文/于偉然 王明蘭 滿昌龍

氫氣壓縮機(jī)變頻改造方案及意義——本文介紹了聯(lián)泓（山東）化學(xué)有限公司氫壓機(jī)變頻改造的原因、技術(shù)方案以及實(shí)施后的效果。氫氣壓縮機(jī)通過實(shí)踐改造后，創(chuàng)造了較大效益，對企業(yè)降本降耗具有重大意義。

聯(lián)泓（山東）化學(xué)有限公司（以下簡稱“聯(lián)泓化學(xué)”）以煤為原料，經(jīng)氣化裝置生產(chǎn)水煤氣，通過變換，低溫甲醇洗工序制得合格的凈化氣，送入甲醇合成系統(tǒng)生產(chǎn)甲醇。生產(chǎn)裝置多年來運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到設(shè)計720 kt/a 甲醇的生產(chǎn)能力。近年來隨著政策的變化和市場的改變，聯(lián)泓化學(xué)對生產(chǎn)工藝進(jìn)行了優(yōu)化改造，使裝置具有1 000 kt/a甲醇的生產(chǎn)能力。

在甲醇合成反應(yīng)的工藝氣中含有惰性氣體（CH4、N2、Ar 等），隨著甲醇合成反應(yīng)的進(jìn)行，惰性氣體不參與反應(yīng)，在系統(tǒng)中逐漸積累，影響了反應(yīng)速率。為了防止合成系統(tǒng)中惰性氣體的積累，要連續(xù)從系統(tǒng)中排放少量的氣體。這部分富含大量有效氣（≥70%）的弛放氣經(jīng)水洗塔洗滌甲醇后送氫回收系統(tǒng)回收氫氣，氫回收系統(tǒng)采用膜分離原理將富氫氣進(jìn)行回收，因分離后的富氫氣壓力低，采用氫壓機(jī)加壓后送入甲醇合成系統(tǒng)繼續(xù)參與甲醇合成反應(yīng)。

氫氣壓縮機(jī)選用的是往復(fù)式壓縮機(jī)，型號為DW-15/1.8-5.4，共1臺，單臺排氣量14 883 Nm3/h。該壓縮機(jī)為對稱平衡型，兩列兩級往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，氣缸水冷，壓力循環(huán)強(qiáng)制潤滑，電動機(jī)拖動，具有對動性能好和檢修方便等優(yōu)點(diǎn)。聯(lián)泓化學(xué)氫壓機(jī)為一臺，采用單層布置，壓縮機(jī)氣缸中心標(biāo)高2 m。從壓縮機(jī)的非驅(qū)動端（壓縮機(jī)端）看，左側(cè)一列為二級氣缸，右側(cè)一列為一級氣缸，所有氣缸均為上進(jìn)下出的雙作用結(jié)構(gòu)。

工作原理及流程

甲醇合成系統(tǒng)引出的弛放氣進(jìn)入氫回收氣液分離器V5115 進(jìn)行氣液分離，然后經(jīng)過氫回收套管式換熱器E5105 加熱至約50℃后，送入氫回收膜組M5102。通過膜管的富氫氣經(jīng)氫氣壓縮機(jī)C5105壓縮。壓力為（1.73～2.1 MPa）、溫度為45℃的富氫氣進(jìn)入壓縮機(jī)入口，壓縮機(jī)采用兩段壓縮，壓縮后的富氫氣經(jīng)氫壓機(jī)出口并入新鮮氣管道，進(jìn)入合成回路繼續(xù)參與反應(yīng)。

氫氣壓縮機(jī)的工作原理：氫氣壓縮機(jī)由電動機(jī)通過剛性聯(lián)軸器驅(qū)動，電動機(jī)轉(zhuǎn)子直接帶動壓縮機(jī)的曲軸旋轉(zhuǎn)，然后由連桿和十字頭將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成活塞的往復(fù)直線運(yùn)動。

本機(jī)兩個氣缸均為雙作用，即蓋側(cè)和軸側(cè)都有相應(yīng)的工作腔。以蓋側(cè)為例，當(dāng)活塞由蓋側(cè)始點(diǎn)位置向軸側(cè)開始運(yùn)動時，蓋側(cè)容積變大，腔內(nèi)殘留氣體膨脹，壓力下降，與進(jìn)氣腔內(nèi)壓力產(chǎn)生壓力差，當(dāng)壓力差大于吸氣閥彈簧力時，吸氣閥打開。隨著活塞繼續(xù)向軸側(cè)運(yùn)動，將氣體吸入缸內(nèi)，活塞到達(dá)內(nèi)止點(diǎn)時吸氣完畢。隨后活塞又從軸側(cè)位置向蓋側(cè)方向返回移動，此時吸氣閥關(guān)閉，隨著活塞的繼續(xù)移動，缸內(nèi)容積不斷變小，已吸入的氣體受到壓縮，壓力逐步升高。當(dāng)缸內(nèi)壓力高于排氣腔內(nèi)壓力且壓力差大于排氣閥彈簧力時，排氣閥打開，缸內(nèi)已被壓縮的氣體開始排出。當(dāng)活塞返回到外止點(diǎn)（蓋側(cè)始點(diǎn)位置）時，排氣完畢。至此完成了一個工作循環(huán)。

軸側(cè)工作腔的工作原理與此相同，但有180°的相位差（即當(dāng)氣缸軸側(cè)吸氣時蓋側(cè)排氣；軸側(cè)排氣時蓋側(cè)吸氣）。由于活塞不斷地作往復(fù)運(yùn)動，使氣缸內(nèi)交替發(fā)生氣體的膨脹吸入和壓縮排出過程，從而獲得連續(xù)脈動的壓縮氣源。壓縮機(jī)布置簡圖，如圖1 所示。

變頻改造背景

聯(lián)泓化學(xué)氫氣壓縮機(jī)設(shè)計中有50%、100%負(fù)荷運(yùn)行兩種工況，在催化劑使用初期，反應(yīng)效果好，馳放氣量小，氫壓機(jī)采用半負(fù)荷運(yùn)行。待催化劑使用后期，馳放氣量大時采用滿負(fù)荷運(yùn)行。這種方式使較大一部分電能浪費(fèi)在調(diào)節(jié)上，回流氣量大，而且操作方式復(fù)雜，響應(yīng)時間較長，需人工調(diào)節(jié)或主控臺值班人員監(jiān)測調(diào)節(jié)閥門，增加了工人勞動量。同時設(shè)備長時間高速運(yùn)轉(zhuǎn)，電動機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行浪費(fèi)很大，電氣和管道系統(tǒng)機(jī)械磨損嚴(yán)重，增加維修頻次和費(fèi)用，影響使用壽命。過大的起動電流會使電動機(jī)迅速發(fā)熱，加速其絕緣老化，影響電動機(jī)使用壽命。半負(fù)荷運(yùn)行時電動機(jī)功率因數(shù)0.5～0.6，造成大量電能損耗。

變頻改造方案

采用高壓變頻器調(diào)速控制裝置。變頻器能實(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟起動、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因素以及過流/過壓/過載保護(hù)等功能。變頻器采用一拖一的運(yùn)行方式，每臺變頻器配置一臺旁路柜，旁路柜采用手動切換方式。

變頻器的控制方式采用自動控制方式和手動控制方式。手動、自動控制由設(shè)置在DCS 顯示器畫面上切換按鈕來實(shí)現(xiàn)，由設(shè)置在電動機(jī)旁的切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)就地、遠(yuǎn)程切換。自動控制方式依據(jù)現(xiàn)有的DCS 系統(tǒng)采集現(xiàn)場的壓力、閥門開度或者壓力等信息。手動控制一是由設(shè)置在現(xiàn)場的操作箱手動控制，二是利用已有的DCS 系統(tǒng)，在DCS 畫面上手動操作調(diào)節(jié)。一拖一帶手動旁路接線如圖2 所示。

圖2 一拖一帶手動旁路接線圖

斷路器為甲方原有高壓開關(guān)，高壓變頻器設(shè)工頻旁路功能，手動旁路柜與斷路器有必要的聯(lián)鎖，變頻器允許合閘及重故障保護(hù)信號串入原綜保系統(tǒng)。系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和“本地”操作方式等可在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)，高壓變頻柜體上有選擇（遠(yuǎn)程/就地）開關(guān)等選擇功能，就地指在變頻器本體上操作，遠(yuǎn)程指在變頻器本體之外操作。

高壓電動機(jī)旁操作箱通過硬線連接到變頻器，控制電動機(jī)起停，面板設(shè)置起動、停止、就地/遠(yuǎn)程DCS、變頻故障及以變頻運(yùn)行停止信號，并有運(yùn)行轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、運(yùn)行電流指示。實(shí)現(xiàn)利用機(jī)旁操作箱對電動機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場操作，并有電氣聯(lián)鎖防止出現(xiàn)誤操作，主要設(shè)備清單見表1。

變頻改造意義

經(jīng)測算：氫壓機(jī)改造前工頻運(yùn)行每小時耗電577.78 kW·h，氫壓機(jī)改造后變頻運(yùn)行每小時耗電341.67 kW·h，電價按0.49 元/kW·h、年運(yùn)行時間按8 000 h。

年節(jié)電費(fèi)用計算為：（577.78-341.67）×8 000×0.49=92.56 萬元。

年折舊費(fèi)：55.9 萬 元/10 年=5.59 萬元。

變頻器維修費(fèi)：2 萬元/年。

項目年效益為：92.56-5.59-2=84.97 萬元。

回收期：55.9/86.97=0.64 年。

結(jié)語

在“雙碳”的大背景下，企業(yè)通過技術(shù)改造，降低運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，將有利于提高自身競爭力。氫氣壓縮機(jī)變頻改造實(shí)施后運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)約了大量電能，提高了電動機(jī)的功率因數(shù)，消除了諧波對電網(wǎng)的污染；降低了設(shè)備的噪聲，有效延長了設(shè)備的使用壽命。電氣、風(fēng)機(jī)設(shè)備和管道系統(tǒng)機(jī)械磨損大幅減小，大大降低了維護(hù)、維修費(fèi)用，節(jié)省大量人力成本。近幾年聯(lián)泓化學(xué)先后實(shí)施了數(shù)項變頻改造，效果較好，值得推廣。