北京利德華福電氣技術(shù)有限公司　供稿

摘要:

通過對(duì)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(xiàng)目概述:

安陽中盈化肥80萬噸尿素項(xiàng)目2010年7月由上級(jí)政府部門批準(zhǔn)備案，地點(diǎn)設(shè)在滑縣，計(jì)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(gè)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：

空分

尿素

↓

↑CO2

原料

→

造氣

→

CO變換

→

低溫甲醇洗

→

液氮洗

→

壓縮

→

合成

→

產(chǎn)品氨

↓H2S

硫回收

其生產(chǎn)工藝中合成氣壓縮機(jī)、二氧化碳?jí)嚎s機(jī)和氨氣壓縮機(jī)均采用利德華福高壓變頻器驅(qū)動(dòng)。下面就氨氣壓縮機(jī)為例做具體介紹
工藝原理及流程簡(jiǎn)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(jí)的冷量，同時(shí)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(chǎng)工況圖）

氨壓縮機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(shí)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(shí)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(hào)項(xiàng)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(dòng)側(cè)看順時(shí)針

24潤(rùn)滑油牌號(hào)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(shí)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(chǎng)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(duì)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一般情況下比較小（0-0.05），電機(jī)的實(shí)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(shí)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(dòng)勢(shì)，f-定子頻率，W-繞組系數(shù)，Φ-氣隙主磁通。

對(duì)異步電機(jī)調(diào)速時(shí)，希望主磁通Φ恒定，即U/F保持恒定，所以改變頻率時(shí)，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(dòng)機(jī)成組自起時(shí)，母線電壓65% un；

最大一臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，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(jí)18MW合成氣壓縮機(jī)1臺(tái)、11MW氨氣壓縮機(jī)1臺(tái)、11.5MW二氧化碳?jí)嚎s機(jī)1臺(tái)。其容量均在10MW級(jí)，屬超大功率旋轉(zhuǎn)負(fù)載。

高壓電機(jī)選用兩極異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(dòng)機(jī)；而無需增設(shè)無功補(bǔ)償或選用同步電動(dòng)機(jī)。

壓縮機(jī)系統(tǒng)采用變頻驅(qū)動(dòng)后，壓縮機(jī)組可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)、軟停車功能，并且能夠承受系統(tǒng)喘振時(shí)產(chǎn)生的電氣瞬時(shí)過載沖擊負(fù)荷，而不會(huì)保護(hù)誤動(dòng)。采用變頻啟動(dòng)時(shí)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(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速；其啟動(dòng)過程的加速特性如圖二所示。

圖（一）

圖 （二）

圖一、壓縮機(jī)啟動(dòng)過程電流加速特性曲線 圖二、壓縮機(jī)啟動(dòng)加速特性曲線

三臺(tái)壓縮機(jī)組的裝機(jī)功率40.5MW，電網(wǎng)累計(jì)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(shí)為兩段母線負(fù)載供電；確保單段電源丟失時(shí)，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(dòng)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(hào))。

圖（三）高壓電氣配電與變頻驅(qū)動(dòng)一次動(dòng)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(shí)，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(tái)壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電源。備用變頻器可在三臺(tái)電動(dòng)機(jī)任意一臺(tái)工作變頻電氣系統(tǒng)故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)調(diào)速運(yùn)行。

正常情況下，每臺(tái)壓縮機(jī)均有一臺(tái)主變頻器TF通過QF2連接至電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的電氣驅(qū)動(dòng)。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(dòng)時(shí)，首先檢查備用變頻器輸出側(cè)QF13與電動(dòng)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(dòng)機(jī)M1連接。送電啟動(dòng)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(dòng)條件滿足、變頻器待機(jī)正常；⑥啟動(dòng)變頻器TF1運(yùn)行；⑦合成氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)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(shí)，壓縮機(jī)可利用備用變頻TF4提供不間斷變頻驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。備用變頻啟動(dòng)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(dòng)選擇適配電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)保護(hù)參數(shù)組；③操作確認(rèn)電動(dòng)機(jī)對(duì)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(dòng)運(yùn)行條件、變頻器待機(jī)正常；⑥啟動(dòng)備用變頻器驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組運(yùn)行；⑦電動(dòng)機(jī)M1變頻運(yùn)行恢復(fù)完畢。

備用變頻器TF4自動(dòng)確認(rèn)電動(dòng)機(jī)匹配，選擇與之對(duì)應(yīng)的控制功能和對(duì)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?jí)嚎s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(hào)為3點(diǎn)互為冗余，變頻器根據(jù)3個(gè)頻率接入信號(hào)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(dòng)選擇另外倆路正常的信號(hào)2取中，當(dāng)變頻器給定頻率信號(hào)完全丟失時(shí)，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(hào)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(bào)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(cè)報(bào)警，進(jìn)水口溫度出水口溫度檢測(cè)報(bào)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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)電氣驅(qū)動(dòng)的工藝控制、變頻驅(qū)動(dòng)控制、環(huán)境控制等。

（ 空-水冷系統(tǒng)）

（6）、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

6.1、電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)、軟停車，電機(jī)啟動(dòng)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電流，啟動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)沖擊很小。

.6.2、相比傳統(tǒng)啟動(dòng)方式，采用變頻啟動(dòng)壓縮機(jī)出入口壓力差降低了很多，從而減輕了起動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)機(jī)械損傷，降低了噪音，有效的延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命，相應(yīng)地延長(zhǎng)了許多零部件的壽命；同時(shí)極大的減輕了對(duì)管道的沖擊，有效延長(zhǎng)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(shí)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(chǎng)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(jì)中，合成氣壓縮機(jī)、氨氣壓縮機(jī)、二氧化碳?jí)嚎s機(jī)等主壓縮機(jī)組主要采用"鍋爐+汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)"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(xiàng)目中，"鍋爐+汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)"的方式投資高、占地面積大、建設(shè)周期長(zhǎng)。

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(dòng)技術(shù)的成熟應(yīng)用。該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)中考慮采用電力驅(qū)動(dòng)替代"鍋爐+汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)"。

采用電力驅(qū)動(dòng)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(duì)兩種驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式的經(jīng)濟(jì)性比較

序號(hào)	項(xiàng)目分項(xiàng)	汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)	電氣驅(qū)動(dòng)	指標(biāo)差值
1	設(shè)備構(gòu)成	鍋爐+汽輪機(jī)	電氣+變頻器
2	占地面積	8900m2	300 m2	減少98.5%
3	項(xiàng)目投資	12800萬元	4100萬元	節(jié)約68.0%
4	建設(shè)周期	16個(gè)月	5個(gè)月	縮短68.8%
5	生產(chǎn)運(yùn)營	0.43元/kWh	0.40元/kWh	降低0.03元/kWh
6	水資源消耗	30g/kWh	—	節(jié)約30g/kWh
7	煤資源消耗	392g/kWh	320g/kWh	節(jié)約72g/kWh
8	環(huán)境污染源	蒸汽、熱、SO2、煙氣	無	環(huán)保

從上述兩種方式的比對(duì)分析看，電氣驅(qū)動(dòng)在經(jīng)濟(jì)性上優(yōu)勢(shì)明顯。不僅可以節(jié)約項(xiàng)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(huì)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(duì)就以上合成氨裝置壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析和實(shí)踐證明，以高壓變頻為核心的電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完全能夠滿足化工生產(chǎn)中對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、氣量調(diào)節(jié)的需求；并且在項(xiàng)目投資運(yùn)營方面獲得可觀的經(jīng)濟(jì)收益。該項(xiàng)目的實(shí)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(xiàng)目中積極推廣。該項(xiàng)目的成功投運(yùn)也證實(shí)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(shì)，完美的配套解決方案優(yōu)勢(shì)，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(jí)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(cè)》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(cè)》用戶李保國提供