高壓變頻器在離心式循環(huán)壓縮機上的應用
發(fā)布時間：2019-08-02 16:20:13來源：
[摘要]通過對離心式循環(huán)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(fā)、生產(chǎn)的高壓變頻器對電機進行調(diào)速改造，取得了很大的節(jié)能效益。
[關鍵詞]離心式循環(huán)壓縮機 高壓變頻器 節(jié)能
一、項目概況
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(jīng)過幾年發(fā)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(huán)氣壓縮機上。此負載設備為離心式循環(huán)壓縮機，參數(shù)如下：
二、生產(chǎn)工藝流程
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(jīng)過冷卻，冷凝得到粗丙醛，氣體經(jīng)循環(huán)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(chǎn)品。粗丙醛收集系統(tǒng)工藝流程如圖1所示：
圖1：粗丙醛收集系統(tǒng)工藝流程圖
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(diào)節(jié)流量，浪費嚴重，能耗較高，運行十分不經(jīng)濟。為了解決這一系列問題，通過多方調(diào)研，我廠決定采用高壓變頻器對電機進行調(diào)速改造。
三、改造方案
1.變頻調(diào)速原理
按照電機學的基本原理，電機的轉(zhuǎn)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(shù)；f-電機運行頻率；s-滑差。
從式中看出，電機的同步轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速n約等于電機的同步轉(zhuǎn)速n0，所以調(diào)節(jié)了電機的供電頻率f，就能改變電機的實際轉(zhuǎn)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(shù)，Φ-氣隙主磁通。
對異步電機調(diào)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(tǒng)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(lián)多電平的拓撲結構，系統(tǒng)結構如圖2所示：
圖2：高壓變頻器系統(tǒng)結構圖
由于這種結構是利用低壓功率器件實現(xiàn)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(xiàn)了多脈沖整流，具有對電網(wǎng)諧波污染小的優(yōu)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(nèi)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(chǎn)異步電機，對電機的絕緣沒有特殊要求，并且具有脈動轉(zhuǎn)矩小，無共模電壓的明顯優(yōu)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(xiàn)場考察，我們確定了利德華福研發(fā)、生產(chǎn)的高壓變頻器HARVEST-A產(chǎn)品。
圖3：運行中的高壓變頻器
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(xiàn)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(tài)；工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開，QF閉合后，電機實現(xiàn)工頻直接啟動，恢復改造前的運行狀態(tài)。
圖4：高壓變頻器工頻旁路原理圖
四、高壓變頻器節(jié)能改造情況
1.現(xiàn)場技術數(shù)據(jù)：
１改變頻后比工頻運行時的參數(shù)對比表：
２年運行時間T：360天；
３上網(wǎng)電價L：0.65元，節(jié)電費總額M。
2.未改造前，電機工頻狀態(tài)下的年耗電量計算：
電動機在工頻狀態(tài)下，現(xiàn)場運行記錄如下：
輸入電壓Ud：6kV；輸入電流Id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：Pd = ×U×I×cosφ= ×6×47×0.47=230kW，
年運行時間 T=360×24=8640h，
累計年耗電量：Cd= T×Pd=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(tài)下的年耗電量計算：
電動機在變頻狀態(tài)下，現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)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(jié)能計算：
根據(jù)公式：ΔC= Cd－Cb，節(jié)電率=（ΔC/Cd）×100% ，
得出下面的數(shù)據(jù)：
年節(jié)電量：ΔC=Cd－Cb = 1987200-535680=1451520度，
節(jié)電率：（ΔC/Cd）×100% =1451520/1987200=73.0%，
節(jié)省電費為M=1291680-348192=943488元≈94.3萬元。
五、電機變頻改造后的運行情況
采用變頻調(diào)速后，帶來的比較大好處有以下幾點：
1.電機實現(xiàn)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(wǎng)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(zhuǎn)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(jié)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(shù)為例，可見其輸入電流減少了很多。