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利德華福10MW級高壓變頻器在合成氨裝置主機系統(tǒng)中的應用分析
北京利德華福電氣技術(shù)有限公司供稿
摘要：本文通過對現(xiàn)有40萬噸合成氨裝置主壓縮機組驅(qū)動系統(tǒng)分析，指出了其中存在的問題。針對性提出采用電氣驅(qū)動替代“鍋爐+汽輪機”驅(qū)動的新思路；通過對兩種驅(qū)動形式的經(jīng)濟性比較，技術(shù)可行性分析，闡述了該新型驅(qū)動形式的可行性和良好應用前景。
關(guān)鍵詞：電氣驅(qū)動 鍋爐+汽輪機驅(qū)動 高壓變頻
Analysis on Application for 10MW High-voltage Converter in the Host System of Synthetic Ammonia Device
Abstract:This paper analyzes the host compressor unit system of existing 400 thousand tons synthetic ammonia device, points out the problems in it. Specifically puts forward the new idea of electric drive instead of "boiler and steam turbine drive "; & elaborates the feasibility and good application prospect of the new type drive by comparing the economic efficiency of the two drives & analysis of their technical feasibility.
Key words：electric drive；boiler and steam turbine drive；high-voltage inverter
一、問題提出
目前，國內(nèi)年產(chǎn)單體40萬噸及以上合成氨裝置設(shè)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(qū)動”的方式生產(chǎn)運行。該種陳舊的建設(shè)模式，在新的經(jīng)濟形式和節(jié)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(qū)動”的方式投資高、占地面積大、建設(shè)周期長。
2、 裝置投產(chǎn)后，燃煤鍋爐的運營維護成本高。
3、 燃煤鍋爐能效低，廠區(qū)蒸汽跑、冒嚴重、煙氣排放環(huán)境污染嚴重。
4、 系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能差，生產(chǎn)效率低，能源浪費較大。
5、 鍋爐蒸汽生產(chǎn)水耗、煤耗指標高，生產(chǎn)成本壓力大。
綜合上述因素，結(jié)合目前國內(nèi)超大功率高壓變頻傳動技術(shù)的成熟應用。該項目在設(shè)計中考慮采用電力驅(qū)動替代“鍋爐+汽輪機驅(qū)動”。
二、經(jīng)濟性可行性分析
采用電力驅(qū)動系統(tǒng)，將直接節(jié)約鍋爐占地、建設(shè)投入，以及后續(xù)運營維護成本和環(huán)境污染，提供生產(chǎn)效率。針對兩種驅(qū)動方式的經(jīng)濟性比較如下表1所示。
表1 合成氨裝置主機系統(tǒng)兩種不同驅(qū)動方式的經(jīng)濟性比較
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序號 |
項目分項 |
汽輪機驅(qū)動 |
電氣驅(qū)動 |
指標差值 |
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1 |
設(shè)備構(gòu)成 |
鍋爐+汽輪機 |
電氣+變頻器 |
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2 |
占地面積 |
8900m2 |
300 m2 |
減少98.5% |
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3 |
項目投資 |
12800萬元 |
4100萬元 |
節(jié)約68.0% |
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4 |
建設(shè)周期 |
16個月 |
5個月 |
縮短68.8% |
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5 |
生產(chǎn)運營 |
0.43元/kWh |
0.40元/kWh |
降低0.03元/kWh |
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6 |
水資源消耗 |
30g/kWh |
— |
節(jié)約30g/kWh |
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7 |
煤資源消耗 |
392g/kWh |
320g/kWh |
節(jié)約72g/kWh |
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8 |
環(huán)境污染源 |
蒸汽、熱、SO2、煙氣 |
無 |
環(huán)保 |
從上述兩種方式的比對分析看，電氣驅(qū)動在經(jīng)濟性上優(yōu)勢明顯。不僅可以節(jié)約項目投資費用、建設(shè)周期，獲得顯著的企業(yè)收益；而且能夠取得良好的社會效益。采用該節(jié)能、環(huán)保、高效的新型結(jié)構(gòu)模式，符合企業(yè)新型發(fā)展模式，節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展政策。
三、技術(shù)可行性分析
該40萬噸合成氨裝置的三臺主輔機設(shè)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(jù)工藝生產(chǎn)對設(shè)備工況的需求，結(jié)合電氣驅(qū)動的需要。電氣驅(qū)動系統(tǒng)主要需具備以下幾方面的能力：
1. 采用高壓電動機驅(qū)動，通過增速齒輪箱滿足壓縮機系統(tǒng)的高速運行需要。
2. 能夠依工藝需求，進行分階段加減速調(diào)節(jié)控制；滿足系統(tǒng)逐步升溫、升壓。
3. 能夠根據(jù)合成氨裝置的整體生產(chǎn)需求進行壓縮機轉(zhuǎn)速、氣量調(diào)節(jié)。
4. 壓縮機采取軟啟動、軟停車方式，對電網(wǎng)和壓縮機機械系統(tǒng)沖擊負荷小于額定的2.5倍轉(zhuǎn)矩；能夠承受壓縮機喘振產(chǎn)生的1.5 Tn波動負荷。
5. 電氣系統(tǒng)對電網(wǎng)無沖擊，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)大于0.9、對電網(wǎng)電壓諧波污染小于3%；滿足電力部門對用電標準。
6. 系統(tǒng)不會由于電氣系統(tǒng)故障而導致合成氨裝置停產(chǎn)。
采用電壓源型高壓變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，配套10kV供配電系統(tǒng)能夠解決上述技術(shù)需求。從根本上，解決合成氨裝置主壓縮機系統(tǒng)的經(jīng)濟性與技術(shù)性的雙重標準要求，實現(xiàn)投資小見效快，安全可靠、運營成本低的實施目的。
四、系統(tǒng)方案
該系統(tǒng)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(zhuǎn)負載。
高壓電機選用兩極異步電動機驅(qū)動，采用1:3.12增速齒輪箱與與壓縮機負載連接。選用電壓源型單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)變頻器，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)大于0.95、網(wǎng)側(cè)諧波污染小于3%、適用于普通異步電動機；而無需增設(shè)無功補償或選用同步電動機。
壓縮機系統(tǒng)采用變頻驅(qū)動后，壓縮機組可實現(xiàn)軟起動、軟停車功能，并且能夠承受系統(tǒng)喘振時產(chǎn)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一所示。另外，變頻器可以按照合成氨裝置生產(chǎn)所需的壓縮機升速曲線實現(xiàn)，調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速；其啟動過程的加速特性如圖二所示。
圖一、壓縮機啟動過程電流加速特性曲線 圖二、壓縮機啟動加速特性曲線
三臺壓縮機組的裝機功率40.5MW，電網(wǎng)累計容量需求5.0625MVA。電氣配電系統(tǒng)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(wǎng)側(cè)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(chǎn)連續(xù)。
方案采用全容量高壓變頻備用的一拖一變頻切換系統(tǒng)方案，其原理如圖三所示。其中，QF表示高壓開關(guān)、TF表示變頻器、ML表示母聯(lián)開關(guān)、GN表示隔離開關(guān)柜、M表示電動機。QFx2和QFx3之間存在電氣與邏輯雙重互鎖關(guān)系，防止變頻器輸出側(cè)發(fā)生短路等嚴重事故(x，表示設(shè)備編號)。
圖三、高壓電氣配電與變頻驅(qū)動一次動力系統(tǒng)圖
廠變由兩路110kV電網(wǎng)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(wǎng)供電或變壓器故障時，廠區(qū)可通過ML-GN依賴另外一段電源供電變壓器承擔生產(chǎn)100%用電負荷；而無需停產(chǎn)。
三臺壓縮機的電動機驅(qū)動系統(tǒng)，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(qū)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(tǒng)故障時，驅(qū)動壓縮機調(diào)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(xiàn)壓縮機的電氣驅(qū)動。系統(tǒng)并可根據(jù)合成氨裝置的生產(chǎn)需求調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速改變氣量，達到滿足生產(chǎn)的目的。
以合成氣壓縮機為例：壓縮機主變頻驅(qū)動時，首先檢查備用變頻器輸出側(cè)QF13與電動機處于斷開狀態(tài)，然后閉合工作變頻器TF1輸出側(cè)開關(guān)QF12與電動機M1連接。送電啟動步序：①Q(mào)F13處于分斷狀態(tài)；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(tǒng)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(qū)動運行。備用變頻啟動步序：①操作QF12分閘狀態(tài)；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(shù)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(qū)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(shù)；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。
五、配套應用技術(shù)
在采用電氣驅(qū)動系統(tǒng)替代“鍋爐+汽輪機”的驅(qū)動方案后，系統(tǒng)采用變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)解決電氣系統(tǒng)中變頻器與高壓開關(guān)、壓縮機組、生產(chǎn)工藝之間的協(xié)調(diào)控制關(guān)系，以及主變頻器與備用變頻器之間的切換替代等協(xié)調(diào)問題。
另外，高壓變頻器在運行中將產(chǎn)生3%的效率損失，并以熱量形式散失在環(huán)境中。需要配套高壓變頻空-水冷卻系統(tǒng)解決變頻器的環(huán)境散熱問題。通過系統(tǒng)化集成解決方案的應用，實現(xiàn)壓縮機電氣驅(qū)動的工藝控制、變頻驅(qū)動控制、環(huán)境控制等。
六、結(jié)束語
通過對40萬噸合成氨裝置壓縮機驅(qū)動系統(tǒng)的分析和實踐證明，以高壓變頻為核心的電氣驅(qū)動系統(tǒng)完全能夠滿足化工生產(chǎn)中對壓縮機轉(zhuǎn)速、氣量調(diào)節(jié)的需求；并且在項目投資運營方面獲得可觀的經(jīng)濟收益。該項目的實施，為化工行業(yè)超大功率壓縮機組解決能源與經(jīng)濟、環(huán)保、高效生產(chǎn)等綜合問題，提供了新思路、新方法；值得在化工生產(chǎn)領(lǐng)域的能源利用、節(jié)能降耗和環(huán)保生產(chǎn)建設(shè)和改造項目中積極推廣。
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