LNG工廠制冷壓縮機(jī)高壓變頻系統(tǒng)效率探究

劉小輝

摘要：本文通過分析某LNG工廠制冷壓縮機(jī)高壓變頻系統(tǒng)的工作原理和實(shí)際工況，探究高壓變頻控制調(diào)速系統(tǒng)在進(jìn)氣量不同的載荷下，變頻器內(nèi)部損耗與工作效率之間的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)變頻器經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行，這對(duì)LNG工廠節(jié)能降耗有著重要意義。

關(guān)鍵詞：LNG工廠;制冷壓縮機(jī);高壓變頻系統(tǒng);效率

0 ?引言

隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)不斷發(fā)展，高壓變頻器具有控制準(zhǔn)，響應(yīng)速度快，安裝方便，節(jié)能效果顯著等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在大功率的制冷壓縮機(jī)的控制中。詳細(xì)的梳理制冷壓縮機(jī)高壓變頻系統(tǒng)的組成以及工作原理，分析制冷壓縮機(jī)在不同負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行工況，明確系統(tǒng)損耗與工作效率之間的關(guān)系，有利于促進(jìn)冷劑壓縮機(jī)經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行[1]。

1 ?高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)概述

1.1 離心式制冷壓縮機(jī)簡(jiǎn)述

制冷壓縮機(jī)作為L(zhǎng)NG液化單元的核心設(shè)備，當(dāng)天然氣供應(yīng)量發(fā)生波動(dòng)時(shí)，工藝參數(shù)需要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，因此只有采用高壓變頻器調(diào)節(jié)系統(tǒng)才能滿足生產(chǎn)工藝要求。目前，在LNG生產(chǎn)中，制冷壓縮機(jī)電機(jī)主要使用10kV正壓型三相異步電動(dòng)機(jī)，采用變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)。

在LNG生產(chǎn)過程中，制冷壓縮機(jī)運(yùn)行功率約為全廠負(fù)荷的69%，耗能高。在當(dāng)前綠色環(huán)保理念下，選擇合適的變頻器，并根據(jù)生產(chǎn)嚴(yán)格控制高壓變頻系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，才能提高設(shè)備利用率，獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。某LNG工廠的離心式制冷壓縮機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1。

1.2 工作原理

高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要存在于高壓電源與高壓電動(dòng)機(jī)之間，是變頻調(diào)速設(shè)備。其具有運(yùn)行性能安全，安裝簡(jiǎn)單方便的優(yōu)勢(shì)，被廣泛的運(yùn)用在大型工廠中。該設(shè)備的運(yùn)用，在滿足工廠生產(chǎn)需求的同時(shí)，也提升了工廠系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。自動(dòng)化水平的提升，對(duì)工廠的節(jié)能減排有著重要的意義。在高壓變頻系統(tǒng)中，其主要通過高壓進(jìn)線斷路器IQF與母線電網(wǎng)進(jìn)行連接，與此同時(shí)，母線電壓要經(jīng)過多組副邊繞組處理，達(dá)到降壓的處理效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)移相。最終輸入到高壓變頻器中，為高壓電動(dòng)機(jī)供電工作[2]。

2 ?高壓變頻器的組成

2.1 功率單元

高壓變頻器的功率單元主要由整流斬波模塊和兩個(gè)相模塊組成。相模塊的主電路主要由緩沖電路、殼體、接插板、2只IEGT、2只續(xù)流二極管組成;整流部分為三項(xiàng)二極管整流橋。主要由風(fēng)冷散熱器、殼體、接插板以及6只整流二極管組成。上述器件共同組成了功率單元，在功率電源中所產(chǎn)生的波形正弦度良好，對(duì)電機(jī)的影響較小，同時(shí)也降低了電機(jī)的諧波損耗[3]。

2.2 輸入移相變壓器

在高壓變頻器中存在的移相變壓器，移相變壓器原邊額定輸入電壓為10kV。移相變壓器的運(yùn)用旨在實(shí)現(xiàn)多重化整流，同時(shí)減少高壓變頻器的輸入諧波。移相變壓器的副邊額定輸出電壓為1.80kV。為了實(shí)現(xiàn)變壓器一次側(cè)、二次側(cè)線電壓的相位偏移，移相變壓器主要通過二次移相6個(gè)電角度得以實(shí)現(xiàn)的。為了消除諧波的影響，移相變壓器與高壓變頻器中各個(gè)功率單元的二極管整流橋構(gòu)成36脈波整流，最終達(dá)到消除諧波影響的目的。而且輸入電流的總諧波含量較低，改善了電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量，為工廠工作運(yùn)行提供高質(zhì)量電源[4]。

2.3 控制系統(tǒng)

高壓變頻器所采用的控制系統(tǒng)為數(shù)字化系統(tǒng)，其主要將工廠現(xiàn)場(chǎng)工作的實(shí)際情況反映到控制機(jī)中，并且可以充分利用控制機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊、開環(huán)、閉環(huán)等控制功能進(jìn)行控制[5]。

3 ?高壓變頻器的工作效率分析

高壓變頻器的損耗主要由移相變壓器產(chǎn)生的損耗和功率單元的電力電子元件損耗還有通風(fēng)散熱系統(tǒng)損耗以及控制回路損耗四部分組成。其中，控制回路損耗及通風(fēng)散熱系統(tǒng)損耗與負(fù)荷大小無關(guān)，功率單元的電力電子元件損耗和負(fù)荷關(guān)聯(lián)比較復(fù)雜，然而移相變壓器受負(fù)荷波動(dòng)較為敏感。

高壓變頻變壓器損耗計(jì)算公式：

有功損耗：

無功損耗：

綜合功率損耗：

其中，空載損耗為P0，單位為kW;額定負(fù)載損耗為PK，單位為kW;空載無功損耗Q0，單位為kvar;額定負(fù)載漏磁功率QK，單位為kvar;變壓器空載電流百分比I0%，短路電壓百分比為UK%，負(fù)載波動(dòng)損耗系數(shù)為KT，無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量KQ，單位kW/kvar。

制冷壓縮機(jī)的高壓變頻器運(yùn)行過程中，應(yīng)測(cè)量其在不同天然氣負(fù)荷率中的實(shí)際耗能，以M制冷壓縮機(jī)高壓變頻器為例，計(jì)算得出高壓變頻器的實(shí)際工作效率。制冷壓縮機(jī)高壓變頻器工作運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)功率為：若是高壓變頻器的負(fù)載率為80%時(shí)，其工作效率能夠達(dá)到98.95%;若是高壓變頻器的負(fù)載率為90%時(shí)，其工作效率能夠達(dá)到98.96%;若是高壓變頻器的負(fù)載率為100%時(shí)，其工作效率能夠達(dá)到98.97%。

通過對(duì)實(shí)際工作中高壓變頻器運(yùn)行工作效率進(jìn)行計(jì)算，將相關(guān)數(shù)據(jù)以及參數(shù)匯總?cè)绫?、圖1。

由此可知，當(dāng)天然氣負(fù)荷率在82%時(shí)，M制冷壓縮機(jī)高壓變頻器輸出功率為額定功率的99.6%，此時(shí)高壓變頻器的節(jié)能效果良好。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在LNG生產(chǎn)中，選擇合適的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，既能實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效，提升經(jīng)營(yíng)效益;又能保障設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。研究LNG工廠制冷壓縮機(jī)高壓變頻器系統(tǒng)技術(shù)，有利于促進(jìn)LNG工廠的持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢永剛，井帥，孫明燁，等.LNG冷劑壓縮機(jī)系統(tǒng)專項(xiàng)應(yīng)力分析的應(yīng)用和探討[C].2017中國(guó)燃?xì)膺\(yùn)營(yíng)與安全研討會(huì)，2017.

[2]劉佳，白改玲.中小型天然氣液化工廠BOG壓縮機(jī)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2017（2）：60-64.

[3]何俊，陶樂仁，虞中旸.VRF制冷系統(tǒng)過熱度振蕩對(duì)壓縮機(jī)熱力性能影響[J].化學(xué)工程，2018（5）：23-27.

[4]王崇亮，張帥，李前舸，等.壓縮機(jī)性能試驗(yàn)系統(tǒng)的故障檢測(cè)及可靠性研究[J].制冷技術(shù)，2019（3）：22-29.

[5]甘海龍.新型噴油螺桿壓縮機(jī)在煤層氣制LNG中的應(yīng)用[J].能源與環(huán)保，2017（11）：111-114.