高壓變頻器在離心式循環壓縮機上的應用

[摘要]通過對離心式循環壓縮機運行工藝的了解，山東淄博諾奧化工采用利德華福研發、生產的高壓變頻器對電機進行調速改造，取得了很大的節能效益。

[關鍵詞]離心式循環壓縮機 高壓變頻器 節能

山東淄博諾奧化工有限公司成立于2006年，是由齊魯石化第二化肥廠綜合利用化工廠改制成立的，公司位于齊魯石化第二化肥廠西部，經過幾年發展，公司擁有20000t/a丙醛裝置，10000t/a丙醇裝置，15000t/a丁辛醇殘液回收裝置，30000t/a辛醇裝置，其中高壓變頻器應用在丙醛車間的循環氣壓縮機上。此負載設備為離心式循環壓縮機，參數如下：

來自齊魯石化第二化肥廠丁辛醇車間的合成氣與齊魯石化烯徑廠的乙烯混合進入合成反應塔，在催化劑的作用下生成氣相丙醛經過冷卻，冷凝得到粗丙醛，氣體經循環氣壓縮機，返回合成反應器，液相粗丙醛進入精餾塔精餾得到丙醛產品。粗丙醛收集系統工藝流程如圖1所示：

在實際應用中，工頻時每次啟動壓縮機都是重載啟動，啟動起來十分不容易，同時還給工藝上帶來很大隱患，比如噪音大，啟動電流大，影響設備壽命、壓力突變等。另外，由于負載的波動性較大，電機很少在滿載情況下運行，僅依靠關出口閥、打回流來調節流量，浪費嚴重，能耗較高，運行十分不經濟。為了解決這一系列問題，通過多方調研，我廠決定采用高壓變頻器對電機進行調速改造。

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) ………①

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 ………②

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。

2.高壓變頻器技術路線的選擇

目前，因為功率器件耐壓的限制，高壓變頻器沒有像低壓變頻器一樣，有統一的拓撲結構。目前，市場上主流的高壓變頻器多采用單元串聯多電平的拓撲結構，系統結構如圖2所示：

由于這種結構是利用低壓功率器件實現高壓，巧妙的避開了電力電子功率器件耐壓不足的問題。同時通過前端的移相變壓器，實現了多脈沖整流，具有對電網諧波污染小的優點，有些廠家又把這種變頻器稱為“完美無諧波變頻器”。在變頻器的內部控制上，利用功率單元輸出波形的移相疊加，形成多電平輸出電壓波形，可以直接適配普通國產異步電機，對電機的絕緣沒有特殊要求，并且具有脈動轉矩小，無共模電壓的明顯優點。因為技術成熟，低壓功率器件易于采購，因此成為市場上的主流方案。通過廠家的介紹和其它兄弟單位的現場考察，我們確定了利德華福研發、生產的高壓變頻器HARVEST-A產品。

3. 一次主回路方案

通過咨詢，我們決定采用一拖一手動旁路方案：主回路由負荷開關QF、3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3及高壓變頻器組成（如圖3）。其中要求QS2和QS3不能同時閉合，在機械上實現互鎖。高壓隔離開關QS1、QS2、SQ3加裝電磁鎖，電磁鎖的操作電源使用QF的輔助觸點閉鎖。只有當QF斷開時，QS1、QS2、SQ3的電磁鎖才能得電，可以正常操作。在變頻運行時，QS1和QS2閉合，QS3斷開，變頻器得電啟動后，電機處于變頻運行狀態；工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開，QF閉合后，電機實現工頻直接啟動，恢復改造前的運行狀態。

1.現場技術數據：

--改變頻后比工頻運行時的參數對比表：

--年運行時間T：360天；

--上網電價L：0.65元，節電費總額M。

2.未改造前，電機工頻狀態下的年耗電量計算：

電動機在工頻狀態下，現場運行記錄如下：

輸入電壓U_d：6kV；輸入電流I_d平均值：47A，

P：電動機功率；I：電動機輸入電流；U：電動機輸入電壓；cosφ：功率因子。

計算公式：P_d = ×U×I×cosφ= ×6×47×0.47=230kW，

年運行時間 T=360×24=8640h，

累計年耗電量：C_d= T×P_d=8640×230=1987200度，

因此，采用工頻運行時年用電費=1987200×0.65=1291680元≈129.2萬元。

3.改造后，電機變頻狀態下的年耗電量計算：

電動機在變頻狀態下，現場運行數據如下；

輸入電壓Ub=6KV；輸入電流Ib=7A，

計算公式：Pb = ×6×7×0.85=62kW，

采用變頻運行時, 累計年耗電量Cb=8640×62=535680度，

因此，年用電費=535680×0.65=348192元≈34.8萬元。

4.節能計算：

根據公式：ΔC= C_d－C_b，節電率=（ΔC/C_d）×100% ，

得出下面的數據：

年節電量：ΔC=C_d－C_b = 1987200-535680=1451520度，

節電率：（ΔC/C_d）×100% =1451520/1987200=73.0%，

節省電費為M=1291680-348192=943488元≈94.3萬元。

采用變頻調速后，帶來的最大好處有以下幾點：

1.電機實現軟啟動，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。

2.壓縮機出入口壓力差降低了很多。以前壓差5公斤，設備嘯叫嚴重，能達到120分貝；改變頻后壓差為0.8公斤，噪音僅為75分貝左右。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。

3.輸入電流減少很多，以前電流很多都做了無功，浪費極大。下圖4的運行參數為例，可見其輸入電流減少了很多。

4.提高了功率因數。

我公司通過對循環氣壓縮機的電機變頻調速改造，有效解決了之前運行過程中出現的啟動困難問題，改善了生產工藝，延長了設備檢修周期，并且取得了良好的經濟效益。隨著高壓變頻器市場的進一步成熟，將會有越來越多的設備列入改造之列，為國家的節能減排作出貢獻。

參考文獻

[1].高壓變頻調速系統HARSVERT-A系列技術手冊 北京利德華福電氣技術有限公司

[2].高壓變頻器應用資料匯編－石化行業 北京利德華福電氣技術有限公司