摘要：本文通過(guò)對現有40萬(wàn)噸合成氨裝置主壓縮機組驅動(dòng)系統分析，指出了其中存在的問(wèn)題。針對性提出采用電氣驅動(dòng)替代“鍋爐+汽輪機”驅動(dòng)的新思路；通過(guò)對兩種驅動(dòng)形式的經(jīng)濟性比較，技術(shù)可行性分析，闡述了該新型驅動(dòng)形式的可行性和良好應用前景。

  關(guān)鍵詞：電氣驅動(dòng) 鍋爐+汽輪機驅動(dòng) 高壓變頻

   一、問(wèn)題提出

   目前，國內年產(chǎn)單體40萬(wàn)噸及以上合成氨裝置設計中，合成氣壓縮機、氨氣壓縮機、二氧化碳壓縮機等主壓縮機組主要采用“鍋爐+汽輪機驅動(dòng)”的方式生產(chǎn)運行。該種陳舊的建設模式，在新的經(jīng)濟形式和節能減排的國家背景下，存在以下幾方面的問(wèn)題：

   1、 在新建項目中，“鍋爐+汽輪機驅動(dòng)”的方式投資高、占地面積大、建設周期長(cháng)。

   2、 裝置投產(chǎn)后，燃煤鍋爐的運營(yíng)維護成本高。

   3、 燃煤鍋爐能效低，廠(chǎng)區蒸汽跑、冒嚴重、煙氣排放環(huán)境污染嚴重。

   4、 系統調節性能差，生產(chǎn)效率低，能源浪費較大。

   5、 鍋爐蒸汽生產(chǎn)水耗、煤耗指標高，生產(chǎn)成本壓力大。

   綜合上述因素，結合目前國內超大功率高壓變頻傳動(dòng)技術(shù)的成熟應用。該項目在設計中考慮采用電力驅動(dòng)替代“鍋爐+汽輪機驅動(dòng)”。

   二、經(jīng)濟性可行性分析

   采用電力驅動(dòng)系統，將直接節約鍋爐占地、建設投入，以及后續運營(yíng)維護成本和環(huán)境污染，提供生產(chǎn)效率。針對兩種驅動(dòng)方式的經(jīng)濟性比較如下表1所示。

                 表1 合成氨裝置主機系統兩種不同驅動(dòng)方式的經(jīng)濟性比較
 
         

   從上述兩種方式的比對分析看，電氣驅動(dòng)在經(jīng)濟性上優(yōu)勢明顯。不僅可以節約項目投資費用、建設周期，獲得顯著(zhù)的企業(yè)收益；而且能夠取得良好的社會(huì )效益。采用該節能、環(huán)保、高效的新型結構模式，符合企業(yè)新型發(fā)展模式，節能減排、可持續發(fā)展政策。

   三、技術(shù)可行性分析

   該40萬(wàn)噸合成氨裝置的三臺主輔機設備分別為：18MW合成氣壓縮機、11MW氨氣壓縮機、11.5MW二氧化碳壓縮機。根據工藝生產(chǎn)對設備工況的需求，結合電氣驅動(dòng)的需要。電氣驅動(dòng)系統主要需具備以下幾方面的能力： 

  1. 采用高壓電動(dòng)機驅動(dòng)，通過(guò)增速齒輪箱滿(mǎn)足壓縮機系統的高速運行需要。

   2. 能夠依工藝需求，進(jìn)行分階段加減速調節控制；滿(mǎn)足系統逐步升溫、升壓。

   3. 能夠根據合成氨裝置的整體生產(chǎn)需求進(jìn)行壓縮機轉速、氣量調節。

   4. 壓縮機采取軟啟動(dòng)、軟停車(chē)方式，對電網(wǎng)和壓縮機機械系統沖擊負荷小于額定的2.5倍轉矩；能夠承受壓縮機喘振產(chǎn)生的1.5 Tn波動(dòng)負荷。

   5. 電氣系統對電網(wǎng)無(wú)沖擊，網(wǎng)側功率因數大于0.9、對電網(wǎng)電壓諧波污染小于3%；滿(mǎn)足電力部門(mén)對用電標準。

   6. 系統不會(huì )由于電氣系統故障而導致合成氨裝置停產(chǎn)。

  采用電壓源型高壓變頻調速驅動(dòng)系統，配套10kV供配電系統能夠解決上述技術(shù)需求。從根本上，解決合成氨裝置主壓縮機系統的經(jīng)濟性與技術(shù)性的雙重標準要求，實(shí)現投資小見(jiàn)效快，安全可靠、運營(yíng)成本低的實(shí)施目的。

   四、系統方案

   該系統主要包括：10kV電壓等級18MW合成氣壓縮機1臺、11MW氨氣壓縮機1臺、11.5MW二氧化碳壓縮機1臺。其容量均在10MW級，屬超大功率旋轉負載。

   高壓電機選用兩極異步電動(dòng)機驅動(dòng)，采用1:3.12增速齒輪箱與與壓縮機負載連接。選用電壓源型單元串聯(lián)多電平結構變頻器，網(wǎng)側功率因數大于0.95、網(wǎng)側諧波污染小于3%、適用于普通異步電動(dòng)機；而無(wú)需增設無(wú)功補償或選用同步電動(dòng)機。

   壓縮機系統采用變頻驅動(dòng)后，壓縮機組可實(shí)現軟起動(dòng)、軟停車(chē)功能，并且能夠承受系統喘振時(shí)產(chǎn)生的電氣瞬時(shí)過(guò)載沖擊負荷，而不會(huì )保護誤動(dòng)。采用變頻啟動(dòng)時(shí)的電流加速曲線(xiàn)如圖一所示。另外，變頻器可以按照合成氨裝置生產(chǎn)所需的壓縮機升速曲線(xiàn)實(shí)現，調節壓縮機轉速；其啟動(dòng)過(guò)程的加速特性如圖二所示。
  
        
                      圖一、壓縮機啟動(dòng)過(guò)程電流加速特性曲線(xiàn)
 
        
                   圖二、壓縮機啟動(dòng)加速特性曲線(xiàn)

   三臺壓縮機組的裝機功率40.5MW，電網(wǎng)累計容量需求5.0625MVA。電氣配電系統中11MW、11.5MW 采用II段母線(xiàn)供電，18MW及備用變頻器(18MW)采用III段母線(xiàn)供電。每段母線(xiàn)網(wǎng)側變壓器容量均為6.3MVA可同時(shí)為兩段母線(xiàn)負載供電；確保單段電源丟失時(shí)，單段母線(xiàn)保證生產(chǎn)連續。

   方案采用全容量高壓變頻備用的一拖一變頻切換系統方案，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。QFx2和QFx3之間存在電氣與邏輯雙重互鎖關(guān)系，防止變頻器輸出側發(fā)生短路等嚴重事故(x，表示設備編號)。
 
            
               圖三、高壓電氣配電與變頻驅動(dòng)一次動(dòng)力系統圖

   廠(chǎng)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(xiàn)變壓器供電。當單段電網(wǎng)供電或變壓器故障時(shí)，廠(chǎng)區可通過(guò)ML-GN依賴(lài)另外一段電源供電變壓器承擔生產(chǎn)100%用電負荷；而無(wú)需停產(chǎn)。

   三臺壓縮機的電動(dòng)機驅動(dòng)系統，由301變電站II、III段母線(xiàn)分別引至313變電所。其中，備用變頻器下掛于III段母線(xiàn)，QF41提供10kV驅動(dòng)電源。備用變頻器可在三臺電動(dòng)機任意一臺工作變頻電氣系統故障時(shí)，驅動(dòng)壓縮機調速運行。
正常情況下，每臺壓縮機均有一臺主變頻器TF通過(guò)QF2連接至電動(dòng)機，實(shí)現壓縮機的電氣驅動(dòng)。系統并可根據合成氨裝置的生產(chǎn)需求調節壓縮機轉速改變氣量，達到滿(mǎn)足生產(chǎn)的目的。

   以合成氣壓縮機為例：壓縮機主變頻驅動(dòng)時(shí)，首先檢查備用變頻器輸出側QF13與電動(dòng)機處于斷開(kāi)狀態(tài)，然后閉合工作變頻器TF1輸出側開(kāi)關(guān)QF12與電動(dòng)機M1連接。送電啟動(dòng)步序：①QF13處于分斷狀態(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、變頻器待機正常；⑥啟動(dòng)變頻器TF1運行；⑦合成氣壓縮機電動(dòng)機啟動(dòng)完畢。

   當合成氣壓縮機主電氣系統故障或需要檢修時(shí)，壓縮機可利用備用變頻TF4提供不間斷變頻驅動(dòng)運行。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)機啟動(dòng)保護參數組；③操作確認電動(dòng)機對應的工位有效，TF4具備高壓合閘允許條件，允許QF45合閘；④操作QF45合閘；⑤壓縮機具備變頻器啟動(dòng)運行條件、變頻器待機正常；⑥啟動(dòng)備用變頻器驅動(dòng)壓縮機組運行；⑦電動(dòng)機M1變頻運行恢復完畢。

   備用變頻器TF4自動(dòng)確認電動(dòng)機匹配，選擇與之對應的控制功能和對應的壓縮機控制工藝參數；滿(mǎn)足備用變頻器可替代合成氣、氨氣、二氧化碳壓縮機用變頻器的需求。

   五、配套應用技術(shù)

   在采用電氣驅動(dòng)系統替代“鍋爐+汽輪機”的驅動(dòng)方案后，系統采用變頻協(xié)調控制技術(shù)解決電氣系統中變頻器與高壓開(kāi)關(guān)、壓縮機組、生產(chǎn)工藝之間的協(xié)調控制關(guān)系，以及主變頻器與備用變頻器之間的切換替代等協(xié)調問(wèn)題。
另外，高壓變頻器在運行中將產(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-水冷卻系統解決變頻器的環(huán)境散熱問(wèn)題。通過(guò)系統化集成解決方案的應用，實(shí)現壓縮機電氣驅動(dòng)的工藝控制、變頻驅動(dòng)控制、環(huán)境控制等。

  六、結束語(yǔ)

   通過(guò)對40萬(wàn)噸合成氨裝置壓縮機驅動(dòng)系統的分析和實(shí)踐證明，以高壓變頻為核心的電氣驅動(dòng)系統完全能夠滿(mǎn)足化工生產(chǎn)中對壓縮機轉速、氣量調節的需求；并且在項目投資運營(yíng)方面獲得可觀(guān)的經(jīng)濟收益。該項目的實(shí)施，為化工行業(yè)超大功率壓縮機組解決能源與經(jīng)濟、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、節能降耗和環(huán)保生產(chǎn)建設和改造項目中積極推廣。