謝福志

（德希尼布工程咨詢（上海）有限公司，上海200031）

0 引言

LNG（Liquefied Natural Gas，液化天然氣）是一種清潔能源。天然氣經(jīng)過(guò)輸氣管道進(jìn)入LNG工廠，原料氣在經(jīng)過(guò)壓縮增壓、脫酸、脫水、脫重?zé)N、脫汞等預(yù)處理后，由混合制冷劑壓縮系統(tǒng)提供冷量，最后在主低溫?fù)Q熱器中經(jīng)過(guò)預(yù)冷和制冷至-162℃并液化成LNG。

混合制冷劑壓縮機(jī)是LNG項(xiàng)目的關(guān)鍵設(shè)備之一。在大型LNG項(xiàng)目或海上LNG項(xiàng)目，因?yàn)殡娫吹南拗?，壓縮機(jī)通常采用蒸汽透平或燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)陸上建設(shè)的中小型LNG項(xiàng)目越來(lái)越多，由于供電比較方便、穩(wěn)定，這些壓縮機(jī)通常采用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，日處理天然氣1.5×106～3×106m3的單條LNG生產(chǎn)線，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率為19 000～35 000 kW。

對(duì)于大功率電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，通常要關(guān)注電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速問(wèn)題。目前，在LNG行業(yè)，大功率電動(dòng)機(jī)常用的啟動(dòng)方式有自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)、軟啟動(dòng)和變頻器啟動(dòng)。對(duì)于壓縮機(jī)的調(diào)速方式，主要有液力耦合器調(diào)速和變頻調(diào)速。

隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)越來(lái)越成熟。本文將結(jié)合工程實(shí)例，針對(duì)某LNG項(xiàng)目來(lái)探討高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 項(xiàng)目概況

該LNG項(xiàng)目主要用于天然氣應(yīng)急儲(chǔ)備調(diào)峰，在天然氣供氣充裕時(shí)將管網(wǎng)內(nèi)的富余天然氣液化成LNG并儲(chǔ)存在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)；在用氣高峰時(shí)再將儲(chǔ)存的LNG進(jìn)行氣化并輸入天然氣管網(wǎng)進(jìn)行氣量補(bǔ)充，或者將LNG用槽車運(yùn)輸?shù)經(jīng)]有天然氣管網(wǎng)的地區(qū)。

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)一條LNG生產(chǎn)線，日處理天然氣2×106m3，配置一臺(tái)混合制冷劑壓縮機(jī)。壓縮機(jī)的軸功率為22 221 kW，額定轉(zhuǎn)速為7 051 r/min，速度調(diào)節(jié)范圍為70%～105%。

2 電動(dòng)機(jī)的選型

和蒸汽透平或者燃?xì)廨啓C(jī)相比，電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作和維護(hù)，并且當(dāng)?shù)仉娏Y源也較為豐富，在經(jīng)過(guò)方案對(duì)比和論證后，決定選用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。

通常高壓異步電動(dòng)機(jī)很少用在功率為20 000 kW及以上的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。經(jīng)過(guò)對(duì)高壓異步電動(dòng)機(jī)及同步電動(dòng)機(jī)在制造水平和應(yīng)用業(yè)績(jī)等方面進(jìn)行比較，選擇同步電動(dòng)機(jī)作為該壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。同時(shí)，依據(jù)工藝操作及壓縮機(jī)調(diào)速的需求，采用高壓變頻器對(duì)該大電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)及調(diào)速，既改善了大電機(jī)啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的影響，也滿足了壓縮機(jī)的調(diào)速要求。

根據(jù)壓縮機(jī)的技術(shù)參數(shù)、負(fù)載曲線及操作要求進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的選型。電動(dòng)機(jī)采用4極同步電動(dòng)機(jī)，交流無(wú)刷勵(lì)磁，水冷，額定功率為26 500 kW，額定電壓為7 kV，額定頻率為50 Hz，額定電流為2 226 A，同步轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，功率因數(shù)為1.0，滿載時(shí)效率為98.2%，其中電動(dòng)機(jī)的額定電壓水平取決于變頻器輸出電壓等級(jí)。在壓縮機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間安裝一臺(tái)變速比為4.72的齒輪箱，以滿足電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速匹配的要求。電動(dòng)機(jī)的功率/轉(zhuǎn)矩—速度特性曲線如圖1所示。

圖1 電動(dòng)機(jī)功率/轉(zhuǎn)矩—速度特性曲線

在對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析時(shí)，根據(jù)壓縮機(jī)負(fù)載曲線及圖1所示的電動(dòng)機(jī)特性曲線，可以模擬出壓縮機(jī)負(fù)載/電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩—時(shí)間特性曲線，如圖2所示。從圖2曲線上可以看出電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中能提供足夠大的轉(zhuǎn)矩來(lái)啟動(dòng)壓縮機(jī)，滿足壓縮機(jī)啟動(dòng)及操作要求；電動(dòng)機(jī)的允許轉(zhuǎn)矩值比壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)矩峰值大概高11%，超過(guò)API標(biāo)準(zhǔn)要求的至少10%的安全余量[1]。若是還需要額外的安全余量，可以調(diào)整變頻器的斜坡速率，增加電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。

圖2 壓縮機(jī)負(fù)載/電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩—時(shí)間特性曲線

3 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的類型

高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展與電力電子器件的發(fā)展密不可分。從最早出現(xiàn)的晶閘管（Thyristor）到GTO（Gate Turn-Off Thyristor，門極可關(guān)斷晶閘管），再到IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）和IGCT/GCT（Integrated Gate Commutated Thyristors，集成門極換流晶閘管），都推動(dòng)著高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的快速發(fā)展。

目前，LNG項(xiàng)目上常用的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)有LCI（Load Commutated Inverter，負(fù)載換流型變頻器）和VSI（Voltage Source Inverter，電壓源型變頻器）。

LCI是最早出現(xiàn)的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，其整流及逆變單元都采用晶閘管，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，通常適合驅(qū)動(dòng)大功率的同步電動(dòng)機(jī)。但其功率因數(shù)偏低，對(duì)電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生很大的諧波，需要配置額外的、體積比較大的功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備和濾波設(shè)備，一定程度上影響了變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。目前，LCI常用于大功率電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)。

VSI是目前最常用的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)功率器件的不同和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差別，VSI分為低壓功率單元串聯(lián)多電平變頻器、三電平變頻器及五電平變頻器。

（1）低壓功率單元串聯(lián)多電平變頻器。整流單元采用二極管，逆變器單元采用低壓IGBT。整流單元可以采用24脈沖、36脈沖或者72脈沖整流技術(shù)，輸出到電網(wǎng)側(cè)的諧波含量變得非常低。逆變單元采用了多電平輸出技術(shù)，使輸出電壓波形接近理想的正弦波。變頻器的輸出電壓等級(jí)可以達(dá)到10 kV，可以直接驅(qū)動(dòng)常規(guī)的10 kV電動(dòng)機(jī)，特別適合現(xiàn)有工廠的電動(dòng)機(jī)節(jié)能改造。由于變頻器采用了低壓IGBT器件，需使用很多個(gè)低壓IGBT，以滿足高壓大功率電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)需求。變頻器的內(nèi)部元器件比較多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。由于這類變頻器沒(méi)有公共直流母線，整流變壓器不能和變頻器分開放置，變頻調(diào)速系統(tǒng)的體積較為龐大。目前這類變頻器的單機(jī)容量在10 000 kVA左右。通常功率超過(guò)10 000 kVA時(shí)，就需要采用多臺(tái)變頻器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，這種情況下，變頻器內(nèi)部元器件數(shù)目就會(huì)成倍增加，系統(tǒng)也就更加復(fù)雜。

（2）三電平變頻器。變頻器采用二極管進(jìn)行整流，采用高壓IGBT或IGCT/GCT進(jìn)行逆變。由于使用了高壓功率器件，器件數(shù)目較少，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。因?yàn)橛泄仓绷髂妇€，整流變壓器可以和變頻器分開放置。該類變頻器的單機(jī)容量一般可以達(dá)到22 000 kVA，輸出電壓一般為3 kV左右。變頻器可以采用12或者24脈沖技術(shù)，輸出到電網(wǎng)側(cè)的諧波含量較低，一般不需要額外的濾波器。變頻器的電壓輸出波形為三電平，接近正弦波。

（3）五電平變頻器。變頻器采用二極管進(jìn)行整流，逆變單元采用高壓大功率IGCT/GCT器件。整流單元采用了36脈沖整流技術(shù)，變頻器輸出到電網(wǎng)側(cè)的諧波含量非常低，不需要額外的濾波器。變頻器采用五電平電壓輸出，輸出的波形接近理想的正弦波。目前這種變頻器單臺(tái)最大容量達(dá)到30 000 kVA，輸出電壓可以達(dá)到7.2 kV，比較適合大功率電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

4 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的選型及應(yīng)用

由于同步電動(dòng)機(jī)容量達(dá)到26 500 kW，結(jié)合當(dāng)?shù)毓╇姉l件，決定采用高壓大容量GCT五電平VSI變頻調(diào)速系統(tǒng)，以滿足工藝生產(chǎn)可靠性及連續(xù)性的要求。根據(jù)壓縮機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載特性曲線以及相應(yīng)技術(shù)參數(shù)，選擇合適容量的變頻器及整流變壓器?？紤]到電動(dòng)機(jī)的容量比較大，變頻器盡量采用高電壓輸出，以降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流。

實(shí)際選用的高壓變頻器功率為30 000 kVA，額定輸出電壓為7 200 V，額定輸出電流為2 400 A，水冷方式，效率為99.0%。變頻器采用36脈沖二極管整流，逆變單元采用高壓大功率器件GCT，并采用五電平PWM電壓輸出。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

該高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由1臺(tái)整流變壓器、3臺(tái)整流柜、3臺(tái)逆變柜、1臺(tái)水冷柜、1臺(tái)勵(lì)磁控制柜及1臺(tái)變頻控制柜組成。整流柜、逆變柜、水冷柜和變頻控制柜體積較小，整體尺寸為7 900 mm（長(zhǎng)）×1 800 mm（寬）×2 300 mm（高）。

整流變壓器采用油浸式變壓器，ONAN冷卻方式，額定功率為303 100 kVA，短路阻抗為8%，效率為99.0%。

整流變壓器的一次繞組額定電壓為10 kV、3相、50 Hz，二次繞組額定電壓為2.105 kV。變壓器二次側(cè)有6組繞組，和一次側(cè)繞組的角度差分別為0°、±10°、±20°及30°，與變頻器二極管整流單元構(gòu)成36脈沖整流。

由于高壓變頻器采用了36脈沖整流，反饋到電網(wǎng)側(cè)的諧波含量比較低。

該項(xiàng)目10 kV母線側(cè)最小短路容量為272 MVA，電動(dòng)機(jī)及變頻器在額定工況下運(yùn)行時(shí)，經(jīng)過(guò)諧波計(jì)算，電壓總諧波畸變率為1.362%，電流總諧波畸變率為0.968%，各次諧波含量滿足規(guī)范GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的要求[2]，不需要在10 kV電源側(cè)配置濾波設(shè)備。諧波計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

水冷柜主要由一臺(tái)換熱器和兩臺(tái)冗余循環(huán)水泵構(gòu)成。變頻器采用內(nèi)部循環(huán)水進(jìn)行冷卻，內(nèi)部熱量通過(guò)水冷柜的換熱器和外部循環(huán)水進(jìn)行熱量交換，從而達(dá)到冷卻變頻器的目的。

變頻控制柜對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、調(diào)節(jié)、控制，并提供全面的保護(hù)。變頻控制柜與壓縮機(jī)控制盤進(jìn)行通信和信號(hào)聯(lián)鎖，接受來(lái)自壓縮機(jī)控制盤的啟動(dòng)、調(diào)速、停止、急停等命令，反饋?zhàn)冾l器的運(yùn)行狀態(tài)、轉(zhuǎn)速、報(bào)警及故障等信號(hào)給壓縮機(jī)控制盤。

由于采用了高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，在高壓同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)的啟動(dòng)電流不會(huì)大于其額定電流，對(duì)電網(wǎng)也不會(huì)產(chǎn)生沖擊。

圖4 諧波計(jì)算結(jié)果

在實(shí)際滿載運(yùn)行時(shí)，變頻器的功率因數(shù)為0.97左右，不需要配置功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備。變頻器的輸出電壓及電流波形如圖5及圖6所示。

在實(shí)際生產(chǎn)操作過(guò)程中，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)混合制冷劑壓縮機(jī)的帶壓（帶載）啟動(dòng)，通?？梢詭褐?.5 MPa左右，壓縮機(jī)不需要在啟動(dòng)之前排放過(guò)多的、比較昂貴的制冷劑。

5 結(jié)語(yǔ)

圖5 變頻器輸出電壓波形

圖6 變頻器輸出電流波形

該LNG項(xiàng)目采用的高壓大容量變頻調(diào)速系統(tǒng)，在2015年底投入使用，至今運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，不僅保證了LNG生產(chǎn)的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)了天然氣應(yīng)急儲(chǔ)備調(diào)峰功能，還帶來(lái)了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

目前，國(guó)內(nèi)LNG生產(chǎn)規(guī)模在逐漸擴(kuò)大，單條LNG生產(chǎn)線的天然氣日處理能力已經(jīng)達(dá)到3×106m3，將會(huì)使用35 000 kW及以上的大功率電動(dòng)機(jī)，這對(duì)于高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)人員需要綜合考慮LNG生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)操作彈性、項(xiàng)目投資和產(chǎn)出效益等因素，以便選擇合適的驅(qū)動(dòng)方案。

[1]Axial and Centrifugal Compressors and Expandercompressors(8th Edition):API Standard 617[S],2014.

[2]電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波：GB/T 14549—1993[S].