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

　　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。整個系統中核心技術是世界最先進的，工程配置是最優化的，能量系統是最合理的，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.

　　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(壓縮→冷凝→節流→蒸發)，將液氨這一良好的冷凍劑(其蒸發潛熱大)循環使用，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使用。

　　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176/29速比6.069來控制調節壓縮機轉速，電機轉速由利德華福高壓變頻器實現調節控制，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這樣來實現壓縮機做功。

　　重要參數:

　　一、氨壓縮機組主要參數：

　　序號 項目 單位 數值 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：

　　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0.90

　　效率96.5%

　　最大轉矩倍數1.8

　　堵轉電流倍數4.5

　　堵轉轉矩倍數0.6

　　(高壓電機)

　　三、增速箱的參數：

　　額定齒輪箱功率：11000 KW

　　額定轉速 輸入/輸出：1490/9043

　　齒輪齒數 大齒輪/小齒輪：176/29

　　實際使用能效系數：1.45

　　四、變頻器原理、技術參數、系統方案及現場運行

　　(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;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，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：

　　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)系統方案

　　該系統主要包括：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多電平結構變頻器，網側功率因數大于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。

　　壓縮機系統采用變頻驅動后，壓縮機組可實現軟起動、軟停車功能，并且能夠承受系統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，調節壓縮機轉速;其啟動過程的加速特性如圖二所示。

　　圖(一)

　　圖 (二)

　　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。

　　方案采用全容量高壓變頻備用的一拖一變頻切換系統方案，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，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，實現壓縮機的電氣驅動。系統并可根據合成氨裝置的生產需求調節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，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;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;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;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)、協調控制、調速及狀態

　　控制邏輯系統采用變頻協調控制技術(IECS協調控制系統柜)解決電氣系統中變頻器與高壓開關、壓縮機組、生產工藝之間的協調控制關系，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。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的連續性。

　　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，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，以滿足用戶多元化要求。

　　(變頻協調控制柜)

　　(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境中。需要配套高壓變頻空-水冷卻系統解決變頻器的環境散熱問題，空-水冷系統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控制，空-水冷系統的壓力、水溫、流量用戶在遠程可實時監控和調節。通過系統化集成解決方案的應用，實現壓縮機電氣驅動的工藝控制、變頻驅動控制、環境控制等。

　　( 空-水冷系統)

　　(6)、現場運行情況

　　6.1、電機實現了軟啟動、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，節約大量維護費用。

　　6.3、實現了電機平穩無極調速，提高了生產工藝精度。

　　(現場運行圖片)

　　節能效益

　　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，廠區蒸汽跑、冒嚴重、煙氣排放環境污染嚴重。

　　4、 系統調節性能差，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，將直接節約鍋爐占地、建設投入，以及后續運營維護成本和環境污染，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。