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應(yīng)用設(shè)計(jì)

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利德華福超大功率高壓變頻器在中盈化肥壓縮機(jī)中的應(yīng)用

利德華福超大功率高壓變頻器在中盈化肥壓縮機(jī)中的應(yīng)用

  項(xiàng)目概述:   安陽(yáng)中盈化肥80萬(wàn)噸尿素項(xiàng)目2010年7月由上級(jí)政府部門(mén)批準(zhǔn)備案,地點(diǎn)設(shè)在滑縣,計(jì)劃建設(shè)周期為2010年7月—2012年12月,所采用的清潔生產(chǎn)工藝技術(shù)是世界領(lǐng)先的,氣化工序采用世界上先進(jìn)的水煤漿氣化技術(shù);凈化工序采用耐硫變換、低溫甲醇洗、液氮洗及進(jìn)口硫回收技術(shù);氨合成工序采用瑞士卡薩利低壓合成工藝;尿素合成工序采用進(jìn)口CO2氣提法工藝。整個(gè)系統(tǒng)中核心技術(shù)是世界最先進(jìn)的,工程配置是最優(yōu)化的,能量系統(tǒng)是最合理的,生產(chǎn)成本必將也是最低的,建成后將是目前河南省最大的一套尿素生產(chǎn)裝置。 生產(chǎn)合成氨的基本過(guò)程如下方框圖表示:

  其生產(chǎn)工藝中合成氣壓縮機(jī)、二氧化碳?jí)嚎s機(jī)和氨氣壓縮機(jī)均采用利德華福高壓變頻器驅(qū)動(dòng)。下面就氨氣壓縮機(jī)為例做具體介紹   工藝原理及流程簡(jiǎn)述:   氨冷凍主要是通過(guò)典型的壓縮制冷循環(huán)(壓縮→冷凝→節(jié)流→蒸發(fā)),將液氨這一良好的冷凍劑(其蒸發(fā)潛熱大)循環(huán)使用,從而為不同的用戶(hù)提供不同冷凍等級(jí)的冷量,同時(shí)回收氨冷用戶(hù)因換熱而產(chǎn)生的氣氨,通過(guò)再次升壓、降溫得到液氨供氨冷用戶(hù)循環(huán)使用。

(現(xiàn)場(chǎng)工況圖)

  氨壓縮機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng),電機(jī)與壓縮機(jī)機(jī)之間由齒輪箱連接,通過(guò)大小齒輪數(shù)176/29速比6.069來(lái)控制調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速,電機(jī)轉(zhuǎn)速由利德華福高壓變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制,變頻器將工頻50Hz的電源轉(zhuǎn)換為0-50Hz的頻率電源來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,電機(jī)轉(zhuǎn)速為1490 r/min根據(jù)速比使壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制在9043r/min這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)做功。   重要參數(shù):   一、氨壓縮機(jī)組主要參數(shù):   序號(hào) 項(xiàng)目 單位 數(shù)值 備注   1  低壓缸一段入口流量 Nm3/h 30910    2  低壓缸一段進(jìn)口壓力 MPa(A) 0.065    3  低壓缸一段進(jìn)口溫度 ℃ -38    4  低壓缸一段出口壓力 MPa 0.266    5  低壓缸一段出口溫度 ℃ 79.9    6  高壓缸一段入口流量 Nm3/h 74003    7  高壓缸一段進(jìn)口壓力 MPa 0.264    8  高壓缸一段進(jìn)口溫度 ℃ 27.5    9  高壓缸一段出口壓力 MPa 0.581    10  高壓缸一段出口溫度 ℃ 99.3    11  高壓缸二段入口流量 Nm3/h 110733    12  高壓缸二段進(jìn)口壓力 MPa 0.557    13  高壓缸二段進(jìn)口溫度 ℃ 30.7    14  高壓缸二段出口壓力 MPaA 1.759    15  高壓缸二段出口溫度 ℃ 139.1    16  額定功率 KW 9920    17  正常功率SOR/EOR KW 8800/8790    18  壓縮機(jī)額定工作轉(zhuǎn)速 Rpm 9014    19  最大可調(diào)轉(zhuǎn)速 Rpm 9043    20  最小可調(diào)轉(zhuǎn)速 Rpm 6761    21  低壓缸第一臨界轉(zhuǎn)速 Rpm 3158    22  高壓缸第一臨界轉(zhuǎn)速 Rpm 3107    23  旋向方向   從驅(qū)動(dòng)側(cè)看順時(shí)針   24  潤(rùn)滑油牌號(hào)   GB11120-N46 透平油

(壓縮機(jī))

  二、電機(jī)參數(shù):   額定功率:11000KW   額定電流:731A   額定電壓:10KV   額定轉(zhuǎn)速:1490 r/min   額定頻率50HZ   功率因數(shù)0.90   效率96.5%   最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)1.8   堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)4.5   堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)0.6

 (高壓電機(jī))

  三、增速箱的參數(shù):   額定齒輪箱功率:11000 KW   額定轉(zhuǎn)速 輸入/輸出:1490/9043   齒輪齒數(shù) 大齒輪/小齒輪:176/29   實(shí)際使用能效系數(shù):1.45   四、變頻器原理、技術(shù)參數(shù)、系統(tǒng)方案及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行   (1) 變頻調(diào)速原理   按照電機(jī)學(xué)的基本原理,電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足如下的關(guān)系式:   n=(1-s)60f/ P =n0×(1-s)   式中:P-電機(jī)極對(duì)數(shù);f-電機(jī)運(yùn)行頻率;s-滑差。   從式中看出,電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0正比于電機(jī)的運(yùn)行頻率(n0=60f/p),由于滑差s一般情況下比較?。?-0.05),電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n約等于電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0,所以調(diào)節(jié)了電機(jī)的供電頻率f,就能改變電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。   而改變頻率必須改變供電電壓,由交流電機(jī)成立的電磁關(guān)系式:   E=4.44fwΦ   式中:E-電機(jī)電動(dòng)勢(shì),f-定子頻率,W-繞組系數(shù),Φ-氣隙主磁通。 對(duì)異步電機(jī)調(diào)速時(shí),希望主磁通Φ恒定,即U/F保持恒定,所以改變頻率時(shí),供電電壓也應(yīng)跟著變化。

(高壓變頻器)

  (2)變頻器主要參數(shù):   額定容量 6900×2KVA   額定輸出電流 730A   額定電壓10KV;   最高電壓11KV;   電壓正常變化范圍(1±10%)un;   額定頻率50HΖ;   頻率變化范圍±0.2HΖ;   電動(dòng)機(jī)成組自起時(shí),母線電壓65% un;   最大一臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)時(shí),母線電壓80% un;   10KV母線側(cè)短路電流40kA(有效值)100kA(峰值);   中性點(diǎn):經(jīng)消弧線圈方式接地。   (3)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。選用利德華福電壓源型單元串聯(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(chē)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(lài)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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。   (4)、協(xié)調(diào)控制、調(diào)速及狀態(tài)   控制邏輯系統(tǒng)采用變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)(IECS協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)柜)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。   變頻轉(zhuǎn)速控制信號(hào)為3點(diǎn)互為冗余,變頻器根據(jù)3個(gè)頻率接入信號(hào)進(jìn)行3取中處理后進(jìn)行變頻器頻率輸出調(diào)節(jié)。當(dāng)有其中一路頻率給定指令中斷或超量程后,變頻器自動(dòng)選擇另外倆路正常的信號(hào)2取中,當(dāng)變頻器給定頻率信號(hào)完全丟失時(shí),變頻器可設(shè)定掉線保持或最大、最小或停車(chē)等運(yùn)行模式,保證在給定信號(hào)完全丟失的情況下,仍能夠安全處理,最大限度的保證生產(chǎn)調(diào)節(jié)的連續(xù)性。   變頻器除了向用戶(hù)輸出DO、AO等硬連線傳輸變頻器所有狀態(tài),還預(yù)留MODBUS通訊接口,可傳輸變頻器內(nèi)部變量包括:變頻器輸入電壓、輸出電壓、輸入電流、輸出電流、給定頻率、運(yùn)行頻率、變壓器溫度、變頻器報(bào)警、故障和運(yùn)行狀態(tài),以滿(mǎn)足用戶(hù)多元化要求。

(變頻協(xié)調(diào)控制柜

  (5)、配套應(yīng)用技術(shù)   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,空-水冷系統(tǒng)具有進(jìn)水口壓力和出水口壓力檢測(cè)報(bào)警,進(jìn)水口溫度出水口溫度檢測(cè)報(bào)警和流量調(diào)節(jié)控制,空-水冷系統(tǒng)的壓力、水溫、流量用戶(hù)在遠(yuǎn)程可實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)。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。

 ( 空-水冷系統(tǒng))

 ?。?)、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況   6.1、電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)、軟停車(chē),電機(jī)啟動(dòng)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電流,啟動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng),對(duì)電網(wǎng)沖擊很小。   6.2、相比傳統(tǒng)啟動(dòng)方式,采用變頻啟動(dòng)壓縮機(jī)出入口壓力差降低了很多,從而減輕了起動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)機(jī)械損傷,降低了噪音,有效的延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命,相應(yīng)地延長(zhǎng)了許多零部件的壽命;同時(shí)極大的減輕了對(duì)管道的沖擊,有效延長(zhǎng)了管道的檢修周期,減少了檢修維護(hù)開(kāi)支,節(jié)約大量維護(hù)費(fèi)用。   6.3、實(shí)現(xiàn)了電機(jī)平穩(wěn)無(wú)極調(diào)速,提高了生產(chǎn)工藝精度。

(現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖片)

  節(jié)能效益   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)”。   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

  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。   結(jié)束語(yǔ)   通過(guò)對(duì)就以上合成氨裝置壓縮機(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(mǎn)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。該項(xiàng)目的成功投運(yùn)也證實(shí)了利德華福在超大功率變頻器技術(shù)上具有更大的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì),完美的配套解決方案優(yōu)勢(shì),進(jìn)一步奠定了利德華福作為高壓變頻龍頭老大地位。

  參考文獻(xiàn):   《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》 劉軍祥   《.高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)HARSVERT-A系列技術(shù)手冊(cè)》 北京利德華福電氣技術(shù)有限公司   《合成氨工藝培訓(xùn)手冊(cè)》     用戶(hù)李保國(guó)提供

                         

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王靜
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