變頻器水冷系統(tǒng)純水技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用

賈媛媛，何琳，牛進(jìn)龍，劉光利

（中國石油蘭州化工研究中心，甘肅 蘭州 730060）

1 引言

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換成另一頻率的電能控制裝置，它能優(yōu)化電機(jī)運(yùn)行，將復(fù)雜的調(diào)速控制簡單化，能夠起到增效節(jié)能的作用［1－2］。變頻器在工作過程中電路元件散發(fā)大量的熱量，為保證其正常工作需要進(jìn)行散熱［3］。工業(yè)用大容量變頻器的散熱方式多采用水冷，循環(huán)介質(zhì)是純水，為避免引起電路元件的短路，要求系統(tǒng)循環(huán)水的電導(dǎo)率始終保持較低水平，因此需要對循環(huán)純水進(jìn)行凈化［4］。當(dāng)純水精致劑發(fā)生老化或出現(xiàn)故障時(shí)，純水電導(dǎo)率會迅速上升，引起變頻器報(bào)警、跳閘，導(dǎo)致生產(chǎn)裝置停車。

國內(nèi)使用的大功率變頻器70%依靠進(jìn)口，當(dāng)水冷系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，國外公司難以提供及時(shí)的技術(shù)支持和維修，增加了生產(chǎn)的不安全因素，給企業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，因此石油化工研究院自主開發(fā)了一套變頻器水冷系統(tǒng)純水技術(shù)，并將其成功應(yīng)用于蘭州石化的20萬t／a高壓聚乙烯生產(chǎn)裝置和52萬t／a尿素生產(chǎn)裝置的中壓變頻器上。

2 水冷系統(tǒng)純水技術(shù)開發(fā)

2.1 水冷系統(tǒng)工作原理

變頻器水冷系統(tǒng)具有導(dǎo)熱系數(shù)大、水流量小、震動和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，能有效地降低元器件溫度，提高其壽命。當(dāng)前國外眾多大功率變頻器采用了水冷散熱系統(tǒng)，如瑞士ABB公司ACS1000系列變頻器，芬蘭Vacon NXP系列變頻器等。水冷散熱大體上都屬于介質(zhì)在導(dǎo)體內(nèi)部進(jìn)行封閉式循環(huán)。

為了解決變頻器應(yīng)用水冷系統(tǒng)水的純度、可靠性、防腐蝕等問題，在水的循環(huán)過程中應(yīng)用了清除溶入水中的離子及氧氣的純化支路，即純水精制單元。通過純水精致單元可將進(jìn)入純水中的污染物去除，保證純水在循環(huán)過程中電導(dǎo)率始終保持在系統(tǒng)規(guī)定的范圍內(nèi)。若純水電導(dǎo)率高出規(guī)定值，會引起變頻器報(bào)警，若不及時(shí)處理，最終將導(dǎo)致跳閘，造成生產(chǎn)裝置停車。為補(bǔ)充運(yùn)行中由于泵泄漏和水電解所帶來的水損失，裝置中還設(shè)有自動補(bǔ)水系統(tǒng)，這樣就會使整個(gè)系統(tǒng)具有優(yōu)異的散熱性能、高可靠性，且對環(huán)境友好。

2.2 純水技術(shù)開發(fā)

按照中壓變頻器冷卻制水系統(tǒng)內(nèi)脫離子水水質(zhì)要求，石油化工研究院分別篩選出了去除純水中微量有機(jī)物、陰陽離子和硅等物質(zhì)的材料，進(jìn)行了復(fù)配試驗(yàn)和污染物去除效果評價(jià)，開發(fā)了純水精制材料。采用分層方式填裝純水精制材料，模擬實(shí)際運(yùn)行狀況，設(shè)計(jì)制作純水精制系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室對開發(fā)的純水精制技術(shù)進(jìn)行了動態(tài)和穩(wěn)定運(yùn)行評價(jià)，運(yùn)行情況良好。

3 工業(yè)化應(yīng)用

3.1 SIEMENS公司中壓變頻器

蘭州石化公司52萬t/a尿素生產(chǎn)由渣油改為天然氣后，為了滿足生產(chǎn)和電力需求，提高天然氣壓縮機(jī)過程控制能力，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速和電機(jī)的軟啟軟?？刂疲_(dá)到節(jié)能降耗的目的，從德國SIEME NS公司購置了1臺水冷型中壓變頻器（SIMOVERT－MV）［5］。 德國 SIEMENS 公司生產(chǎn)的SIMOVERT－MV天然氣壓縮機(jī)中壓變頻器水冷系統(tǒng)的純水精制單元的工作方式是間歇運(yùn)行，即周期性的純化循環(huán)系統(tǒng)中的純水，工作原理見圖1。

系統(tǒng)內(nèi)純水電導(dǎo)率在0.20～0.60μS/cm范圍時(shí)，純水在泵的驅(qū)動下反復(fù)給電路元件冷卻降溫。運(yùn)行一段時(shí)間后，當(dāng)純水電導(dǎo)率大于0.60μS/cm時(shí)，純水進(jìn)入純水精制單元進(jìn)行純化，當(dāng)純水電導(dǎo)率降至0.20μS/cm時(shí)，精制單元停止工作。

圖1 SIMOVERT-MV變頻器純水精制工藝流程Fig.1 Process flow chart of water purification in converter SIMOVERT-MV

2004年5月，該變頻器水冷系統(tǒng)已滿負(fù)荷運(yùn)行了2 a多，報(bào)警現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，危及生產(chǎn)安全，急需對純水精制單元進(jìn)行更新。經(jīng)過多次現(xiàn)場試車試驗(yàn)后，2004年10月成功地將石化院開發(fā)的變頻器水冷系統(tǒng)純水技術(shù)應(yīng)用于蘭州石化公司52萬t/a尿素生產(chǎn)天然氣壓縮機(jī)SIMOVERT-MV中壓變頻器水冷系統(tǒng)，圖2是2004年10月至2011年8月應(yīng)用石化院水冷系統(tǒng)純水技術(shù)的運(yùn)行狀況圖。

圖2 SIMOVERT-MV變頻器運(yùn)行結(jié)果Fig.2 The operation result of converter SIMOVERT-MV

石化院自主開發(fā)的水冷系統(tǒng)純水技術(shù)已成功運(yùn)用了7 a，期間每3 a對純水精制劑進(jìn)行一次更換，水冷系統(tǒng)工作穩(wěn)定，從未引起過變頻器報(bào)警，確保了生產(chǎn)裝置的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 ABB公司ACS1000中壓變頻器

ACS1000中壓變頻器是蘭州石化公司20萬t/a高壓聚乙烯生產(chǎn)裝置的核心電氣設(shè)備之一，ACS1000水冷系統(tǒng)為連續(xù)型工作方式，工藝流程如圖 3 所示［6］。

冷卻完功率元件的純水經(jīng)過換熱器E1換熱后，95%的純水繼續(xù)冷卻功率元件，5%的純水進(jìn)入純水精制罐C1精制后，再經(jīng)Z2過濾器通過V15閥進(jìn)入主循環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)主冷卻循環(huán)回路中的純水電導(dǎo)率超過0.50μS/cm時(shí)，系統(tǒng)開始報(bào)警，變頻器處于非正常運(yùn)行狀態(tài)；電導(dǎo)率大于0.70μS/cm時(shí)，系統(tǒng)強(qiáng)制跳閘，導(dǎo)致供電設(shè)備停車。

圖3 ACS1000變頻器純水精制工藝流程Fig.3 Process flow chart of water purification in converter ACS1000

2009年5月，該水冷系統(tǒng)已滿負(fù)荷運(yùn)行2年多，多次出現(xiàn)報(bào)警現(xiàn)象，其中有1次電導(dǎo)率超過0.70μS/cm，變頻器自動跳閘，造成了20萬t/a高壓乙烯生產(chǎn)全面停車。2009年9月，石化院開發(fā)的水冷系統(tǒng)純水技術(shù)在該裝置上進(jìn)行了工業(yè)化應(yīng)用，電導(dǎo)率和運(yùn)行溫度變化趨勢見圖4。

圖4 ACS1000變頻器穩(wěn)定運(yùn)行效果Fig.4 The operation result of converter ACS1000

從圖4可以看出，自2009年9月石化院水冷技術(shù)應(yīng)用至今，ACS1000變頻器水冷系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，純水電導(dǎo)率始終維持在0.08～0.12μS/cm之間，且運(yùn)行周期已經(jīng)超過了2 a，優(yōu)于ABB公司的最佳運(yùn)行值（0.15μS/cm）和運(yùn)行周期（2 a)。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)及結(jié)論

石化研究院變頻器水冷系統(tǒng)純水技術(shù)的成功工業(yè)化應(yīng)用，標(biāo)志著對SIEMENS、ABB等全球頂尖變頻器制造商水冷技術(shù)的成功國產(chǎn)化。水冷系統(tǒng)因精制能力變差純水電導(dǎo)率超過安全警戒值，會導(dǎo)致變頻器強(qiáng)制跳閘，容易造成生產(chǎn)裝置的非計(jì)劃停車。以蘭州石化公司現(xiàn)有尿素和高壓聚乙烯生產(chǎn)能力計(jì)算，每次非計(jì)劃停車會造成200萬元和300萬元的經(jīng)濟(jì)損失。石化院開發(fā)的變頻器水冷系統(tǒng)純水技術(shù)使用周期長，減少了更換次數(shù)，且更換時(shí)準(zhǔn)備時(shí)間僅需24 h，減少了停車時(shí)間，可最大限度挽回非計(jì)劃停車經(jīng)濟(jì)損失。

石化院開發(fā)的變頻器水冷系統(tǒng)純水技術(shù)成功替代了SIEMENS和ABB水冷系統(tǒng)的純水技術(shù)，打破了國外廠家在該技術(shù)領(lǐng)域的高度壟斷并且成本低，工作周期長，運(yùn)行指標(biāo)優(yōu)于國外公司。

［1］宋振雷,李洪凱.變頻器常見故障的分析與維護(hù)［J］.裝備制造技術(shù),2009,3（3）:97－99.

［2］何麗梅,楊妮.中壓變頻器的技術(shù)特性及運(yùn)用［J］.天然氣與石油,2008,26（2）:27－32.

［3］范照勇.西門子中壓變頻器幾例實(shí)際故障的分析處理與防治［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2007，36:66－67.

［4］朱海濤.用于鋁板帶熱連軋機(jī)主傳動變頻器中的純水循環(huán)冷卻裝置［J］.有色設(shè)備,2009（4）:22－25.

［5］牛進(jìn)龍,孫秀敏,劉光利,等.天然氣壓縮機(jī)中壓變頻器冷卻制水系統(tǒng)國產(chǎn)化［J］.石化技術(shù)與應(yīng)用,2007,25（4）:344－346.

［6］ABB電氣傳動系統(tǒng)有限公司.ACS 1000中壓交流傳動技術(shù)樣本［M］.3ABD 00009891版本C.2004.