10MW級高壓變頻器在合成氨裝置主機系統中的應用分析

北京利德華福電氣技術有限公司 楊長英

1 引言

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，在某40萬噸合成氨項目設計中考慮采用電力驅動替代“鍋爐+汽輪機驅動”。

2 經濟性可行性分析

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見表1所示。

表1 合成氨裝置主機系統兩種不同驅動方式的經濟性比較

從上述兩種方式的對比分析看，電氣驅動在經濟性上優勢明顯。不僅可以節約項目投資費用、建設周期，獲得顯著的企業收益,而且能夠取得良好的社會效益。采用該節能、環保、高效的新型結構模式，符合企業新型可持續發展模式。

3 技術可行性分析

該40萬噸合成氨裝置的三臺主輔機設備分別為：18MW合成氣壓縮機、11MW氨氣壓縮機、11.5MW二氧化碳壓縮機。根據工藝生產對設備工況的需求，結合電氣驅動的需要。電氣驅動系統主要需具備以下幾方面的能力：

(1) 采用高壓電動機驅動，通過增速齒輪箱滿足壓縮機系統的高速運行需要。

(2) 能夠依工藝需求，進行分階段加減速調節控制，使系統逐步升溫、升壓。

(3) 能夠根據合成氨裝置的整體生產需求進行壓縮機轉速、氣量調節。

(4) 壓縮機采取軟啟動、軟停車方式，對電網和壓縮機機械系統沖擊負荷小于額定的2.5倍轉矩；能夠承受壓縮機喘振產生的1.5 Tn波動負荷。

(5) 電氣系統對電網無沖擊，網側功率因數大于0.9，對電網電壓諧波污染小于3%；滿足電力部門用電標準。

(6) 系統不會由于電氣系統故障而導致合成氨裝置停產。

采用電壓源型高壓變頻調速驅動系統，配套10kV供配電系統能夠解決上述技術需求。從根本上，解決合成氨裝置主壓縮機系統的經濟性與技術性的雙重標準要求，實現投資小見效快，安全可靠、運營成本低的實施目的。

4 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增速齒輪箱與壓縮機負載連接。選用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1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2所示。

圖1 壓縮機啟動過程電流加速特性曲線

圖2 壓縮機啟動加速特性曲線性曲線

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3所示。其中，QF為高壓開關、TF為變頻器、ML為母聯開關、GN為隔離開關柜、M為電動機。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3 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：

① QF13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。

5 配套應用技術

在采用電氣驅動系統替代“鍋爐+汽輪機”的驅動方案后，系統采用變頻協調控制技術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。

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。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。

6 結束語

通過對40萬噸合成氨裝置壓縮機驅動系統的分析和實踐證明，以高壓變頻為核心的電氣驅動系統完全能夠滿足化工生產中對壓縮機轉速、氣量調節的需求，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，為化工行業超大功率壓縮機組解決能源與經濟、環保、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、節能降耗和環保生產建設和改造項目中積極推廣。