馬睿

（中國石化海南煉油化工有限公司，海南 洋浦 578101）

高壓變頻器循環(huán)氫壓縮機(jī)是用于壓縮、輸送和儲存氫氣的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石化、電力等行業(yè)。然而，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，氫氣壓縮機(jī)常常存在能耗高、效率低的問題，嚴(yán)重影響了其經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。為了解決這一問題，近年來，越來越多的企業(yè)開始采用高壓變頻器技術(shù)對氫氣壓縮機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。高壓變頻器可以根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況智能調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而避免了傳統(tǒng)氫氣壓縮機(jī)在部分負(fù)載下不斷開啟和關(guān)閉的情況，減少了能源的浪費(fèi)。

1 主回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石油化工廠通常需要大量氫氣作為原料或催化劑，這些氫氣需要在生產(chǎn)過程中進(jìn)行壓縮和輸送。而氫氣壓縮機(jī)的高壓調(diào)速系統(tǒng)則是保證其運(yùn)行效率和安全的重要組成部分。

本次研究中，相關(guān)工作人員使用西門子（中國）有限公司生產(chǎn)的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，將其應(yīng)用于石油化工廠的氫壓縮機(jī)上，通過這種方式為氫壓縮機(jī)提供可靠的保護(hù)功能，同時也能夠提高運(yùn)行效率和減少能源消耗。該系統(tǒng)由變壓器柜和變頻器柜兩部分組成，變壓器柜內(nèi)部配置了冷卻風(fēng)扇以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，并及時散發(fā)運(yùn)行時產(chǎn)生的熱量。

在新的系統(tǒng)安裝后，它將被放置在石油化工廠的高壓配電室內(nèi)。這個高壓配電室被劃分為兩段，這樣即使其中一段停電，另一段也可以繼續(xù)全負(fù)荷運(yùn)行。這種設(shè)置不僅可以保證氫氣壓縮機(jī)的連續(xù)運(yùn)行和生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，還能夠有效避免因?yàn)橥ｋ姸鴮?dǎo)致的生產(chǎn)損失和安全事故（如圖1 所示）。

圖1 GH180 變頻調(diào)速系統(tǒng)平面圖

循環(huán)氫壓縮機(jī)是一種常見的工業(yè)設(shè)備，它主要用于將氫氣壓縮至更高的壓力，以滿足生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)需求。為了使循環(huán)氫壓縮機(jī)組運(yùn)行更加可靠，確保設(shè)備在變頻調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)故障時仍能正常工作，需要進(jìn)行變頻器改造。

具體來說，變頻器改造不會涉及更換原配套電動機(jī)，通過對斷路器與電動機(jī)之間的配線接線方式進(jìn)行重新布置，來實(shí)現(xiàn)對變頻器的改造。因此，本次研究中，相關(guān)工作人員無須對電動機(jī)主回路進(jìn)行大規(guī)模改造改變，其改動工作量也比較小。需要注意的是，為了確保在變頻調(diào)速系統(tǒng)由于故障而停止工作后，氫壓縮機(jī)仍然能夠保持正常的工作狀態(tài)，研究人員在進(jìn)行變頻器改造過程中，設(shè)置了工頻旁路切換模塊。該模塊由QS1 、QS2 、QS3 高壓隔離開關(guān)組合而成。因此，在變頻調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，操作人員可以通過手動操作這些高壓隔離開關(guān)將循環(huán)氫壓縮機(jī)從變頻調(diào)速系統(tǒng)切換到工頻旁路系統(tǒng)，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行和生產(chǎn)效率。

該設(shè)備主回路中的主要零件包括高壓柜、變壓器、變頻器以及DCS控制系統(tǒng)等。其中，集成變壓器是一種專門用于配合高壓變頻器使用的變壓器，它能夠提供高效穩(wěn)定的電力供應(yīng)，從而使循環(huán)氫壓縮機(jī)能夠更加可靠地工作。

2 主回路保護(hù)系統(tǒng)配置

循環(huán)氫壓縮機(jī)節(jié)能改造主回路系統(tǒng)保護(hù)配置是指將保護(hù)措施納入循環(huán)氫壓縮機(jī)主回路控制系統(tǒng)中，以確保其安全運(yùn)行和最佳節(jié)能效果。具體而言，主要包括四個方面的內(nèi)容。

2.1 過流保護(hù)

循環(huán)氫壓縮機(jī)在工作過程中，可能會因短路或過載等原因而產(chǎn)生過大的電流，從而對系統(tǒng)產(chǎn)生損害。因此，需要設(shè)置過流保護(hù)功能，當(dāng)電流超過設(shè)定值時，及時切斷電源，防止電氣元件遭受損壞。

2.2 過載保護(hù)

由于氫氣的壓縮過程中需要消耗大量能量，循環(huán)氫壓縮機(jī)容易因超負(fù)荷工作而發(fā)生故障。針對這種情況，需要設(shè)置過載保護(hù)功能，當(dāng)負(fù)載超過預(yù)設(shè)值時，系統(tǒng)應(yīng)該及時降速或停機(jī)，防止設(shè)備出現(xiàn)故障。

2.3 過壓保護(hù)

在循環(huán)氫壓縮機(jī)工作過程中，可能會因管路堵塞等原因而產(chǎn)生較高的壓力，從而對設(shè)備和工作環(huán)境產(chǎn)生危害。因此，需要設(shè)置過壓保護(hù)功能，當(dāng)壓力超過設(shè)定值時，及時切斷電源或降速停機(jī)，以保證設(shè)備和工作環(huán)境的安全。

2.4 欠壓保護(hù)

在某些特殊情況下，如氫氣供應(yīng)不足、泵入量過大導(dǎo)致儲氫池壓力過低等，會造成循環(huán)氫壓縮機(jī)空轉(zhuǎn)或低效運(yùn)行。為避免這種情況發(fā)生，需要設(shè)置欠壓保護(hù)功能。當(dāng)壓力過低時，系統(tǒng)應(yīng)該及時報(bào)警或采取相應(yīng)措施，如降速或停機(jī)等。

2.5 開關(guān)保護(hù)

如果氫壓縮機(jī)內(nèi)部的電機(jī)容量超過2MW，其電流速斷保護(hù)靈敏度將無法滿足保護(hù)要求。針對這種情況，相關(guān)工作人員需要為設(shè)備加裝縱聯(lián)差動保護(hù)裝置，通過這種方式提高保護(hù)性能。該裝置由兩個差動元件組成，一個接在主變電所，另一個接在循環(huán)氫壓縮機(jī)電動機(jī)上，兩者之間通過同軸電纜相連。當(dāng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)會將兩個差動元件的輸出進(jìn)行比較，如果有差異，則說明出現(xiàn)了故障，系統(tǒng)會及時切斷電源，保護(hù)設(shè)備和人員的安全（如圖2 所示）。

圖2 變頻器饋線主回路

當(dāng)氫壓縮機(jī)切換至變頻器調(diào)速模式后，工作人員為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性，嘗試為其配備高壓變頻器調(diào)速裝置。通過這種方式根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，靈活調(diào)整控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對循環(huán)氫壓縮機(jī)的輸出流量進(jìn)行精確控制。此外，針對高壓變頻器進(jìn)線部位進(jìn)行保護(hù)，能夠使用原有的電動機(jī)保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)對進(jìn)線開關(guān)的保護(hù)功能。

此外，循環(huán)氫壓縮機(jī)還需要配置過電流保護(hù)、單相接地保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、低電壓保護(hù)和負(fù)序過電流保護(hù)等保護(hù)裝置，以應(yīng)對各種可能發(fā)生的故障情況。在運(yùn)行過程中，需要對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測和維護(hù)，及時排除潛在的故障隱患，確保循環(huán)氫壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。

3 高壓變頻器調(diào)試

高壓變頻器是工業(yè)生產(chǎn)中常用的電子設(shè)備之一，它可以將交流電轉(zhuǎn)換為特定頻率和電壓的交流電。在使用高壓變頻器時，需要對其進(jìn)行調(diào)試，以確保變頻器能夠正常運(yùn)行。本文將從通電前檢查、送控制電檢查、變頻器主回路返送電測試、接口信號檢查測試、變頻器空升壓測試、變頻器帶電機(jī)測試和變頻器帶負(fù)載測試七個方面詳細(xì)介紹高壓變頻器的調(diào)試方法。

3.1 通電前檢查

在通電前，需要對高壓變頻器進(jìn)行檢查，包括檢查電纜是否安裝正確、是否有損壞、進(jìn)出線端子是否牢固等。此外，還需要檢查變頻器的控制電源是否符合要求、電源電壓是否穩(wěn)定、接線是否正確等。通電前的檢查過程可以保證高壓變頻器的正常運(yùn)行，并且能夠避免可能的故障發(fā)生。（1）檢查電纜是否安裝正確。在檢查電纜時，需要檢查電纜的線徑、長度、連接方式和接口是否正確。如果電纜的線徑不符合要求，會導(dǎo)致電流過大，從而可能造成損壞。因此，在安裝電纜時，需要對線徑進(jìn)行正確選擇。需要特別注意的是，電纜的長度應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況來選擇，過長或過短都可能影響變頻器的正常工作。此外，還需要檢查電纜的連接方式和接口是否正確，確保其可以牢固地連接變頻器和其他設(shè)備。（2）檢查電纜是否有損壞。在檢查電纜的過程中，還需要檢查電纜是否有損壞。如果電纜被割裂、磨損或損壞，都可能導(dǎo)致電路不完整，從而影響變頻器的正常工作。因此，在檢查電纜時，需要仔細(xì)檢查每個部位，確保其完好無損。（3）檢查進(jìn)出線端子是否牢固。在變頻器的接口處，進(jìn)出線端子是連接變頻器和其他設(shè)備的關(guān)鍵部件。因此，在通電前的檢查過程中，需要檢查進(jìn)出線端子是否連接牢固、緊密、沒有松動或脫落。如果端子連接不良，可能導(dǎo)致電流不穩(wěn)定或是發(fā)生短路，從而損壞變頻器。

3.2 送控制電檢查

變頻器主回路返送電測試分為兩個步驟：前期測試和后期測試。

3.2.1 前期測試

前期測試的目的是檢查變頻器主回路是否可以正常工作。首先，需要將變頻器的輸入端口與比擬電源柜相連接。接著，需要將變頻器的輸出端口與測試電路相連接。在連接完畢后，需要打開比擬電源柜和監(jiān)視器，并對其進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保誤差不超過2%。然后，可以開始進(jìn)行前期測試。在前期測試過程中，需要調(diào)整變頻器的參數(shù)，以滿足測試需求。具體來說，需要將變頻器輸出轉(zhuǎn)速設(shè)置為測試要求的轉(zhuǎn)速，將變頻器的電流值設(shè)置為測試要求的電流值。如果發(fā)現(xiàn)輸出電流或者轉(zhuǎn)速不符合要求，需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，直到達(dá)到測試要求。

3.2.2 后期測試

在完成前期測試后，可以開始進(jìn)行后期測試。后期測試的目的是檢查變頻器的保護(hù)功能和控制系統(tǒng)，以確保其正常工作。在后期測試過程中，需要執(zhí)行以下操作。

（1）按下高壓分?jǐn)喟粹o，檢查變頻器是否能可靠分?jǐn)嗌霞夒娫?；?）拔出幾個輸出諧波電抗器，檢查變頻器自身保護(hù)功能是否能夠正常工作；（3）檢查變頻器的各種報(bào)警功能是否正常工作，包括過流、過載、過熱等報(bào)警；（4）檢查變頻器的控制系統(tǒng)是否正常工作，包括開關(guān)、按鈕、指示燈等是否正常。

3.2.3 記錄和評估測試結(jié)果

在測試過程中，需要記錄測試結(jié)果。根據(jù)測試結(jié)果，可以評估變頻器主回路的性能和可靠性。如果測試結(jié)果符合要求，則可以認(rèn)為變頻器主回路正常工作，可以進(jìn)行下一步調(diào)試。如果測試結(jié)果不符合要求，則需要對變頻器進(jìn)行進(jìn)一步檢查和調(diào)整，直到達(dá)到測試要求。

4 改造后節(jié)能效益分析

為驗(yàn)證循環(huán)氫壓縮機(jī)的節(jié)能改造效果，研究人員對改造后的設(shè)備進(jìn)行了節(jié)能效益分析。

實(shí)際工作中，電機(jī)在全負(fù)荷情況下才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這種狀態(tài)下，電流穩(wěn)定性無法得到保證，需要進(jìn)行系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)和分析。通過分析循環(huán)氫壓縮機(jī)一整年的實(shí)際生產(chǎn)狀況，研究人員發(fā)現(xiàn)設(shè)備全負(fù)荷運(yùn)行的總時長，在全部生產(chǎn)時長中的占比達(dá)到了65%。

計(jì)算能耗差值的公式為：

式中，Pt代表該設(shè)備正常工作狀態(tài)下的功率，Us代表電機(jī)運(yùn)行時的輸入電壓，Is則為輸入側(cè)電流，cosφ代表該設(shè)備功率因數(shù)。

本次研究中，在沒有安裝變頻調(diào)速系統(tǒng)前，氫壓縮機(jī)在單位時間內(nèi)（一個自然年）總耗電計(jì)算公式為：

工作人員將相應(yīng)參數(shù)導(dǎo)入公式（2），其中U=6000V，I1=262A，β=0.86，T=8000h，經(jīng)過計(jì)算得到W1=18732200KWh。

安裝變頻調(diào)速器之后，氫壓縮機(jī)在單位時間內(nèi)（一個自然年）總耗電計(jì)算公式為：

已知I2=158A，則W2=16352786KWh，由此可知，安裝變頻調(diào)速器后，氫壓縮機(jī)總電能消耗減少了2379424kWh，節(jié)能效果十分明顯。

5 結(jié)語

循環(huán)氫壓縮機(jī)是煉油廠的關(guān)鍵設(shè)備之一，但也是能耗較高的設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和降低運(yùn)行成本，研究人員嘗試基于高壓變頻器對循環(huán)氫壓縮機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。具體實(shí)踐中，通過對主回路系統(tǒng)以及控制保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化，以及對高壓變頻裝置的調(diào)試，實(shí)現(xiàn)對氫壓縮機(jī)的節(jié)能改造。研究人員在分析該設(shè)備節(jié)能效益后，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備在規(guī)定周期內(nèi)，節(jié)約的電能達(dá)到了2379424kW·h，達(dá)到了節(jié)能目的，為化工生產(chǎn)節(jié)能降耗工作提供了技術(shù)支持。