北京利德華福電氣技術(shù)有限公司 楊長英

1 引言

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(jī)、氨氣壓縮機(jī)、二氧化碳壓縮機(jī)等主壓縮機(jī)組主要采用“鍋爐+汽輪機(jī)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(jì)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(jī)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(hù)成本高。

(3)燃煤鍋爐能效低，廠區(qū)蒸汽跑、冒嚴(yán)重、煙氣排放環(huán)境污染嚴(yán)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(biāo)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(yīng)用，在某40萬噸合成氨項目設(shè)計中考慮采用電力驅(qū)動替代“鍋爐+汽輪機(jī)驅(qū)動”。

2 經(jīng)濟(jì)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(hù)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(jì)性比較見表1所示。

表1 合成氨裝置主機(jī)系統(tǒng)兩種不同驅(qū)動方式的經(jīng)濟(jì)性比較

從上述兩種方式的對比分析看，電氣驅(qū)動在經(jīng)濟(jì)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)新型可持續(xù)發(fā)展模式。

3 技術(shù)可行性分析

該40萬噸合成氨裝置的三臺主輔機(jī)設(shè)備分別為：18MW合成氣壓縮機(jī)、11MW氨氣壓縮機(jī)、11.5MW二氧化碳壓縮機(jī)。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(jī)驅(qū)動，通過增速齒輪箱滿足壓縮機(jī)系統(tǒng)的高速運行需要。

(2) 能夠依工藝需求，進(jìn)行分階段加減速調(diào)節(jié)控制，使系統(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(jìn)行壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、氣量調(diào)節(jié)。

(4) 壓縮機(jī)采取軟啟動、軟停車方式，對電網(wǎng)和壓縮機(jī)機(jī)械系統(tǒng)沖擊負(fù)荷小于額定的2.5倍轉(zhuǎn)矩；能夠承受壓縮機(jī)喘振產(chǎn)生的1.5 Tn波動負(fù)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%；滿足電力部門用電標(biāo)準(zhǔn)。

(6) 系統(tǒng)不會由于電氣系統(tǒng)故障而導(dǎo)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(jī)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)性的雙重標(biāo)準(zhǔn)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。

4 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(jī)1臺、11MW氨氣壓縮機(jī)1臺、11.5MW二氧化碳壓縮機(jī)1臺。其容量均在10MW級，屬超大功率旋轉(zhuǎn)負(fù)載。

高壓電機(jī)選用兩極異步電動機(jī)驅(qū)動，采用1:3.12增速齒輪箱與壓縮機(jī)負(fù)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(jī)；而無需增設(shè)無功補(bǔ)償或選用同步電動機(jī)。

壓縮機(jī)系統(tǒng)采用變頻驅(qū)動后，壓縮機(jī)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(fù)荷，而不會保護(hù)誤動。采用變頻啟動時的電流加速曲線如圖1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(jī)升速曲線實現(xiàn)，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，其啟動過程的加速特性如圖2所示。

圖1 壓縮機(jī)啟動過程電流加速特性曲線

圖2 壓縮機(jī)啟動加速特性曲線性曲線

三臺壓縮機(jī)組的裝機(jī)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(fù)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3所示。其中，QF為高壓開關(guān)、TF為變頻器、ML為母聯(lián)開關(guān)、GN為隔離開關(guān)柜、M為電動機(jī)。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(yán)重事故(x表示設(shè)備編號)。

圖3 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(dāng)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(dān)生產(chǎn)100%用電負(fù)荷而無需停產(chǎn)。

三臺壓縮機(jī)的電動機(jī)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(jī)任意一臺工作變頻電氣系統(tǒng)故障時，驅(qū)動壓縮機(jī)調(diào)速運行。

正常情況下，每臺壓縮機(jī)均有一臺主變頻器TF通過QF2連接至電動機(jī)，實現(xiàn)壓縮機(jī)的電氣驅(qū)動。系統(tǒng)可根據(jù)合成氨裝置的生產(chǎn)需求調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速改變氣量，達(dá)到滿足生產(chǎn)的目的。

以合成氣壓縮機(jī)為例：壓縮機(jī)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(jī)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(jī)M1連接。送電啟動步序：

① QF13處于分?jǐn)酄顟B(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(jī)正常；

⑥ 啟動變頻器TF1運行；

⑦ 合成氣壓縮機(jī)電動機(jī)啟動完畢。

當(dāng)合成氣壓縮機(jī)主電氣系統(tǒng)故障或需要檢修時，壓縮機(jī)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(jī)啟動保護(hù)參數(shù)組；

③ 操作確認(rèn)電動機(jī)對應(yīng)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(jī)具備變頻器啟動運行條件、變頻器待機(jī)正常；

⑥ 啟動備用變頻器驅(qū)動壓縮機(jī)組運行 ；

⑦ 電動機(jī)M1變頻運行恢復(fù)完畢。

備用變頻器TF4自動確認(rèn)電動機(jī)匹配，選擇與之對應(yīng)的控制功能和對應(yīng)的壓縮機(jī)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(jī)用變頻器的需求。

5 配套應(yīng)用技術(shù)

在采用電氣驅(qū)動系統(tǒng)替代“鍋爐+汽輪機(jī)”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(jī)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(yīng)用，實現(xiàn)壓縮機(jī)電氣驅(qū)動的工藝控制、變頻驅(qū)動控制、環(huán)境控制等。

6 結(jié)束語

通過對40萬噸合成氨裝置壓縮機(jī)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(jī)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(jì)收益。該項目的實施，為化工行業(yè)超大功率壓縮機(jī)組解決能源與經(jīng)濟(jì)、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。