利德华福超大功率高压变频器在中盈化肥压缩机中的应用

　　安阳中盈化肥80万吨尿素项目2010年7月由上级政府部门批准备案，地点设在滑县，计划建设周期为2010年7月—2012年12月，所采用的清洁生产工艺技术是世界领先的，气化工序采用世界上先进的水煤浆气化技术;净化工序采用耐硫变换、低温甲醇洗、液氮洗及进口硫回收技术;氨合成工序采用瑞士卡萨利低压合成工艺;尿素合成工序采用进口CO2气提法工艺。整个系统中核心技术是世界最先进的，工程配置是最优化的，能量系统是最合理的，生产成本必将也是最低的，建成后将是目前河南省最大的一套尿素生产装置.

　　其生产工艺中合成气压缩机、二氧化碳压缩机和氨气压缩机均采用利德华福高压变频器驱动。下面就氨气压缩机为例做具体介绍

　　工艺原理及流程简述:

　　氨冷冻主要是通过典型的压缩制冷循环(压缩→冷凝→节流→蒸发)，将液氨这一良好的冷冻剂(其蒸发潜热大)循环使用，从而为不同的用户提供不同冷冻等级的冷量，同时回收氨冷用户因换热而产生的气氨，通过再次升压、降温得到液氨供氨冷用户循环使用。

　　氨压缩机由电机驱动，电机与压缩机机之间由齿轮箱连接，通过大小齿轮数176/29速比6.069来控制调节压缩机转速，电机转速由利德华福高压变频器实现调节控制，变频器将工频50Hz的电源转换为0-50Hz的频率电源来控制电机转速，电机转速为1490 r/min根据速比使压缩机转速控制在9043r/min这样来实现压缩机做功。

　　重要参数:

　　一、氨压缩机组主要参数：

　　序号 项目 单位 数值 备注

　　1 低压缸一段入口流量 Nm3/h 30910

　　2 低压缸一段进口压力 MPa(A) 0.065

　　3 低压缸一段进口温度 ℃ -38

　　4 低压缸一段出口压力 MPa 0.266

　　5 低压缸一段出口温度 ℃ 79.9

　　6 高压缸一段入口流量 Nm3/h 74003

　　7 高压缸一段进口压力 MPa 0.264

　　8 高压缸一段进口温度 ℃ 27.5

　　9 高压缸一段出口压力 MPa 0.581

　　10 高压缸一段出口温度 ℃ 99.3

　　11 高压缸二段入口流量 Nm3/h 110733

　　12 高压缸二段进口压力 MPa 0.557

　　13 高压缸二段进口温度 ℃ 30.7

　　14 高压缸二段出口压力 MPaA 1.759

　　15 高压缸二段出口温度 ℃ 139.1

　　16 额定功率 KW 9920

　　17 正常功率SOR/EOR KW 8800/8790

　　18 压缩机额定工作转速 Rpm 9014

　　19 最大可调转速 Rpm 9043

　　20 最小可调转速 Rpm 6761

　　21 低压缸第一临界转速 Rpm 3158

　　22 高压缸第一临界转速 Rpm 3107

　　23 旋向方向 从驱动侧看顺时针

　　24 润滑油牌号 GB11120-N46 透平油

　　(压缩机)

　　二、电机参数：

　　额定功率：11000KW

　　额定电流：731A

　　额定电压：10KV

　　额定转速:1490 r/min

　　额定频率50HZ

　　功率因数0.90

　　效率96.5%

　　最大转矩倍数1.8

　　堵转电流倍数4.5

　　堵转转矩倍数0.6

　　(高压电机)

　　三、增速箱的参数：

　　额定齿轮箱功率：11000 KW

　　额定转速 输入/输出：1490/9043

　　齿轮齿数 大齿轮/小齿轮：176/29

　　实际使用能效系数：1.45

　　四、变频器原理、技术参数、系统方案及现场运行

　　(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)

　　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

　　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。

　　(高压变频器)

　　(2)变频器主要参数：

　　额定容量 6900×2KVA

　　额定输出电流 730A

　　额定电压10KV;

　　最高电压11KV;

　　电压正常变化范围(1±10%)un;

　　额定频率50HΖ;

　　频率变化范围±0.2HΖ;

　　电动机成组自起时，母线电压65% un;

　　最大一台电机启动时，母线电压80% un;

　　10KV母线侧短路电流40kA(有效值)100kA(峰值);

　　中性点：经消弧线圈方式接地。

　　(3)系统方案

　　该系统主要包括：10kV电压等级18MW合成气压缩机1台、11MW氨气压缩机1台、11.5MW二氧化碳压缩机1台。其容量均在10MW级，属超大功率旋转负载。

　　高压电机选用两极异步电动机驱动，采用1:3.12增速齿轮箱与与压缩机负载连接。选用利德华福电压源型单元串联多电平结构变频器，网侧功率因数大于0.95、网侧谐波污染小于3%、适用于普通异步电动机;而无需增设无功补偿或选用同步电动机。

　　压缩机系统采用变频驱动后，压缩机组可实现软起动、软停车功能，并且能够承受系统喘振时产生的电气瞬时过载冲击负荷，而不会保护误动。采用变频启动时的电流加速曲线如图一所示。另外，变频器可以按照合成氨装置生产所需的压缩机升速曲线实现，调节压缩机转速;其启动过程的加速特性如图二所示。

　　图(一)

　　图 (二)

　　图一、压缩机启动过程电流加速特性曲线 图二、压缩机启动加速特性曲线

　　三台压缩机组的装机功率40.5MW，电网累计容量需求5.0625MVA。电气配电系统中11MW、11.5MW 采用II段母线供电，18MW及备用变频器(18MW)采用III段母线供电。每段母线网侧变压器容量均为6.3MVA可同时为两段母线负载供电;确保单段电源丢失时，单段母线保证生产连续。

　　方案采用全容量高压变频备用的一拖一变频切换系统方案，其原理如图三所示。其中，QF表示高压开关、TF表示变频器、ML表示母联开关、GN表示隔离开关柜、M表示电动机。QFx2和QFx3之间存在电气与逻辑双重互锁关系，防止变频器输出侧发生短路等严重事故(x，表示设备编号)。

　　图(三)高压电气配电与变频驱动一次动力系统图

　　厂变由两路110kV电网接入10kV高压301变电站，提供II、III两段母线变压器供电。当单段电网供电或变压器故障时，厂区可通过ML-GN依赖另外一段电源供电变压器承担生产100%用电负荷;而无需停产。|

　　三台压缩机的电动机驱动系统，由301变电站II、III段母线分别引至313变电所。其中，备用变频器下挂于III段母线，QF41提供10kV驱动电源。备用变频器可在三台电动机任意一台工作变频电气系统故障时，驱动压缩机调速运行。

　　正常情况下，每台压缩机均有一台主变频器TF通过QF2连接至电动机，实现压缩机的电气驱动。系统并可根据合成氨装置的生产需求调节压缩机转速改变气量，达到满足生产的目的。

　　以合成气压缩机为例：压缩机主变频驱动时，首先检查备用变频器输出侧QF13与电动机处于断开状态，然后闭合工作变频器TF1输出侧开关QF12与电动机M1连接。送电启动步序：①QF13处于分断状态;②操作QF12合闸;③变频器允许高压合闸;④操作QF15合闸;⑤启动条件满足、变频器待机正常;⑥启动变频器TF1运行;⑦合成气压缩机电动机启动完毕。

　　当合成气压缩机主电气系统故障或需要检修时，压缩机可利用备用变频TF4提供不间断变频驱动运行。备用变频启动步序：①操作QF12分闸状态;②操作QF13的合闸，备用变频器TF4自动选择适配电动机启动保护参数组;③操作确认电动机对应的工位有效，TF4具备高压合闸允许条件，允许QF45合闸;④操作QF45合闸;⑤压缩机具备变频器启动运行条件、变频器待机正常;⑥启动备用变频器驱动压缩机组运行;⑦电动机M1变频运行恢复完毕。

　　备用变频器TF4自动确认电动机匹配，选择与之对应的控制功能和对应的压缩机控制工艺参数;满足备用变频器可替代合成气、氨气、二氧化碳压缩机用变频器的需求。

　　(4)、协调控制、调速及状态

　　控制逻辑系统采用变频协调控制技术(IECS协调控制系统柜)解决电气系统中变频器与高压开关、压缩机组、生产工艺之间的协调控制关系，以及主变频器与备用变频器之间的切换替代等协调问题。

　　变频转速控制信号为3点互为冗余，变频器根据3个频率接入信号进行3取中处理后进行变频器频率输出调节。当有其中一路频率给定指令中断或超量程后，变频器自动选择另外俩路正常的信号2取中，当变频器给定频率信号完全丢失时，变频器可设定掉线保持或最大、最小或停车等运行模式，保证在给定信号完全丢失的情况下，仍能够安全处理，最大限度的保证生产调节的连续性。

　　变频器除了向用户输出DO、AO等硬连线传输变频器所有状态，还预留MODBUS通讯接口，可传输变频器内部变量包括：变频器输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、给定频率、运行频率、变压器温度、变频器报警、故障和运行状态，以满足用户多元化要求。

　　(变频协调控制柜)

　　(5)、配套应用技术

　　另外，高压变频器在运行中将产生3%的效率损失，并以热量形式散失在环境中。需要配套高压变频空-水冷却系统解决变频器的环境散热问题，空-水冷系统具有进水口压力和出水口压力检测报警，进水口温度出水口温度检测报警和流量调节控制，空-水冷系统的压力、水温、流量用户在远程可实时监控和调节。通过系统化集成解决方案的应用，实现压缩机电气驱动的工艺控制、变频驱动控制、环境控制等。

　　( 空-水冷系统)

　　(6)、现场运行情况

　　6.1、电机实现了软启动、软停车，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。

　　.6.2、相比传统启动方式，采用变频启动压缩机出入口压力差降低了很多，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。

　　6.3、实现了电机平稳无极调速，提高了生产工艺精度。

　　(现场运行图片)

　　节能效益

　　目前，国内年产单体40万吨及以上合成氨装置设计中，合成气压缩机、氨气压缩机、二氧化碳压缩机等主压缩机组主要采用“锅炉+汽轮机驱动”的方式生产运行。该种陈旧的建设模式，在新的经济形式和节能减排的国家背景下，存在以下几方面的问题：

　　1、 在新建项目中，“锅炉+汽轮机驱动”的方式投资高、占地面积大、建设周期长。

　　2、 装置投产后，燃煤锅炉的运营维护成本高。

　　3、 燃煤锅炉能效低，厂区蒸汽跑、冒严重、烟气排放环境污染严重。

　　4、 系统调节性能差，生产效率低，能源浪费较大。

　　5、 锅炉蒸汽生产水耗、煤耗指标高，生产成本压力大。

　　综合上述因素，结合目前国内超大功率高压变频传动技术的成熟应用。该项目在设计中考虑采用电力驱动替代“锅炉+汽轮机驱动”。

　　采用电力驱动系统，将直接节约锅炉占地、建设投入，以及后续运营维护成本和环境污染，提供生产效率。针对两种驱动方式的经济性比较如下表1所示。