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(duì)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(wèn)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(dòng)等方面對(duì)其應(yīng)用的可行性進(jìn)行了詳細(xì)闡述；同時(shí)，提出應(yīng)用時(shí)需解決額定工況點(diǎn)和控制變量如何選取的實(shí)際問(wèn)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(shì)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(tái)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(jí)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(kāi)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(guò)光纖對(duì)功率柜中的每1功率單元進(jìn)行整流、逆變控制與檢測(cè)，根據(jù)實(shí)際需要通過(guò)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(jí)。

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(duì)電動(dòng)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(duì)于變工況的應(yīng)用場(chǎng)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(wú)需引風(fēng)。對(duì)于恒轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)而言，在不需要引風(fēng)的時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，電流約為30%～50%電動(dòng)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(wú)需引風(fēng)時(shí)將電動(dòng)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(guò)程周期性變化的場(chǎng)合，對(duì)于油氣初加工裝置的連續(xù)恒定工況的生產(chǎn)過(guò)程是否適應(yīng)，就目前而言，國(guó)內(nèi)尚無(wú)應(yīng)用案例。以下從幾個(gè)方面對(duì)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(lái)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(gè)裝置的效率、效益。對(duì)于壓縮機(jī)的控制通常都是通過(guò)調(diào)節(jié)入口壓力、流量以及出口壓力來(lái)進(jìn)行，即對(duì)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(guò)改變管路特性曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，不但會(huì)增加操作難度以及員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也會(huì)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(guò)調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)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(guò)變頻器自動(dòng)對(duì)電動(dòng)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(wú)需操作人員頻繁地調(diào)節(jié)壓縮機(jī)入口閥開(kāi)度以及下游膨脹機(jī)入口噴嘴開(kāi)度，減少系統(tǒng)壓力波動(dòng)，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(dòng)機(jī)-離心式壓縮機(jī)運(yùn)行報(bào)表（表1）為例，說(shuō)明壓縮機(jī)組在正常工況時(shí)變頻器對(duì)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(shí)，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(shí)，變頻器輸出增加，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，電動(dòng)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(shí)，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(kāi)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(wèn)題[3]，但是機(jī)組的能耗會(huì)明顯增加，效率降低，裝置生產(chǎn)效益會(huì)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(wú)須開(kāi)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(zhǎng)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(dòng)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(guò)110%時(shí)，為防止電動(dòng)機(jī)過(guò)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(wú)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(wú)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(dòng)。由于受到自身特性的影響，三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流是其正常運(yùn)行時(shí)的4～7倍[5]；因此，為避免壓縮機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)載停車(chē)事故，目前均采用空載啟動(dòng)方式，而空載啟動(dòng)操作難度大，等到壓縮機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后再打開(kāi)入口閥需要克服巨大的阻力；若不能及時(shí)打開(kāi)很容易造成喘振停車(chē)，即使打開(kāi)對(duì)入口氣量的控制要求也很高，稍有不慎就可能造成過(guò)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(dòng)，即啟機(jī)前即可打開(kāi)壓縮機(jī)入口調(diào)節(jié)閥，啟機(jī)時(shí)通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速升高的幅度來(lái)控制電動(dòng)機(jī)不會(huì)過(guò)流，提高了操作的可靠性。

4　需要進(jìn)一步解決的問(wèn)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(shì)，但若真采用高壓變頻器還需解決如下問(wèn)題：

1）額定工況點(diǎn)選取。對(duì)于恒定轉(zhuǎn)速的壓縮機(jī)組而言，電動(dòng)機(jī)的額定功率、電流以及轉(zhuǎn)速等參數(shù)相對(duì)容易確定；但對(duì)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(duì)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的變量選取。目前國(guó)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(dòng)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(shí)間等，對(duì)于單變量的控制方案比較簡(jiǎn)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(gè)變量控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)法滿足生產(chǎn)需求，甚至造成不良后果；因此，如何選取電動(dòng)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(wèn)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(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)等方面對(duì)其可行性進(jìn)行了充分論述，得出了相對(duì)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(shí)，提出了需要解決的實(shí)際問(wèn)題，即對(duì)于額定工況點(diǎn)的選取需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的論證和理論計(jì)算后方能確定，對(duì)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)：

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（編輯王艷）

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收稿日期2015-11-25

作者簡(jiǎn)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(zhuān)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