北京利德華福電氣技術(shù)有限公司供稿
摘要:
通過對壓縮機(jī)運(yùn)行工藝的了解，中盈化肥采用利德華福研發(fā)、生產(chǎn)的超大功率高壓變頻器取代傳統(tǒng)鍋爐+汽輪機(jī)方案，取得了巨大的節(jié)能效益且很大程度的節(jié)約了生產(chǎn)建設(shè)周期和減輕了用戶的維護(hù)成本。
關(guān)鍵詞:
壓縮機(jī)、超大功率高壓變頻器、配套解決方案、節(jié)能。
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(zhǔn)備案，地點(diǎn)設(shè)在滑縣，計劃建設(shè)周期為2010年7月-2012年12月，所采用的清潔生產(chǎn)工藝技術(shù)是世界領(lǐng)先的，氣化工序采用世界上先進(jìn)的水煤漿氣化技術(shù)；凈化工序采用耐硫變換、低溫甲醇洗、液氮洗及進(jìn)口硫回收技術(shù)；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(jìn)口CO2氣提法工藝。整個系統(tǒng)中核心技術(shù)是世界最先進(jìn)的，工程配置是最優(yōu)化的，能量系統(tǒng)是最合理的，生產(chǎn)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(chǎn)裝置。
生產(chǎn)合成氨的基本過程如下方框圖表示：
其生產(chǎn)工藝中合成氣壓縮機(jī)、二氧化碳壓縮機(jī)和氨氣壓縮機(jī)均采用利德華福高壓變頻器驅(qū)動。下面就氨氣壓縮機(jī)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(chǎn)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(jī)由電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)與壓縮機(jī)機(jī)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(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速由利德華福高壓變頻器實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制，變頻器將工頻50Hz的電源轉(zhuǎn)換為0-50Hz的頻率電源來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1490 r/min根據(jù)速比使壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制在9043r/min這樣來實現(xiàn)壓縮機(jī)做功。
重要參數(shù):
一、氨壓縮機(jī)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/h30910
2低壓缸一段進(jìn)口壓力MPa（A）0.065
3低壓缸一段進(jìn)口溫度℃-38
4低壓缸一段出口壓力MPa0.266
5低壓缸一段出口溫度℃79.9
6高壓缸一段入口流量Nm3/h74003
7高壓缸一段進(jìn)口壓力MPa0.264
8高壓缸一段進(jìn)口溫度℃27.5
9高壓缸一段出口壓力MPa0.581
10高壓缸一段出口溫度℃99.3
11高壓缸二段入口流量Nm3/h110733
12高壓缸二段進(jìn)口壓力MPa0.557
13高壓缸二段進(jìn)口溫度℃30.7
14高壓缸二段出口壓力MPaA1.759
15高壓缸二段出口溫度℃139.1
16額定功率KW9920
17正常功率SOR/EORKW8800/8790
18壓縮機(jī)額定工作轉(zhuǎn)速Rpm9014
19最大可調(diào)轉(zhuǎn)速Rpm9043
20最小可調(diào)轉(zhuǎn)速Rpm6761
21低壓缸第一臨界轉(zhuǎn)速Rpm3158
22高壓缸第一臨界轉(zhuǎn)速Rpm3107
23旋向方向從驅(qū)動側(cè)看順時針
24潤滑油牌號GB11120-N46透平油
（壓縮機(jī)）
二、電機(jī)參數(shù)：
額定功率：11000KW
額定電流：731A
額定電壓：10KV
額定轉(zhuǎn)速:1490 r/min
額定頻率50HZ
功率因數(shù)0.90
效率96.5%
最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)1.8
堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)4.5
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)0.6
（高壓電機(jī)）
三、增速箱的參數(shù)：
額定齒輪箱功率：11000 KW
額定轉(zhuǎn)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(shù)參數(shù)、系統(tǒng)方案及現(xiàn)場運(yùn)行
(1)變頻調(diào)速原理
按照電機(jī)學(xué)的基本原理，電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足如下的關(guān)系式：
n=(1-s)60f/ P=n0x(1-s)
式中：P-電機(jī)極對數(shù)；f-電機(jī)運(yùn)行頻率；s-滑差。
從式中看出，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0正比于電機(jī)的運(yùn)行頻率(n0=60f/p)，由于滑差s一般情況下比較?。?-0.05），電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速n約等于電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0，所以調(diào)節(jié)了電機(jī)的供電頻率f，就能改變電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。
而改變頻率必須改變供電電壓，由交流電機(jī)成立的電磁關(guān)系式：
E=4.44fwΦ
式中：E-電機(jī)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(jī)調(diào)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(yīng)跟著變化。
（高壓變頻器）
(2)變頻器主要參數(shù)：
額定容量6900x2KVA
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(jī)成組自起時，母線電壓65% un；
最大一臺電機(jī)啟動時，母線電壓80% un；
10KV母線側(cè)短路電流40kA（有效值）100kA（峰值）；
中性點(diǎn)：經(jīng)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(jī)1臺、11MW氨氣壓縮機(jī)1臺、11.5MW二氧化碳壓縮機(jī)1臺。其容量均在10MW級，屬超大功率旋轉(zhuǎn)負(fù)載。
高壓電機(jī)選用兩極異步電動機(jī)驅(qū)動，采用1:3.12增速齒輪箱與與壓縮機(jī)負(fù)載連接。選用利德華福電壓源型單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)變頻器，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)大于0.95、網(wǎng)側(cè)諧波污染小于3%、適用于普通異步電動機(jī)；而無需增設(shè)無功補(bǔ)償或選用同步電動機(jī)。
壓縮機(jī)系統(tǒng)采用變頻驅(qū)動后，壓縮機(jī)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(chǎn)生的電氣瞬時過載沖擊負(fù)荷，而不會保護(hù)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(chǎn)所需的壓縮機(jī)升速曲線實現(xiàn)，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速；其啟動過程的加速特性如圖二所示。
圖一、壓縮機(jī)啟動過程電流加速特性曲線圖二、壓縮機(jī)啟動加速特性曲線
三臺壓縮機(jī)組的裝機(jī)功率40.5MW，電網(wǎng)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(wǎng)側(cè)變壓器容量均為6.3MVA可同時為兩段母線負(fù)載供電；確保單段電源丟失時，單段母線保證生產(chǎn)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(guān)、TF表示變頻器、ML表示母聯(lián)開關(guān)、GN表示隔離開關(guān)柜、M表示電動機(jī)。QFx2和QFx3之間存在電氣與邏輯雙重互鎖關(guān)系，防止變頻器輸出側(cè)發(fā)生短路等嚴(yán)重事故(x，表示設(shè)備編號)。
圖（三）高壓電氣配電與變頻驅(qū)動一次動力系統(tǒng)圖
廠變由兩路110kV電網(wǎng)接入10kV高壓301變電站，提供II、III兩段母線變壓器供電。當(dāng)單段電網(wǎng)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(dān)生產(chǎn)100%用電負(fù)荷；而無需停產(chǎn)。|
三臺壓縮機(jī)的電動機(jī)驅(qū)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(qū)動電源。備用變頻器可在三臺電動機(jī)任意一臺工作變頻電氣系統(tǒng)故障時，驅(qū)動壓縮機(jī)調(diào)速運(yùn)行。
正常情況下，每臺壓縮機(jī)均有一臺主變頻器TF通過QF2連接至電動機(jī)，實現(xiàn)壓縮機(jī)的電氣驅(qū)動。系統(tǒng)并可根據(jù)合成氨裝置的生產(chǎn)需求調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速改變氣量，達(dá)到滿足生產(chǎn)的目的。
以合成氣壓縮機(jī)為例：壓縮機(jī)主變頻驅(qū)動時，首先檢查備用變頻器輸出側(cè)QF13與電動機(jī)處于斷開狀態(tài)，然后閉合工作變頻器TF1輸出側(cè)開關(guān)QF12與電動機(jī)M1連接。送電啟動步序：①Q(mào)F13處于分?jǐn)酄顟B(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(jī)正常；⑥啟動變頻器TF1運(yùn)行；⑦合成氣壓縮機(jī)電動機(jī)啟動完畢。
當(dāng)合成氣壓縮機(jī)主電氣系統(tǒng)故障或需要檢修時，壓縮機(jī)可利用備用變頻TF4提供不間斷變頻驅(qū)動運(yùn)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(jī)啟動保護(hù)參數(shù)組；③操作確認(rèn)電動機(jī)對應(yīng)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(jī)具備變頻器啟動運(yùn)行條件、變頻器待機(jī)正常；⑥啟動備用變頻器驅(qū)動壓縮機(jī)組運(yùn)行；⑦電動機(jī)M1變頻運(yùn)行恢復(fù)完畢。
備用變頻器TF4自動確認(rèn)電動機(jī)匹配，選擇與之對應(yīng)的控制功能和對應(yīng)的壓縮機(jī)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(jī)用變頻器的需求。
(4)、協(xié)調(diào)控制、調(diào)速及狀態(tài)
控制邏輯系統(tǒng)采用變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)（IECS協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)柜）解決電氣系統(tǒng)中變頻器與高壓開關(guān)、壓縮機(jī)組、生產(chǎn)工藝之間的協(xié)調(diào)控制關(guān)系，以及主變頻器與備用變頻器之間的切換替代等協(xié)調(diào)問題。
變頻轉(zhuǎn)速控制信號為3點(diǎn)互為冗余，變頻器根據(jù)3個頻率接入信號進(jìn)行3取中處理后進(jìn)行變頻器頻率輸出調(diào)節(jié)。當(dāng)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(dāng)變頻器給定頻率信號完全丟失時，變頻器可設(shè)定掉線保持或最大、最小或停車等運(yùn)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(chǎn)調(diào)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(yù)留MODBUS通訊接口，可傳輸變頻器內(nèi)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(yùn)行頻率、變壓器溫度、變頻器報警、故障和運(yùn)行狀態(tài)，以滿足用戶多元化要求。
（變頻協(xié)調(diào)控制柜）
(5)、配套應(yīng)用技術(shù)
另外，高壓變頻器在運(yùn)行中將產(chǎn)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(jìn)水口壓力和出水口壓力檢測報警，進(jìn)水口溫度出水口溫度檢測報警和流量調(diào)節(jié)控制，空-水冷系統(tǒng)的壓力、水溫、流量用戶在遠(yuǎn)程可實時監(jiān)控和調(diào)節(jié)。通過系統(tǒng)化集成解決方案的應(yīng)用，實現(xiàn)壓縮機(jī)電氣驅(qū)動的工藝控制、變頻驅(qū)動控制、環(huán)境控制等。
（空-水冷系統(tǒng)）
（6）、現(xiàn)場運(yùn)行情況
6.1、電機(jī)實現(xiàn)了軟啟動、軟停車，電機(jī)啟動電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電流，啟動時間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)沖擊很小。
.6.2、相比傳統(tǒng)啟動方式，采用變頻啟動壓縮機(jī)出入口壓力差降低了很多，從而減輕了起動機(jī)械轉(zhuǎn)矩對電機(jī)機(jī)械損傷，降低了噪音，有效的延長了電機(jī)的使用壽命，相應(yīng)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(hù)開支，節(jié)約大量維護(hù)費(fèi)用。
6.3、實現(xiàn)了電機(jī)平穩(wěn)無極調(diào)速，提高了生產(chǎn)工藝精度。
(現(xiàn)場運(yùn)行圖片)
節(jié)能效益
目前，國內(nèi)年產(chǎn)單體40萬噸及以上合成氨裝置設(shè)計中，合成氣壓縮機(jī)、氨氣壓縮機(jī)、二氧化碳壓縮機(jī)等主壓縮機(jī)組主要采用"鍋爐+汽輪機(jī)驅(qū)動"的方式生產(chǎn)運(yùn)行。該種陳舊的建設(shè)模式，在新的經(jīng)濟(jì)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(jī)驅(qū)動"的方式投資高、占地面積大、建設(shè)周期長。
2、裝置投產(chǎn)后，燃煤鍋爐的運(yùn)營維護(hù)成本高。
3、燃煤鍋爐能效低，廠區(qū)蒸汽跑、冒嚴(yán)重、煙氣排放環(huán)境污染嚴(yán)重。
4、系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能差，生產(chǎn)效率低，能源浪費(fèi)較大。
5、鍋爐蒸汽生產(chǎn)水耗、煤耗指標(biāo)高，生產(chǎn)成本壓力大。
綜合上述因素，結(jié)合目前國內(nèi)超大功率高壓變頻傳動技術(shù)的成熟應(yīng)用。該項目在設(shè)計中考慮采用電力驅(qū)動替代"鍋爐+汽輪機(jī)驅(qū)動"。
采用電力驅(qū)動系統(tǒng)，將直接節(jié)約鍋爐占地、建設(shè)投入，以及后續(xù)運(yùn)營維護(hù)成本和環(huán)境污染，提供生產(chǎn)效率。針對兩種驅(qū)動方式的經(jīng)濟(jì)性比較如下表1所示。
表1合成氨裝置主機(jī)系統(tǒng)兩種不同驅(qū)動方式的經(jīng)濟(jì)性比較
從上述兩種方式的比對分析看，電氣驅(qū)動在經(jīng)濟(jì)性上優(yōu)勢明顯。不僅可以節(jié)約項目投資費(fèi)用、建設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)束語
通過對就以上合成氨裝置壓縮機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的分析和實踐證明，以高壓變頻為核心的電氣驅(qū)動系統(tǒng)完全能夠滿足化工生產(chǎn)中對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、氣量調(diào)節(jié)的需求；并且在項目投資運(yùn)營方面獲得可觀的經(jīng)濟(jì)收益。該項目的實施，為化工行業(yè)超大功率壓縮機(jī)組解決能源與經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效生產(chǎn)等綜合問題，提供了新思路、新方法；值得在化工生產(chǎn)領(lǐng)域的能源利用、節(jié)能降耗和環(huán)保生產(chǎn)建設(shè)和改造項目中積極推廣。該項目的成功投運(yùn)也證實了利德華福在超大功率變頻器技術(shù)上具有更大的領(lǐng)先優(yōu)勢，完美的配套解決方案優(yōu)勢，進(jìn)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(xiàn)：
《10MW級高壓變頻器在合成氨裝置主機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用分析》劉軍祥
《.高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)HARSVERT-A系列技術(shù)手冊》北京利德華福電氣技術(shù)有限公司
《合成氨工藝培訓(xùn)手冊》用戶李保國提供