蘇里格氣田丙烷電機(jī)節(jié)能改造研究

曾科 孫新亞 羅彩龍 郭萍(長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠, 寧夏 銀川 750000)

丙烷制冷系統(tǒng)主要用于蘇里格氣田低溫分離工藝天然氣的脫油、脫水，滿足天然氣的水、烴露點(diǎn)的要求，某天然氣處理廠2014年度單套丙烷制冷系統(tǒng)耗電量達(dá)374.3333×104kWh，占全廠總耗電量近40%，耗電量巨大。因此，研究丙烷制冷系統(tǒng)節(jié)能降耗改造措施，對(duì)于響應(yīng)國(guó)家節(jié)能降耗政策以及提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 丙烷制冷工藝簡(jiǎn)介

丙烷制冷系統(tǒng)是蘇里格氣田天然氣集輸處理的核心設(shè)備，系統(tǒng)主要包括壓縮機(jī)組、蒸發(fā)式冷凝器、儲(chǔ)液器、油路系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)器和丙烷蒸發(fā)器等，以及相關(guān)的電儀自控系統(tǒng)。

該處理廠丙烷壓縮機(jī)采用美國(guó)約克公司RWF型螺桿式壓縮機(jī)，滑閥在10%～100%之間無級(jí)調(diào)節(jié)，內(nèi)容積比自動(dòng)調(diào)節(jié)(Vi=2.2～5.0)以節(jié)省由于壓縮機(jī)過壓縮、欠壓縮造成的功耗損失，額定制冷功率為1292kW。配套電機(jī)為南陽(yáng)YB560M2-2WG型防爆交流電機(jī)，額定電壓10kV，額定電流39.1A，額定功率為560kW，轉(zhuǎn)速為2977r/min，效率為94.87%。

圖1 丙烷制冷系統(tǒng)工藝流程

主要工藝流程為，液體丙烷在丙烷蒸發(fā)器中吸收了熱量后變?yōu)楸檎羝?，同時(shí)使原料天然氣溫度降設(shè)定溫度。丙烷氣體經(jīng)油分離器分離出夾帶的液體后進(jìn)入丙烷壓縮機(jī)。壓縮后丙烷氣體經(jīng)空冷器后冷凝為液體。丙烷液體進(jìn)入丙烷儲(chǔ)液罐，再經(jīng)節(jié)流閥降壓后進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器分離為氣液兩相，氣體返回壓縮機(jī)的補(bǔ)充氣入口，液體則進(jìn)一步節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收原料天然氣的熱量后蒸發(fā)為丙烷蒸汽，從而完成整個(gè)制冷過程的循環(huán)。

2 處理廠運(yùn)行現(xiàn)狀

(1)運(yùn)行概況 該處理廠設(shè)有3套丙烷制冷系統(tǒng)，根據(jù)處理氣量選擇運(yùn)行。丙烷蒸發(fā)器出口天然氣溫度冬季控制在-10℃，夏季控制在-5℃，壓縮機(jī)通過電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，電機(jī)恒速運(yùn)行，通過調(diào)節(jié)滑閥開度來改變壓縮機(jī)負(fù)載。

在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，單套設(shè)備日均處理氣量在480萬方左右，基本處于設(shè)計(jì)滿負(fù)荷500萬方/天的運(yùn)行狀態(tài)，在滿足溫度控制要求的情況下，丙烷壓縮機(jī)滑閥開度在10%～40%，由于負(fù)載過輕，經(jīng)濟(jì)器未投運(yùn)，丙烷電機(jī)運(yùn)行效率為40%～60%，空載能耗大。圖2為某月丙烷壓縮機(jī)電機(jī)運(yùn)行效率和滑閥開度統(tǒng)計(jì)情況。

圖2 電機(jī)運(yùn)行效率和滑閥開度

由圖2可以知，壓縮機(jī)的滑閥開度值和電機(jī)運(yùn)行效率值均較低。由于電機(jī)恒速運(yùn)行，在丙烷蒸發(fā)器丙烷量充足且控制溫度滿足實(shí)際生產(chǎn)需求的情況下，丙烷壓縮機(jī)滑閥長(zhǎng)期處于較小的開度，整個(gè)丙烷制冷系統(tǒng)運(yùn)行處在“大馬拉小車”的狀態(tài)下，系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率非常低。

（2）耗電量情況 該廠某月能耗情況如圖3所示。

圖3 能耗情況統(tǒng)計(jì)圖

由圖3可以看出，單臺(tái)丙烷制冷系統(tǒng)占處理廠總耗電量的33.97%，耗電量大。若能夠針對(duì)丙烷系統(tǒng)進(jìn)行合理的節(jié)能改造，使高壓電機(jī)在最優(yōu)經(jīng)濟(jì)當(dāng)量運(yùn)行，降低能源損耗，提高電機(jī)效率，將對(duì)該天然氣處理廠帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 節(jié)能改造措施及可行性分析

由于電機(jī)額定效率、空載損耗為固定值，因此，其運(yùn)行效率高低直接取決于負(fù)載率。國(guó)家對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)3個(gè)運(yùn)行區(qū)域作了如下規(guī)定：負(fù)載率在70%～100%之間為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)；負(fù)載率在40%～70%之間為一般運(yùn)行區(qū)；負(fù)載率在40%以下為非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)。結(jié)合丙烷電機(jī)在滿足實(shí)際生產(chǎn)需求同時(shí)負(fù)載率偏低的情況，研究變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用以提高丙烷電機(jī)運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

(1)轉(zhuǎn)速改變對(duì)電機(jī)運(yùn)行效率的影響 電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：

式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；f為定子繞組頻率；P為電機(jī)級(jí)數(shù)；s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率。

由上式可知，當(dāng)改變交流電機(jī)定子繞組供電頻率，電機(jī)轉(zhuǎn)速就可隨之變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)電極轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和控制。

電機(jī)效率計(jì)算公式如下：

式中：η為電機(jī)運(yùn)行效率；P1為電機(jī)輸出的軸功率；P2為電機(jī)輸入功率。

在實(shí)際的生產(chǎn)機(jī)械中，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載種類包括平方轉(zhuǎn)矩、恒轉(zhuǎn)矩、恒功率和粘滯性負(fù)載等幾類特性。典型的平方轉(zhuǎn)矩類型負(fù)載是風(fēng)機(jī)和水泵，其電機(jī)的輸入功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的3次方成正比關(guān)系，因此，在電機(jī)輸出功率相同的情況下，通過調(diào)節(jié)降低可大幅提高電機(jī)的運(yùn)行效率。

由于該廠丙烷電機(jī)正常生產(chǎn)過程中為恒速運(yùn)行，丙烷電機(jī)運(yùn)行效率為40%～60%，空載能耗大，因此在不改變現(xiàn)有電機(jī)等配套設(shè)施的前提下，考慮加裝變頻調(diào)速裝置，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來提高電機(jī)效率，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

(2)高壓變頻調(diào)速技術(shù)原理 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為變頻率的電能控制裝置。

高壓變頻調(diào)速主要是采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)或者IGBT元件直接串聯(lián)高壓變頻器等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)的高功率輸出，同時(shí)消除對(duì)電網(wǎng)諧波的污染。圖4為帶有旁路系統(tǒng)的工作原理圖。

圖4 帶有旁路系統(tǒng)的工作原理圖

主要技術(shù)指標(biāo)：①效率：≥96%；②輸出電壓范圍3kV～11kV；③輸入電流諧波總含量：≤4%；④輸入功率因數(shù)：≥0.95。

目前國(guó)內(nèi)外高壓電機(jī)變頻調(diào)速方法多種多樣，其中高-高式直接高壓變頻器是將高壓電源經(jīng)高壓開關(guān)柜直接送至高壓變頻器，變頻高壓后直接供電給高壓電機(jī)定子，其具有技術(shù)先進(jìn)、效率高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，是高壓變頻器的主要發(fā)展方向。

（3）丙烷壓縮機(jī)組變頻調(diào)速的可行性分析 國(guó)內(nèi)外高壓變頻調(diào)速裝置種類繁多，技術(shù)也相對(duì)比較成熟，以美國(guó)施耐德ATV1200 10kV高壓變頻器為例，其在三門核電站海水膜反滲透升壓泵變頻調(diào)速及包頭鋼鐵集團(tuán)風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速等工程中，節(jié)能降耗得到了很好的應(yīng)用。

美國(guó)施耐德ATV1200-A700-1010采用多電平串聯(lián)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)高壓輸出，主要包括變頻柜、功率柜和控制柜三部分，如圖5所示。

圖5 變頻器組成部分

主要技術(shù)指標(biāo)如下：①輸出電流：40A；②適用電機(jī)功率：560kW；③變壓器容量：700kVA；④電壓等級(jí)：10kV±10%；⑤頻率分辨率：0.01Hz；⑥輸入電流諧波總含量：＜2%；⑦變頻器過載能力：120%/分鐘，每10分鐘允許過載1次；⑧可以設(shè)定并調(diào)節(jié)被控量(比如壓力、流量等)的期望值，變頻器將根據(jù)被控量的實(shí)際值，按照系統(tǒng)設(shè)定的PID參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使被控量的實(shí)際值自動(dòng)跟隨期望值；⑨主電源瞬時(shí)掉電5個(gè)周期內(nèi)可滿載運(yùn)行不跳閘，掉電10s內(nèi)不停機(jī)，最大限度維持運(yùn)行；⑩電網(wǎng)掉電，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)電網(wǎng)恢復(fù)正常，變頻器可自行啟動(dòng)。可以自動(dòng)識(shí)別并跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)無沖擊再起動(dòng)，恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)；⑾變頻器輸出可以和電網(wǎng)同步，實(shí)現(xiàn)工頻無擾切換功能； 滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用需求。

（4）丙烷壓縮機(jī)組變頻調(diào)速改造措施 ①由于該廠3套裝置分別獨(dú)立運(yùn)行，因此考慮采用一拖一運(yùn)行模式，即一臺(tái)電機(jī)配備一臺(tái)變頻器，則需購(gòu)置三套高壓變頻系統(tǒng)，主回路簡(jiǎn)圖如圖6所示；

圖6 一拖一主回路簡(jiǎn)圖

②丙烷電機(jī)供電由10kV配出柜出線至電容補(bǔ)償柜后直接接入丙烷電機(jī)，改造后電容補(bǔ)償柜出線需接入變頻柜，由變頻柜出線至丙烷電機(jī)；

③變頻器并列安裝，每套控制變頻器底部開挖1200mm電纜溝，由于單套設(shè)備長(zhǎng)寬高為3960×1600×2670mm，其前維護(hù)空間不得小于1500mm，后維護(hù)空間不得小于800mm，頂部維護(hù)空間不得小于500m，因此新建變頻控制室長(zhǎng)寬高至少為10100×4960×3170mm，且頂部安裝導(dǎo)風(fēng)罩，以滿足后期維護(hù)及變頻器散熱需求；

④ATV1200-A700-1010型變頻器運(yùn)行頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速等各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)輸出4-20mA 信號(hào)，采用RS-485 Modbus協(xié)議接入控制室串口服務(wù)器，通過以太網(wǎng)與PKS系統(tǒng)無縫連接，中控界面遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

⑤當(dāng)出現(xiàn)變壓器超溫、模擬輸入信號(hào)缺失、功率單元旁路運(yùn)行等故障時(shí)，DCS系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，在中控界面顯示報(bào)警信息，確保變頻器故障時(shí)可以及時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示。

(5)改造投資成本回收預(yù)測(cè) 施耐德ATV1200型10kV高壓變頻器在20%～100%的速度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)輸入功率因數(shù)大于等于0.96%，逆變器效率大于等于98.5%，變頻改造普遍節(jié)電率在20%～40%。若按最低20%計(jì)算，僅5月份單套丙烷電機(jī)節(jié)電約224280kWh×20%=44856kWh，則全年節(jié)電約538272kWh，工業(yè)用電按0.52元/kWh計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)279901.44元。

所選高壓變頻器單臺(tái)采購(gòu)成本約42萬元，則由以上數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)兩年左右可回收設(shè)備投資成本。

4 結(jié)語(yǔ)

丙烷壓縮機(jī)電機(jī)變頻改造，取消了滑閥的節(jié)流控制，采用高壓變頻器根據(jù)負(fù)載情況對(duì)電機(jī)運(yùn)行速度自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高了電機(jī)的運(yùn)行效率，改善了目前丙烷電機(jī)“大馬拉小車”的現(xiàn)狀，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)軟啟動(dòng)，避免電機(jī)直接啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)、壓縮機(jī)等設(shè)備的沖擊，電機(jī)功率因數(shù)的提高，降低了無功損耗和諧波污染，給企業(yè)帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益。

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