高壓變頻器在油氣初加工裝置應(yīng)用的可行性分析

孫勝勇（大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司）

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高壓變頻器在油氣初加工裝置應(yīng)用的可行性分析

孫勝勇（大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司）

摘要：針對油氣初加工裝置壓縮機(jī)組運(yùn)行中能耗較高且啟機(jī)操作難度較大的實(shí)際問題，結(jié)合高壓變頻器在其他行業(yè)的應(yīng)用情況，提出高壓變頻器在油氣初加工裝置應(yīng)用的想法，分別從變頻器自身可靠性、變頻器調(diào)節(jié)裝置工藝參數(shù)、變頻器節(jié)能以及變頻器的帶負(fù)荷啟動等方面對其應(yīng)用的可行性進(jìn)行了詳細(xì)闡述；同時，提出應(yīng)用時需解決額定工況點(diǎn)和控制變量如何選取的實(shí)際問題，并給出初步的解決思路，得出了高壓變頻器在油氣初加工裝置中完全可以應(yīng)用并比常規(guī)控制更具優(yōu)勢的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：油氣初加工裝置；高壓變頻器；調(diào)節(jié)參數(shù)；控制變量；節(jié)能

1　高壓變頻器工作原理

高壓變頻器是指輸入電源電壓在3 kV以上的大功率變頻器，是一種串聯(lián)疊加性高壓變頻器，即采用多臺單相三電平逆變器串聯(lián)連接，輸出可變頻變壓的高壓交流電[1]。主要有3、3.3、6、6.6、10 kV等電壓等級的高壓大功率變頻器。

高壓變頻器通常由移相變壓器、功率、控制單元3部分組成，如圖1所示。三相高壓電經(jīng)高壓開關(guān)柜進(jìn)入，經(jīng)輸入降壓、移相給功率單元柜內(nèi)的功率單元供電，功率單元分為3組，1組為一相，每相的功率單元的輸出首尾相串。主控制柜中的控制單元通過光纖對功率柜中的每1功率單元進(jìn)行整流、逆變控制與檢測，根據(jù)實(shí)際需要通過操作界面進(jìn)行頻率的給定，控制單元把控制信息發(fā)送到功率單元進(jìn)行相應(yīng)的整流、逆變調(diào)整，輸出滿足負(fù)荷需求的電壓等級。

圖1　高壓變頻器結(jié)構(gòu)示意圖

2　高壓變頻器應(yīng)用領(lǐng)域

高壓變頻器應(yīng)用范圍廣泛，主要涉及到電力、冶金、石油石化等行業(yè)，如電力行業(yè)的給水泵、灰漿泵等[2]；冶金行業(yè)的引風(fēng)機(jī)、進(jìn)料泵、高爐鼓風(fēng)機(jī)等；石油石化行業(yè)的注水泵、管道泵、氣體壓縮機(jī)等。

應(yīng)用高壓變頻器對電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的最大好處是可以達(dá)到節(jié)能的目的，尤其是對于變工況的應(yīng)用場合節(jié)能效果更為明顯。以南京鋼鐵集團(tuán)公司的2300 kW焦?fàn)t引風(fēng)機(jī)為例，為滿足工藝需求該引風(fēng)機(jī)需周期性工作，25 min需要滿負(fù)荷引風(fēng)，20 min無需引風(fēng)。對于恒轉(zhuǎn)速電動機(jī)而言，在不需要引風(fēng)的時間內(nèi)電動機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，電流約為30%～50%電動機(jī)額定電流，這部分電流不是做有用功，而是機(jī)械在額定轉(zhuǎn)速下的空轉(zhuǎn)損耗。而應(yīng)用高壓變頻器后，完全可以在無需引風(fēng)時將電動機(jī)轉(zhuǎn)速降到30%以下，從而達(dá)到節(jié)能的目的。根據(jù)計(jì)算，應(yīng)用高壓變頻器后，焦?fàn)t引風(fēng)機(jī)組的綜合能耗下降30%，節(jié)能效果明顯。

3　油氣初加工裝置如何應(yīng)用高壓變頻器

高壓變頻器通常應(yīng)用在工藝生產(chǎn)過程周期性變化的場合，對于油氣初加工裝置的連續(xù)恒定工況的生產(chǎn)過程是否適應(yīng)，就目前而言，國內(nèi)尚無應(yīng)用案例。以下從幾個方面對其應(yīng)用的可行性進(jìn)行闡述。

1）高壓變頻器自身可靠性。從高壓變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域以及技術(shù)成熟度上來看，應(yīng)用范圍廣，性能穩(wěn)定，故障率低，且變頻器自身也采用了冗余技術(shù)和完備的保護(hù)措施，就自身可靠性而言完全能夠勝任油氣加工裝置的生產(chǎn)要求。

2）高壓變頻器節(jié)能與工藝參數(shù)調(diào)節(jié)。作為油氣初加工裝置的核心設(shè)備，原料氣壓縮機(jī)（離心機(jī)）運(yùn)行情況的優(yōu)劣直接影響整個裝置的效率、效益。對于壓縮機(jī)的控制通常都是通過調(diào)節(jié)入口壓力、流量以及出口壓力來進(jìn)行，即對于恒轉(zhuǎn)速的離心式壓縮機(jī)而言，若想改變機(jī)組的工作點(diǎn)，只能通過改變管路特性曲線來實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，不但會增加操作難度以及員工的勞動強(qiáng)度，同時也會造成不必要的能量損失。若能應(yīng)用高壓變頻裝置，即可通過調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速來改變工作點(diǎn)，進(jìn)而滿足生產(chǎn)需求。當(dāng)裝置負(fù)荷在70%～110%的工況下，可通過變頻器自動對電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行微調(diào)，保證壓縮機(jī)出口壓力恒定，而無需操作人員頻繁地調(diào)節(jié)壓縮機(jī)入口閥開度以及下游膨脹機(jī)入口噴嘴開度，減少系統(tǒng)壓力波動，保證裝置運(yùn)行的平穩(wěn)性。以中石油西氣東輸邳州壓氣站的高壓變頻調(diào)節(jié)異步電動機(jī)-離心式壓縮機(jī)運(yùn)行報(bào)表（表1）為例，說明壓縮機(jī)組在正常工況時變頻器對壓縮機(jī)出口壓力隨壓縮機(jī)入口壓力變化的調(diào)節(jié)作用。從運(yùn)行報(bào)表及生成的曲線中可以看到，當(dāng)裝置負(fù)荷在正常范圍內(nèi)時，為了保證壓縮機(jī)出口壓力穩(wěn)定，當(dāng)壓縮機(jī)進(jìn)口壓力降低時，變頻器輸出增加，電動機(jī)轉(zhuǎn)速升高，電動機(jī)電流隨之增大。因此，在此工況下，高壓變頻器的作用主要體現(xiàn)在調(diào)節(jié)工藝系統(tǒng)參數(shù)（圖3）。

圖2　離心式壓縮機(jī)工作點(diǎn)示意圖

當(dāng)裝置負(fù)荷降至70%以下時，為了維持機(jī)組的正常運(yùn)行，防止壓縮機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)，目前通用的操作方法是適當(dāng)打開壓縮機(jī)回流閥，壓縮機(jī)出口的部分氣體返回入口雖然能夠解決喘振問題[3]，但是機(jī)組的能耗會明顯增加，效率降低，裝置生產(chǎn)效益會下降。若能應(yīng)用高壓變頻裝置在保證入口流量不變的情況下適當(dāng)降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，即可使壓縮機(jī)工作點(diǎn)脫離喘振區(qū)（圖4），使得壓縮機(jī)無須開回流便能正常運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能的目的。由于離心式壓縮機(jī)為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即軸功率與轉(zhuǎn)速變化的立方成正比，若裝置長期在低負(fù)荷下運(yùn)行，應(yīng)用高壓變頻器節(jié)能效果將非常顯著。

表1　邳州壓氣站電動機(jī)－離心式壓縮機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

圖3　邳州壓氣站運(yùn)行參數(shù)曲線

圖4　離心式壓縮機(jī)喘振曲線

當(dāng)裝置負(fù)荷超過110%時，為防止電動機(jī)過載，目前，只能將壓縮機(jī)入口調(diào)節(jié)閥適當(dāng)關(guān)小以降低負(fù)荷，這樣操作的弊端是壓縮機(jī)入口的壓力能無法有效利用，造成能量浪費(fèi)，不利于裝置整體運(yùn)行效益的提升。若應(yīng)用高壓變頻器適當(dāng)降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，而無須關(guān)小入口調(diào)節(jié)閥，不但機(jī)組自身能耗下降，還可以利用壓縮機(jī)的入口壓力能，達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能的效果[4]。

3）高壓變頻器帶負(fù)荷啟動。由于受到自身特性的影響，三相異步電動機(jī)啟動時的電流是其正常運(yùn)行時的4～7倍[5]；因此，為避免壓縮機(jī)在啟動過程中出現(xiàn)過載停車事故，目前均采用空載啟動方式，而空載啟動操作難度大，等到壓縮機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后再打開入口閥需要克服巨大的阻力；若不能及時打開很容易造成喘振停車，即使打開對入口氣量的控制要求也很高，稍有不慎就可能造成過載。若采用高壓變頻器便可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)帶負(fù)荷啟動，即啟機(jī)前即可打開壓縮機(jī)入口調(diào)節(jié)閥，啟機(jī)時通過控制電動機(jī)和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速升高的幅度來控制電動機(jī)不會過流，提高了操作的可靠性。

4　需要進(jìn)一步解決的問題

綜上所述，高壓變頻器在油氣初加工裝置中應(yīng)用較傳統(tǒng)控制是有較大的優(yōu)勢，但若真采用高壓變頻器還需解決如下問題：

1）額定工況點(diǎn)選取。對于恒定轉(zhuǎn)速的壓縮機(jī)組而言，電動機(jī)的額定功率、電流以及轉(zhuǎn)速等參數(shù)相對容易確定；但對于變頻控制的壓縮機(jī)組而言，要考慮裝置在不同工況下的運(yùn)行調(diào)節(jié)，既能保證對裝置參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，又能實(shí)現(xiàn)良好的節(jié)能效果；因此，需要設(shè)計(jì)人員、壓縮機(jī)廠家和使用單位進(jìn)一步結(jié)合、論證方能確定。

2）控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化的變量選取。目前國內(nèi)應(yīng)用高壓變頻器進(jìn)行生產(chǎn)控制的企業(yè)，所選取的控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化的控制量均為單變量，如壓縮機(jī)出口壓力、傾斜角度、運(yùn)行時間等，對于單變量的控制方案比較簡單，很容易實(shí)現(xiàn)。但由于油氣初加工裝置的生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，僅僅以單個變量控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速無法滿足生產(chǎn)需求，甚至造成不良后果；因此，如何選取電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制變量是實(shí)際應(yīng)用中至關(guān)重要的問題。初步的想法是，根據(jù)裝置進(jìn)氣壓力、壓縮機(jī)入口流量、壓縮機(jī)出口壓力以及裝置制冷溫度等參數(shù)的協(xié)調(diào)配合來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)對裝置的整體調(diào)節(jié)。

5　結(jié)論

從降低油氣初加工裝置大型機(jī)組能耗和裝置操作難度的角度出發(fā)，提出了應(yīng)用高壓變頻器的設(shè)想，并從變頻器自身可靠性、變頻器調(diào)節(jié)裝置工藝參數(shù)、變頻器節(jié)能以及變頻器帶負(fù)荷啟動等方面對其可行性進(jìn)行了充分論述，得出了相對于傳統(tǒng)控制而言，變頻器調(diào)節(jié)更加可靠、高效的結(jié)論，完全能夠應(yīng)用在油氣初加工裝置中；同時，提出了需要解決的實(shí)際問題，即對于額定工況點(diǎn)的選取需要經(jīng)過嚴(yán)密的論證和理論計(jì)算后方能確定，對于控制變量的選取可在實(shí)際應(yīng)用中不斷進(jìn)行修正，最終找到最佳運(yùn)行點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周昆.淺析高壓變頻的基本原理及應(yīng)用領(lǐng)域[J].科技創(chuàng)業(yè)，2010，20（12）：211-212.

[2]胡松如，李遵基.高壓變頻調(diào)速控制節(jié)能原理分析[J].中國電力，2003，36（1）：67-68.

[3]鄭水成，董愛娜.離心式壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].石油化工自動化，2004，18（5）：16-17.

[4]姚春東.離心式壓縮機(jī)調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能率計(jì)算及優(yōu)化[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2004，20（6）：4-7.

[5]黃建龍.軟啟動器及其應(yīng)用[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2006，25（5）：8-19.

（編輯王艷）

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收稿日期2015-11-25

作者簡介：孫勝勇，工程師，2008年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院（控制理論與控制工程專業(yè)），現(xiàn)從事油田伴生氣初加工技術(shù)管理工作，E-mail：sunshengyong@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市薩爾圖區(qū)油氣加工七大隊(duì)，163416。

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.02.005