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利德華福10MW級(jí)高壓變頻器在合成氨裝置主機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)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(guò)對(duì)現(xiàn)有40萬(wàn)噸合成氨裝置主壓縮機(jī)組驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析，指出了其中存在的問(wèn)題。針對(duì)性提出采用電氣驅(qū)動(dòng)替代“鍋爐+汽輪機(jī)”驅(qū)動(dòng)的新思路；通過(guò)對(duì)兩種驅(qū)動(dòng)形式的經(jīng)濟(jì)性比較，技術(shù)可行性分析，闡述了該新型驅(qū)動(dòng)形式的可行性和良好應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：電氣驅(qū)動(dòng) 鍋爐+汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng) 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(wèn)題提出
目前，國(guó)內(nèi)年產(chǎn)單體40萬(wàn)噸及以上合成氨裝置設(shè)計(jì)中，合成氣壓縮機(jī)、氨氣壓縮機(jī)、二氧化碳?jí)嚎s機(jī)等主壓縮機(jī)組主要采用“鍋爐+汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)”的方式生產(chǎn)運(yùn)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(guó)家背景下，存在以下幾方面的問(wèn)題：
1、 在新建項(xiàng)目中，“鍋爐+汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)”的方式投資高、占地面積大、建設(shè)周期長(zhǎng)。
2、 裝置投產(chǎn)后，燃煤鍋爐的運(yùn)營(yíng)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(fèi)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(guó)內(nèi)超大功率高壓變頻傳動(dòng)技術(shù)的成熟應(yīng)用。該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)中考慮采用電力驅(qū)動(dòng)替代“鍋爐+汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)”。
二、經(jīng)濟(jì)性可行性分析
采用電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，將直接節(jié)約鍋爐占地、建設(shè)投入，以及后續(xù)運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本和環(huán)境污染，提供生產(chǎn)效率。針對(duì)兩種驅(qū)動(dòng)方式的經(jīng)濟(jì)性比較如下表1所示。
表1 合成氨裝置主機(jī)系統(tǒng)兩種不同驅(qū)動(dòng)方式的經(jīng)濟(jì)性比較
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序號(hào) |
項(xiàng)目分項(xiàng) |
汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng) |
電氣驅(qū)動(dòng) |
指標(biāo)差值 |
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1 |
設(shè)備構(gòu)成 |
鍋爐+汽輪機(jī) |
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(xiàng)目投資 |
12800萬(wàn)元 |
4100萬(wàn)元 |
節(jié)約68.0% |
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4 |
建設(shè)周期 |
16個(gè)月 |
5個(gè)月 |
縮短68.8% |
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5 |
生產(chǎn)運(yùn)營(yíng) |
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(wú) |
環(huán)保 |
從上述兩種方式的比對(duì)分析看，電氣驅(qū)動(dòng)在經(jīng)濟(jì)性上優(yōu)勢(shì)明顯。不僅可以節(jié)約項(xiàng)目投資費(fèi)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(huì)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(wàn)噸合成氨裝置的三臺(tái)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?jí)嚎s機(jī)。根據(jù)工藝生產(chǎn)對(duì)設(shè)備工況的需求，結(jié)合電氣驅(qū)動(dòng)的需要。電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要需具備以下幾方面的能力：
1. 采用高壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)增速齒輪箱滿足壓縮機(jī)系統(tǒng)的高速運(yùn)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；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(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(dòng)、軟停車方式，對(duì)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(dòng)負(fù)荷。
5. 電氣系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)大于0.9、對(duì)電網(wǎng)電壓諧波污染小于3%；滿足電力部門對(duì)用電標(biāo)準(zhǔn)。
6. 系統(tǒng)不會(huì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)投資小見(jiàn)效快，安全可靠、運(yùn)營(yíng)成本低的實(shí)施目的。
四、系統(tǒng)方案
該系統(tǒng)主要包括：10kV電壓等級(jí)18MW合成氣壓縮機(jī)1臺(tái)、11MW氨氣壓縮機(jī)1臺(tái)、11.5MW二氧化碳?jí)嚎s機(jī)1臺(tái)。其容量均在10MW級(jí)，屬超大功率旋轉(zhuǎn)負(fù)載。
高壓電機(jī)選用兩極異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用1:3.12增速齒輪箱與與壓縮機(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(dòng)機(jī)；而無(wú)需增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償或選用同步電動(dòng)機(jī)。
壓縮機(jī)系統(tǒng)采用變頻驅(qū)動(dòng)后，壓縮機(jī)組可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)、軟停車功能，并且能夠承受系統(tǒng)喘振時(shí)產(chǎn)生的電氣瞬時(shí)過(guò)載沖擊負(fù)荷，而不會(huì)保護(hù)誤動(dòng)。采用變頻啟動(dòng)時(shí)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(jī)升速曲線實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速；其啟動(dòng)過(guò)程的加速特性如圖二所示。
圖一、壓縮機(jī)啟動(dòng)過(guò)程電流加速特性曲線 圖二、壓縮機(jī)啟動(dòng)加速特性曲線
三臺(tái)壓縮機(jī)組的裝機(jī)功率40.5MW，電網(wǎng)累計(jì)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(shí)為兩段母線負(fù)載供電；確保單段電源丟失時(shí)，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(kāi)關(guān)、TF表示變頻器、ML表示母聯(lián)開(kāi)關(guān)、GN表示隔離開(kāi)關(guān)柜、M表示電動(dòng)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(hào))。
圖三、高壓電氣配電與變頻驅(qū)動(dòng)一次動(dòng)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(shí)，廠區(qū)可通過(guò)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(wú)需停產(chǎn)。
三臺(tái)壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電源。備用變頻器可在三臺(tái)電動(dòng)機(jī)任意一臺(tái)工作變頻電氣系統(tǒng)故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)調(diào)速運(yùn)行。
正常情況下，每臺(tái)壓縮機(jī)均有一臺(tái)主變頻器TF通過(guò)QF2連接至電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的電氣驅(qū)動(dòng)。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(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(dòng)時(shí)，首先檢查備用變頻器輸出側(cè)QF13與電動(dòng)機(jī)處于斷開(kāi)狀態(tài)，然后閉合工作變頻器TF1輸出側(cè)開(kāi)關(guān)QF12與電動(dòng)機(jī)M1連接。送電啟動(dòng)步序：①Q(mào)F13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(dòng)條件滿足、變頻器待機(jī)正常；⑥啟動(dòng)變頻器TF1運(yùn)行；⑦合成氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)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(shí)，壓縮機(jī)可利用備用變頻TF4提供不間斷變頻驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。備用變頻啟動(dòng)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(dòng)選擇適配電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)保護(hù)參數(shù)組；③操作確認(rèn)電動(dòng)機(jī)對(duì)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(dòng)運(yùn)行條件、變頻器待機(jī)正常；⑥啟動(dòng)備用變頻器驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組運(yùn)行；⑦電動(dòng)機(jī)M1變頻運(yùn)行恢復(fù)完畢。
備用變頻器TF4自動(dòng)確認(rèn)電動(dòng)機(jī)匹配，選擇與之對(duì)應(yīng)的控制功能和對(duì)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?jí)嚎s機(jī)用變頻器的需求。
五、配套應(yīng)用技術(shù)
在采用電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)替代“鍋爐+汽輪機(jī)”的驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(wèn)題。
另外，高壓變頻器在運(yùn)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(wèn)題。通過(guò)系統(tǒng)化集成解決方案的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)電氣驅(qū)動(dòng)的工藝控制、變頻驅(qū)動(dòng)控制、環(huán)境控制等。
六、結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)對(duì)40萬(wàn)噸合成氨裝置壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析和實(shí)踐證明，以高壓變頻為核心的電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完全能夠滿足化工生產(chǎn)中對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、氣量調(diào)節(jié)的需求；并且在項(xiàng)目投資運(yùn)營(yíng)方面獲得可觀的經(jīng)濟(jì)收益。該項(xiàng)目的實(shí)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(wèn)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(xiàng)目中積極推廣�！ �
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