基于高壓變頻器的煉油廠循環氫壓縮機節能改造研究

馬睿

（中國石化海南煉油化工有限公司，海南 洋浦 578101）

高壓變頻器循環氫壓縮機是用于壓縮、輸送和儲存氫氣的設備，廣泛應用于石化、電力等行業。然而，在傳統的設計中，氫氣壓縮機常常存在能耗高、效率低的問題，嚴重影響了其經濟性和環保性。為了解決這一問題，近年來，越來越多的企業開始采用高壓變頻器技術對氫氣壓縮機進行節能改造。高壓變頻器可以根據實際負載情況智能調節電機轉速，從而避免了傳統氫氣壓縮機在部分負載下不斷開啟和關閉的情況，減少了能源的浪費。

1 主回路系統設計

石油化工廠通常需要大量氫氣作為原料或催化劑，這些氫氣需要在生產過程中進行壓縮和輸送。而氫氣壓縮機的高壓調速系統則是保證其運行效率和安全的重要組成部分。

本次研究中，相關工作人員使用西門子（中國）有限公司生產的高壓變頻調速系統，將其應用于石油化工廠的氫壓縮機上，通過這種方式為氫壓縮機提供可靠的保護功能，同時也能夠提高運行效率和減少能源消耗。該系統由變壓器柜和變頻器柜兩部分組成，變壓器柜內部配置了冷卻風扇以確保系統穩定運行，并及時散發運行時產生的熱量。

在新的系統安裝后，它將被放置在石油化工廠的高壓配電室內。這個高壓配電室被劃分為兩段，這樣即使其中一段停電，另一段也可以繼續全負荷運行。這種設置不僅可以保證氫氣壓縮機的連續運行和生產過程的穩定性，還能夠有效避免因為停電而導致的生產損失和安全事故（如圖1 所示）。

圖1 GH180 變頻調速系統平面圖

循環氫壓縮機是一種常見的工業設備，它主要用于將氫氣壓縮至更高的壓力，以滿足生產和實驗需求。為了使循環氫壓縮機組運行更加可靠，確保設備在變頻調速系統出現故障時仍能正常工作，需要進行變頻器改造。

具體來說，變頻器改造不會涉及更換原配套電動機，通過對斷路器與電動機之間的配線接線方式進行重新布置，來實現對變頻器的改造。因此，本次研究中，相關工作人員無須對電動機主回路進行大規模改造改變，其改動工作量也比較小。需要注意的是，為了確保在變頻調速系統由于故障而停止工作后，氫壓縮機仍然能夠保持正常的工作狀態，研究人員在進行變頻器改造過程中，設置了工頻旁路切換模塊。該模塊由QS1 、QS2 、QS3 高壓隔離開關組合而成。因此，在變頻調速系統出現故障時，操作人員可以通過手動操作這些高壓隔離開關將循環氫壓縮機從變頻調速系統切換到工頻旁路系統，以確保設備的正常運行和生產效率。

該設備主回路中的主要零件包括高壓柜、變壓器、變頻器以及DCS控制系統等。其中，集成變壓器是一種專門用于配合高壓變頻器使用的變壓器，它能夠提供高效穩定的電力供應，從而使循環氫壓縮機能夠更加可靠地工作。

2 主回路保護系統配置

循環氫壓縮機節能改造主回路系統保護配置是指將保護措施納入循環氫壓縮機主回路控制系統中，以確保其安全運行和最佳節能效果。具體而言，主要包括四個方面的內容。

2.1 過流保護

循環氫壓縮機在工作過程中，可能會因短路或過載等原因而產生過大的電流，從而對系統產生損害。因此，需要設置過流保護功能，當電流超過設定值時，及時切斷電源，防止電氣元件遭受損壞。

2.2 過載保護

由于氫氣的壓縮過程中需要消耗大量能量，循環氫壓縮機容易因超負荷工作而發生故障。針對這種情況，需要設置過載保護功能，當負載超過預設值時，系統應該及時降速或停機，防止設備出現故障。

2.3 過壓保護

在循環氫壓縮機工作過程中，可能會因管路堵塞等原因而產生較高的壓力，從而對設備和工作環境產生危害。因此，需要設置過壓保護功能，當壓力超過設定值時，及時切斷電源或降速停機，以保證設備和工作環境的安全。

2.4 欠壓保護

在某些特殊情況下，如氫氣供應不足、泵入量過大導致儲氫池壓力過低等，會造成循環氫壓縮機空轉或低效運行。為避免這種情況發生，需要設置欠壓保護功能。當壓力過低時，系統應該及時報警或采取相應措施，如降速或停機等。

2.5 開關保護

如果氫壓縮機內部的電機容量超過2MW，其電流速斷保護靈敏度將無法滿足保護要求。針對這種情況，相關工作人員需要為設備加裝縱聯差動保護裝置，通過這種方式提高保護性能。該裝置由兩個差動元件組成，一個接在主變電所，另一個接在循環氫壓縮機電動機上，兩者之間通過同軸電纜相連。當發生故障時，系統會將兩個差動元件的輸出進行比較，如果有差異，則說明出現了故障，系統會及時切斷電源，保護設備和人員的安全（如圖2 所示）。

圖2 變頻器饋線主回路

當氫壓縮機切換至變頻器調速模式后，工作人員為了確保系統穩定性與可靠性，嘗試為其配備高壓變頻器調速裝置。通過這種方式根據實際生產需求，靈活調整控制電動機的轉速，從而實現對循環氫壓縮機的輸出流量進行精確控制。此外，針對高壓變頻器進線部位進行保護，能夠使用原有的電動機保護裝置，實現對進線開關的保護功能。

此外，循環氫壓縮機還需要配置過電流保護、單相接地保護、過負荷保護、低電壓保護和負序過電流保護等保護裝置，以應對各種可能發生的故障情況。在運行過程中，需要對整個系統進行監測和維護，及時排除潛在的故障隱患，確保循環氫壓縮機的正常運行。

3 高壓變頻器調試

高壓變頻器是工業生產中常用的電子設備之一，它可以將交流電轉換為特定頻率和電壓的交流電。在使用高壓變頻器時，需要對其進行調試，以確保變頻器能夠正常運行。本文將從通電前檢查、送控制電檢查、變頻器主回路返送電測試、接口信號檢查測試、變頻器空升壓測試、變頻器帶電機測試和變頻器帶負載測試七個方面詳細介紹高壓變頻器的調試方法。

3.1 通電前檢查

在通電前，需要對高壓變頻器進行檢查，包括檢查電纜是否安裝正確、是否有損壞、進出線端子是否牢固等。此外，還需要檢查變頻器的控制電源是否符合要求、電源電壓是否穩定、接線是否正確等。通電前的檢查過程可以保證高壓變頻器的正常運行，并且能夠避免可能的故障發生。（1）檢查電纜是否安裝正確。在檢查電纜時，需要檢查電纜的線徑、長度、連接方式和接口是否正確。如果電纜的線徑不符合要求，會導致電流過大，從而可能造成損壞。因此，在安裝電纜時，需要對線徑進行正確選擇。需要特別注意的是，電纜的長度應該根據實際情況來選擇，過長或過短都可能影響變頻器的正常工作。此外，還需要檢查電纜的連接方式和接口是否正確，確保其可以牢固地連接變頻器和其他設備。（2）檢查電纜是否有損壞。在檢查電纜的過程中，還需要檢查電纜是否有損壞。如果電纜被割裂、磨損或損壞，都可能導致電路不完整，從而影響變頻器的正常工作。因此，在檢查電纜時，需要仔細檢查每個部位，確保其完好無損。（3）檢查進出線端子是否牢固。在變頻器的接口處，進出線端子是連接變頻器和其他設備的關鍵部件。因此，在通電前的檢查過程中，需要檢查進出線端子是否連接牢固、緊密、沒有松動或脫落。如果端子連接不良，可能導致電流不穩定或是發生短路，從而損壞變頻器。

3.2 送控制電檢查

變頻器主回路返送電測試分為兩個步驟：前期測試和后期測試。

3.2.1 前期測試

前期測試的目的是檢查變頻器主回路是否可以正常工作。首先，需要將變頻器的輸入端口與比擬電源柜相連接。接著，需要將變頻器的輸出端口與測試電路相連接。在連接完畢后，需要打開比擬電源柜和監視器，并對其進行校準，以確保誤差不超過2%。然后，可以開始進行前期測試。在前期測試過程中，需要調整變頻器的參數，以滿足測試需求。具體來說，需要將變頻器輸出轉速設置為測試要求的轉速，將變頻器的電流值設置為測試要求的電流值。如果發現輸出電流或者轉速不符合要求，需要進行相應的調整，直到達到測試要求。

3.2.2 后期測試

在完成前期測試后，可以開始進行后期測試。后期測試的目的是檢查變頻器的保護功能和控制系統，以確保其正常工作。在后期測試過程中，需要執行以下操作。

（1）按下高壓分斷按鈕，檢查變頻器是否能可靠分斷上級電源；（2）拔出幾個輸出諧波電抗器，檢查變頻器自身保護功能是否能夠正常工作；（3）檢查變頻器的各種報警功能是否正常工作，包括過流、過載、過熱等報警；（4）檢查變頻器的控制系統是否正常工作，包括開關、按鈕、指示燈等是否正常。

3.2.3 記錄和評估測試結果

在測試過程中，需要記錄測試結果。根據測試結果，可以評估變頻器主回路的性能和可靠性。如果測試結果符合要求，則可以認為變頻器主回路正常工作，可以進行下一步調試。如果測試結果不符合要求，則需要對變頻器進行進一步檢查和調整，直到達到測試要求。

4 改造后節能效益分析

為驗證循環氫壓縮機的節能改造效果，研究人員對改造后的設備進行了節能效益分析。

實際工作中，電機在全負荷情況下才能正常運轉。這種狀態下，電流穩定性無法得到保證，需要進行系統的統計和分析。通過分析循環氫壓縮機一整年的實際生產狀況，研究人員發現設備全負荷運行的總時長，在全部生產時長中的占比達到了65%。

計算能耗差值的公式為：

式中，Pt代表該設備正常工作狀態下的功率，Us代表電機運行時的輸入電壓，Is則為輸入側電流，cosφ代表該設備功率因數。

本次研究中，在沒有安裝變頻調速系統前，氫壓縮機在單位時間內（一個自然年）總耗電計算公式為：

工作人員將相應參數導入公式（2），其中U=6000V，I1=262A，β=0.86，T=8000h，經過計算得到W1=18732200KWh。

安裝變頻調速器之后，氫壓縮機在單位時間內（一個自然年）總耗電計算公式為：

已知I2=158A，則W2=16352786KWh，由此可知，安裝變頻調速器后，氫壓縮機總電能消耗減少了2379424kWh，節能效果十分明顯。

5 結語

循環氫壓縮機是煉油廠的關鍵設備之一，但也是能耗較高的設備。為了實現節能減排和降低運行成本，研究人員嘗試基于高壓變頻器對循環氫壓縮機進行節能改造。具體實踐中，通過對主回路系統以及控制保護系統的優化，以及對高壓變頻裝置的調試，實現對氫壓縮機的節能改造。研究人員在分析該設備節能效益后，發現該設備在規定周期內，節約的電能達到了2379424kW·h，達到了節能目的，為化工生產節能降耗工作提供了技術支持。