12與電動機M1連接。送電啟動步序：①QF13處于分斷狀態(tài)；②操作QF12合閘；③變頻器允許高壓合閘；④操作QF15合閘；⑤啟動條件滿足、變頻器待機正常；⑥啟動變頻器TF1運行；⑦合成氣壓縮機電動機啟動完畢。 　　當合成氣壓縮機主電氣系統(tǒng)故障或需要檢修時，壓縮機可利用備用變頻TF4提供不間斷變頻驅動運行。備用變頻啟動步序：①操作QF12分閘狀態(tài)；②操作QF13的合閘，備用變頻器TF4自動選擇適配電動機啟動保護參數(shù)組；③操作確認電動機對應的工位有效，TF4具備高壓合閘允許條件，允許QF45合閘；④操作QF45合閘；⑤壓縮機具備變頻器啟動運行條件、變頻器待機正常；⑥啟動備用變頻器驅動壓縮機組運行；⑦電動機M1變頻運行恢復完畢。 　　備用變頻器TF4自動確認電動機匹配，選擇與之對應的控制功能和對應的壓縮機控制工藝參數(shù)；滿足備用變頻器可替代合成氣、氨氣、二氧化碳壓縮機用變頻器的需求。 　　(4)、協(xié)調控制、調速及狀態(tài) 　　控制邏輯系統(tǒng)采用變頻協(xié)調控制技術（IECS協(xié)調控制系統(tǒng)柜）解決電氣系統(tǒng)中變頻器與高壓開關、壓縮機組、生產工藝之間的協(xié)調控制關系，以及主變頻器與備用變頻器之間的切換替代等協(xié)調問題。 　　變頻轉速控制信號為3點互為冗余，變頻器根據3個頻率接入信號進行3取中處理后進行變頻器頻率輸出調節(jié)。當有其中一路頻率給定指令中斷或超量程后，變頻器自動選擇另外倆路正常的信號2取中，當變頻器給定頻率信號完全丟失時，變頻器可設定掉線保持或最大、最小或停車等運行模式，保證在給定信號完全丟失的情況下，仍能夠安全處理，最大限度的保證生產調節(jié)的連續(xù)性。 　　變頻器除了向用戶輸出DO、AO等硬連線傳輸變頻器所有狀態(tài)，還預留MODBUS通訊接口，可傳輸變頻器內部變量包括：變頻器輸入電壓、輸出電壓、輸入電流、輸出電流、給定頻率、運行頻率、變壓器溫度、變頻器報警、故障和運行狀態(tài)，以滿足用戶多元化要求。

（變頻協(xié)調控制柜）

　　(5)、配套應用技術 　　另外，高壓變頻器在運行中將產生3%的效率損失，并以熱量形式散失在環(huán)境中。需要配套高壓變頻空-水冷卻系統(tǒng)解決變頻器的環(huán)境散熱問題，空-水冷系統(tǒng)具有進水口壓力和出水口壓力檢測報警，進水口溫度出水口溫度檢測報警和流量調節(jié)控制，空-水冷系統(tǒng)的壓力、水溫、流量用戶在遠程可實時監(jiān)控和調節(jié)。通過系統(tǒng)化集成解決方案的應用，實現(xiàn)壓縮機電氣驅動的工藝控制、變頻驅動控制、環(huán)境控制等。

 （ 空-水冷系統(tǒng)）

　?。?）、現(xiàn)場運行情況 　　6.1、電機實現(xiàn)了軟啟動、軟停車，電機啟動電流遠遠小于額定電流，啟動時間相應延長，對電網沖擊很小。 　　6.2、相比傳統(tǒng)啟動方式，采用變頻啟動壓縮機出入口壓力差降低了很多，從而減輕了起動機械轉矩對電機機械損傷，降低了噪音，有效的延長了電機的使用壽命，相應地延長了許多零部件的壽命；同時極大的減輕了對管道的沖擊，有效延長了管道的檢修周期，減少了檢修維護開支，節(jié)約大量維護費用。 　　6.3、實現(xiàn)了電機平穩(wěn)無極調速，提高了生產工藝精度。

(現(xiàn)場運行圖片)

　　節(jié)能效益 　　目前，國內年產單體40萬噸及以上合成氨裝置設計中，合成氣壓縮機、氨氣壓縮機、二氧化碳壓縮機等主壓縮機組主要采用“鍋爐+汽輪機驅動”的方式生產運行。該種陳舊的建設模式，在新的經濟形式和節(jié)能減排的國家背景下，存在以下幾方面的問題： 　　1、 在新建項目中，“鍋爐+汽輪機驅動”的方式投資高、占地面積大、建設周期長。 　　2、 裝置投產后，燃煤鍋爐的運營維護成本高。 　　3、 燃煤鍋爐能效低，廠區(qū)蒸汽跑、冒嚴重、煙氣排放環(huán)境污染嚴重。 　　4、 系統(tǒng)調節(jié)性能差，生產效率低，能源浪費較大。 　　5、 鍋爐蒸汽生產水耗、煤耗指標高，生產成本壓力大。 　　綜合上述因素，結合目前國內超大功率高壓變頻傳動技術的成熟應用。該項目在設計中考慮采用電力驅動替代“鍋爐+汽輪機驅動”。 　　采用電力驅動系統(tǒng)，將直接節(jié)約鍋爐占地、建設投入，以及后續(xù)運營維護成本和環(huán)境污染，提供生產效率。針對兩種驅動方式的經濟性比較如下表1所示。 表1 合成氨裝置主機系統(tǒng)兩種不同驅動方式的經濟性比較

　　從上述兩種方式的比對分析看，電氣驅動在經濟性上優(yōu)勢明顯。不僅可以節(jié)約項目投資費用、建設周期，獲得顯著的企業(yè)收益；而且能夠取得良好的社會效益。采用該節(jié)能、環(huán)保、高效的新型結構模式，符合企業(yè)新型發(fā)展模式，節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展政策。 　　結束語 　　通過對就以上合成氨裝置壓縮機驅動系統(tǒng)的分析和實踐證明，以高壓變頻為核心的電氣驅動系統(tǒng)完全能夠滿足化工生產中對壓縮機轉速、氣量調節(jié)的需求；并且在項目投資運營方面獲得可觀的經濟收益。該項目的實施，為化工行業(yè)超大功率壓縮機組解決能源與經濟、環(huán)保、高效生產等綜合問題，提供了新思路、新方法；值得在化工生產領域的能源利用、節(jié)能降耗和環(huán)保生產建設和改造項目中積極推廣。該項目的成功投運也證實了利德華福在超大功率變頻器技術上具有更大的領先優(yōu)勢，完美的配套解決方案優(yōu)勢，進一步奠定了利德華福作為高壓變頻龍頭老大地位。

　　參考文獻： 　　《10MW級高壓變頻器在合成氨裝置主機系統(tǒng)中的應用分析》 劉軍祥 　　《.高壓變頻調速系統(tǒng)HARSVERT-A系列技術手冊》 北京利德華福電氣技術有限公司 　　《合成氨工藝培訓手冊》     用戶李保國提供