高壓變頻器在離心式循環壓縮機上的應用
| 文/利德華福技術工程部 供稿 |
[摘要]通過對離心式循環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、生產的高壓變頻器對電機進行調速改造，取得了很大的節能效益。
[關鍵詞]離心式循環壓縮機? 高壓變頻器?? 節能
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，經過幾年發展，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氣壓縮機上。此負載設備為離心式循環壓縮機，參數如下：
| 壓縮機型號 | 4V-2S | 電動機型號 | YB450M1-2 |
| 生產廠家 | 錦西化工機械廠 | 生產廠家 | 南陽防爆電機廠 |
| 介質 | 合成氣（CO，H2等） | 額定功率Pdn | 450kW |
| 功率 | 323 kW | 額定轉速n0 | 2980 r/min |
| 額定轉速 | 14029 r/min | 額定電壓U0 | 6kV |
| 額定流量 | 20190 m3/h | 額定電流I0 | 52.1A |
| 入口壓力 | 1.35 MPa | 額定功率因數 | 0.88 |
| 出口壓力 | 1.85 MPa | ||
| 增速箱增速比 | 1:4.7 |
二、生產工藝流程
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過冷卻，冷凝得到粗丙醛，氣體經循環氣壓縮機，返回合成反應器，液相粗丙醛進入精餾塔精餾得到丙醛產品。粗丙醛收集系統工藝流程如圖1所示：
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| 圖1：粗丙醛收集系統工藝流程圖 |
三、改造方案
1.變頻調速原理
按照電機學的基本原理，電機的轉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；f-電機運行頻率；s-滑差。
從式中看出，電機的同步轉速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），電機的實際轉速n約等于電機的同步轉速n0，所以調節了電機的供電頻率f，就能改變電機的實際轉速。
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，Φ-氣隙主磁通。
對異步電機調速時，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多電平的拓撲結構，系統結構如圖2所示：
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| 圖2：高壓變頻器系統結構圖 |
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| 圖3：運行中的高壓變頻器 |
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；工頻運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開，QF閉合后，電機實現工頻直接啟動，恢復改造前的運行狀態。
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| 圖4：高壓變頻器工頻旁路原理圖 |
四、高壓變頻器節能改造情況
1.現場技術數據：
改變頻后比工頻運行時的參數對比表：
| 工頻 | 變頻 | |
| 電機轉速 | 2980r/min | 1200r/min |
| 輸入電流 | 47A | 7A |
| 功率因數 | 0.47 | 0.85 |
| 出口閥門（FV1001）開度 | 35%-40% | 100% |
| 入口壓力 | 1.35MPa | 1.35MPa |
| 出口壓力 | 1.85MPa | 1.43MPa |
| 壓力差 | 0.5MPa | 0.08MPa |
| 出口流量 | 20190m3/h | 8455m3/h |
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五、電機變頻改造后的運行情況
采用變頻調速后，帶來的最大好處有以下幾點：
1.電機實現軟啟動，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的運行參數為例，可見其輸入電流減少了很多。
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| 圖5：2008年9月2日高壓變頻器運行參數 |
六、結論
我公司通過對循環氣壓縮機的電機變頻調速改造，有效解決了之前運行過程中出現的啟動困難問題，改善了生產工藝，延長了設備檢修周期，并且取得了良好的經濟效益。隨著高壓變頻器市場的進一步成熟，將會有越來越多的設備列入改造之列，為國家的節能減排作出貢獻。
參考文獻
[1].高壓變頻調速系統HARSVERT-A系列技術手冊 北京利德華福電氣技術有限公司
[2].高壓變頻器應用資料匯編－石化行業 北京利德華福電氣技術有限公司