高压变频器在离心式循环压缩机上的应用

[摘要]通过对离心式循环压缩机运行工艺的了解，山东淄博诺奥化工采用利德华福研发、生产的高压变频器对电机进行调速改造，取得了很大的节能效益。

[关键词]离心式循环压缩机  高压变频器   节能

一、项目概况

　　山东淄博诺奥化工有限公司成立于2006年，是由齐鲁石化第二化肥厂综合利用化工厂改制成立的，公司位于齐鲁石化第二化肥厂西部，经过几年发展，公司拥有20000t/a丙醛装置，10000t/a丙醇装置，15000t/a丁辛醇残液回收装置，30000t/a辛醇装置，其中高压变频器应用在丙醛车间的循环气压缩机上。此负载设备为离心式循环压缩机，参数如下：

二、生产工艺流程

　　来自齐鲁石化第二化肥厂丁辛醇车间的合成气与齐鲁石化烯径厂的乙烯混合进入合成反应塔，在催化剂的作用下生成气相丙醛经过冷却，冷凝得到粗丙醛，气体经循环气压缩机，返回合成反应器，液相粗丙醛进入精馏塔精馏得到丙醛产品。粗丙醛收集系统工艺流程如图1所示：

图1：粗丙醛收集系统工艺流程图

　　在实际应用中，工频时每次启动压缩机都是重载启动，启动起来十分不容易，同时还给工艺上带来很大隐患，比如噪音大，启动电流大，影响设备寿命、压力突变等。另外，由于负载的波动性较大，电机很少在满载情况下运行，仅依靠关出口阀、打回流来调节流量，浪费严重，能耗较高，运行十分不经济。为了解决这一系列问题，通过多方调研，我厂决定采用高压变频器对电机进行调速改造。

三、改造方案

1.变频调速原理

按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式：

    n=(1-s)60f/ P =n₀×(1-s)   ………①   

式中：P-电机极对数；f-电机运行频率；s-滑差。

　　从式中看出，电机的同步转速n₀正比于电机的运行频率(n₀=60f/p)，由于滑差s一般情况下比较小（0-0.05），电机的实际转速n约等于电机的同步转速n₀，所以调节了电机的供电频率f，就能改变电机的实际转速。

而改变频率必须改变供电电压，由交流电机成立的电磁关系式：

E=4.44fwΦ  ………②

式中：E-电机电动势，f-定子频率，W-绕组系数，Φ-气隙主磁通。

　　对异步电机调速时，希望主磁通Φ恒定，即U/F保持恒定，所以改变频率时，供电电压也应跟着变化。

2.高压变频器技术路线的选择

　　目前，因为功率器件耐压的限制，高压变频器没有像低压变频器一样，有统一的拓扑结构。目前，市场上主流的高压变频器多采用单元串联多电平的拓扑结构，系统结构如图2所示：

                                  图2：高压变频器系统结构图

　　由于这种结构是利用低压功率器件实现高压，巧妙的避开了电力电子功率器件耐压不足的问题。同时通过前端的移相变压器，实现了多脉冲整流，具有对电网谐波污染小的优点，有些厂家又把这种变频器称为“完美无谐波变频器”。在变频器的内部控制上，利用功率单元输出波形的移相叠加，形成多电平输出电压波形，可以直接适配普通国产异步电机，对电机的绝缘没有特殊要求，并且具有脉动转矩小，无共模电压的明显优点。因为技术成熟，低压功率器件易于采购，因此成为市场上的主流方案。通过厂家的介绍和其它兄弟单位的现场考察，我们确定了利德华福研发、生产的高压变频器HARVEST-A产品。

图3：运行中的高压变频器

3. 一次主回路方案

　　通过咨询，我们决定采用一拖一手动旁路方案：主回路由负荷开关QF、3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3及高压变频器组成（如图3）。其中要求QS2和QS3不能同时闭合，在机械上实现互锁。高压隔离开关QS1、QS2、SQ3加装电磁锁，电磁锁的操作电源使用QF的辅助触点闭锁。只有当QF断开时，QS1、QS2、SQ3的电磁锁才能得电，可以正常操作。在变频运行时，QS1和QS2闭合，QS3断开，变频器得电启动后，电机处于变频运行状态；工频运行时，QS3闭合，QS1和QS2断开，QF闭合后，电机实现工频直接启动，恢复改造前的运行状态。

                           图4：高压变频器工频旁路原理图

四、高压变频器节能改造情况

1.现场技术数据：

改变频后比工频运行时的参数对比表：

‚年运行时间T：360天；

ƒ上网电价L：0.65元，节电费总额M。

2.未改造前，电机工频状态下的年耗电量计算：

电动机在工频状态下，现场运行记录如下：

输入电压U_d：6kV；输入电流I_d平均值：47A，

P：电动机功率；I：电动机输入电流；U：电动机输入电压；cosφ：功率因子。

计算公式：

年运行时间 T=360×24=8640h，

累计年耗电量：C_d= T×P_d=8640×230=1987200度，

因此，采用工频运行时年用电费=1987200×0.65=1291680元≈129.2万元。

3.改造后，电机变频状态下的年耗电量计算：

电动机在变频状态下，现场运行数据如下；

输入电压Ub=6KV；输入电流Ib=7A，

计算公式：

采用变频运行时, 累计年耗电量Cb=8640×62=535680度，

因此，年用电费=535680×0.65=348192元≈34.8万元。

4.节能计算：

根据公式：ΔC= C_d－C_b，节电率=（ΔC/C_d）×100% ，

得出下面的数据：

年节电量：ΔC=C_d－C_b = 1987200-535680=1451520度，

节电率：（ΔC/C_d）×100% =1451520/1987200=73.0%，

节省电费为M=1291680-348192=943488元≈94.3万元。

五、电机变频改造后的运行情况

采用变频调速后，带来的最大好处有以下几点：

1.电机实现软启动，电机启动电流远远小于额定电流，启动时间相应延长，对电网冲击很小。

2.压缩机出入口压力差降低了很多。以前压差5公斤，设备啸叫严重，能达到120分贝；改变频后压差为0.8公斤，噪音仅为75分贝左右。从而减轻了起动机械转矩对电机机械损伤，降低了噪音，有效的延长了电机的使用寿命，相应地延长了许多零部件的寿命；同时极大的减轻了对管道的冲击，有效延长了管道的检修周期，减少了检修维护开支，节约大量维护费用。

3.输入电流减少很多，以前电流很多都做了无功，浪费极大。下图4的运行参数为例，可见其输入电流减少了很多。

图5：2008年9月2日高压变频器运行参数

4.提高了功率因数。

六、结论

　　我公司通过对循环气压缩机的电机变频调速改造，有效解决了之前运行过程中出现的启动困难问题，改善了生产工艺，延长了设备检修周期，并且取得了良好的经济效益。随着高压变频器市场的进一步成熟，将会有越来越多的设备列入改造之列，为国家的节能减排作出贡献。

参考文献

[1].高压变频调速系统HARSVERT-A系列技术手册  北京利德华福电气技术有限公司

[2].高压变频器应用资料汇编－石化行业           北京利德华福电气技术有限公司