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    一、問題提出

    目前，國內(nèi)年產(chǎn)單體40萬噸及以上合成氨裝置設(shè)計(jì)中，合成氣壓縮機(jī)、氨氣壓縮機(jī)、二氧化碳?jí)嚎s機(jī)等主壓縮機(jī)組主要采用“鍋爐+汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)”的方式生產(chǎn)運(yùn)行。該種陳舊的建設(shè)模式，在新的經(jīng)濟(jì)形式和節(jié)能減排的國家背景下，存在以下幾方面的問題：

    1、 在新建項(xiàng)目中，“鍋爐+汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)”的方式投資高、占地面積大、建設(shè)周期長。

    2、 裝置投產(chǎn)后，燃煤鍋爐的運(yùn)營維護(hù)成本高。

    3、 燃煤鍋爐能效低，廠區(qū)蒸汽跑、冒嚴(yán)重、煙氣排放環(huán)境污染嚴(yán)重。

    4、 系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能差，生產(chǎn)效率低，能源浪費(fèi)較大。

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

    綜合上述因素，結(jié)合目前國內(nèi)超大功率高壓變頻傳動(dòng)技術(shù)的成熟應(yīng)用。該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)中考慮采用電力驅(qū)動(dòng)替代“鍋爐+汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)”。

    二、經(jīng)濟(jì)性可行性分析

    采用電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，將直接節(jié)約鍋爐占地、建設(shè)投入，以及后續(xù)運(yùn)營維護(hù)成本和環(huán)境污染，提供生產(chǎn)效率。針對(duì)兩種驅(qū)動(dòng)方式的經(jīng)濟(jì)性比較如下表1所示。

    表1 合成氨裝置主機(jī)系統(tǒng)兩種不同驅(qū)動(dòng)方式的經(jīng)濟(jì)性比較

    

    從上述兩種方式的比對(duì)分析看，電氣驅(qū)動(dòng)在經(jīng)濟(jì)性上優(yōu)勢明顯。不僅可以節(jié)約項(xiàng)目投資費(fèi)用、建設(shè)周期，獲得顯著的企業(yè)收益；而且能夠取得良好的社會(huì)效益。采用該節(jié)能、環(huán)保、高效的新型結(jié)構(gòu)模式，符合企業(yè)新型發(fā)展模式，節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展政策。

    三、技術(shù)可行性分析

    該40萬噸合成氨裝置的三臺(tái)主輔機(jī)設(shè)備分別為：18MW合成氣壓縮機(jī)、11MW氨氣壓縮機(jī)、11.5MW二氧化碳?jí)嚎s機(jī)。根據(jù)工藝生產(chǎn)對(duì)設(shè)備工況的需求，結(jié)合電氣驅(qū)動(dòng)的需要。電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要需具備以下幾方面的能力： 

    1. 采用高壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過增速齒輪箱滿足壓縮機(jī)系統(tǒng)的高速運(yùn)行需要。

    2. 能夠依工藝需求，進(jìn)行分階段加減速調(diào)節(jié)控制；滿足系統(tǒng)逐步升溫、升壓。

    3. 能夠根據(jù)合成氨裝置的整體生產(chǎn)需求進(jìn)行壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、氣量調(diào)節(jié)。

    4. 壓縮機(jī)采取軟啟動(dòng)、軟停車方式，對(duì)電網(wǎng)和壓縮機(jī)機(jī)械系統(tǒng)沖擊負(fù)荷小于額定的2.5倍轉(zhuǎn)矩；能夠承受壓縮機(jī)喘振產(chǎn)生的1.5 Tn波動(dòng)負(fù)荷。

    5. 電氣系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)無沖擊，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)大于0.9、對(duì)電網(wǎng)電壓諧波污染小于3%；滿足電力部門對(duì)用電標(biāo)準(zhǔn)。

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

    采用電壓源型高壓變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，配套10kV供配電系統(tǒng)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(jī)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)性的雙重標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)現(xiàn)投資小見效快，安全可靠、運(yùn)營成本低的實(shí)施目的。

    四、系統(tǒng)方案

    該系統(tǒng)主要包括：10kV電壓等級(jí)18MW合成氣壓縮機(jī)1臺(tái)、11MW氨氣壓縮機(jī)1臺(tái)、11.5MW二氧化碳?jí)嚎s機(jī)1臺(tái)。其容量均在10MW級(jí)，屬超大功率旋轉(zhuǎn)負(fù)載。

    高壓電機(jī)選用兩極異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用1:3.12增速齒輪箱與與壓縮機(jī)負(fù)載連接。選用電壓源型單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)變頻器，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)大于0.95、網(wǎng)側(cè)諧波污染小于3%、適用于普通異步電動(dòng)機(jī)；而無需增設(shè)無功補(bǔ)償或選用同步電動(dòng)機(jī)。

    壓縮機(jī)系統(tǒng)采用變頻驅(qū)動(dòng)后，壓縮機(jī)組可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)、軟停車功能，并且能夠承受系統(tǒng)喘振時(shí)產(chǎn)生的電氣瞬時(shí)過載沖擊負(fù)荷，而不會(huì)保護(hù)誤動(dòng)。采用變頻啟動(dòng)時(shí)的電流加速曲線如圖一所示。另外，變頻器可以按照合成氨裝置生產(chǎn)所需的壓縮機(jī)升速曲線實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速；其啟動(dòng)過程的加速特性如圖二所示。

                 

                 圖一、壓縮機(jī)啟動(dòng)過程電流加速特性曲線 圖二、壓縮機(jī)啟動(dòng)加速特性曲線

    三臺(tái)壓縮機(jī)組的裝機(jī)功率40.5MW，電網(wǎng)累計(jì)容量需求5.0625MVA。電氣配電系統(tǒng)中11MW、11.5MW 采用II段母線供電，18MW及備用變頻器(18MW)采用III段母線供電。每段母線網(wǎng)側(cè)變壓器容量均為6.3MVA可同時(shí)為兩段母線負(fù)載供電；確保單段電源丟失時(shí)，單段母線保證生產(chǎn)連續(xù)。

    方案采用全容量高壓變頻備用的一拖一變頻切換系統(tǒng)方案，其原理如圖三所示。其中，QF表示高壓開關(guān)、TF表示變頻器、ML表示母聯(lián)開關(guān)、GN表示隔離開關(guān)柜、M表示電動(dòng)機(jī)。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(cè)發(fā)生短路等嚴(yán)重事故(x，表示設(shè)備編號(hào))。

               

                    圖三、高壓電氣配電與變頻驅(qū)動(dòng)一次動(dòng)力系統(tǒng)圖

    廠變由兩路110kV電網(wǎng)接入10kV高壓301變電站，提供II、III兩段母線變壓器供電。當(dāng)單段電網(wǎng)供電或變壓器故障時(shí)，廠區(qū)可通過ML-GN依賴另外一段電源供電變壓器承擔(dān)生產(chǎn)100%用電負(fù)荷；而無需停產(chǎn)。|

    三臺(tái)壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由301變電站II、III段母線分別引至313變電所。其中，備用變頻器下掛于III段母線，QF41提供10kV驅(qū)動(dòng)電源。備用變頻器可在三臺(tái)電動(dòng)機(jī)任意一臺(tái)工作變頻電氣系統(tǒng)故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)調(diào)速運(yùn)行。

    正常情況下，每臺(tái)壓縮機(jī)均有一臺(tái)主變頻器TF通過QF2連接至電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的電氣驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)并可根據(jù)合成氨裝置的生產(chǎn)需求調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速改變氣量，達(dá)到滿足生產(chǎn)的目的。

    以合成氣壓縮機(jī)為例：壓縮機(jī)主變頻驅(qū)動(dòng)時(shí)，首先檢查備用變頻器輸出側(cè)QF13與電動(dòng)機(jī)處于斷開狀態(tài)，然后閉合工作變頻器TF1輸出側(cè)開關(guān)QF12與電動(dòng)機(jī)M1連接。送電啟動(dòng)步序：①Q(mào)F13處于分?jǐn)酄顟B(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)條件滿足、變頻器待機(jī)正常；⑥啟動(dòng)變頻器TF1運(yùn)行；⑦合成氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完畢。

    當(dāng)合成氣壓縮機(jī)主電氣系統(tǒng)故障或需要檢修時(shí)，壓縮機(jī)可利用備用變頻TF4提供不間斷變頻驅(qū)動(dòng)運(yùn)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(jī)啟動(dòng)保護(hù)參數(shù)組；③操作確認(rèn)電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)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(jī)具備變頻器啟動(dòng)運(yùn)行條件、變頻器待機(jī)正常；⑥啟動(dòng)備用變頻器驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組運(yùn)行；⑦電動(dòng)機(jī)M1變頻運(yùn)行恢復(fù)完畢。

    備用變頻器TF4自動(dòng)確認(rèn)電動(dòng)機(jī)匹配，選擇與之對(duì)應(yīng)的控制功能和對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)控制工藝參數(shù)；滿足備用變頻器可替代合成氣、氨氣、二氧化碳?jí)嚎s機(jī)用變頻器的需求。

    五、配套應(yīng)用技術(shù)

    在采用電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)替代“鍋爐+汽輪機(jī)”的驅(qū)動(dòng)方案后，系統(tǒng)采用變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)解決電氣系統(tǒng)中變頻器與高壓開關(guān)、壓縮機(jī)組、生產(chǎn)工藝之間的協(xié)調(diào)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(diào)問題。

    另外，高壓變頻器在運(yùn)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(tǒng)解決變頻器的環(huán)境散熱問題。通過系統(tǒng)化集成解決方案的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)電氣驅(qū)動(dòng)的工藝控制、變頻驅(qū)動(dòng)控制、環(huán)境控制等。

    六、結(jié)束語

    通過對(duì)40萬噸合成氨裝置壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析和實(shí)踐證明，以高壓變頻為核心的電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完全能夠滿足化工生產(chǎn)中對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、氣量調(diào)節(jié)的需求；并且在項(xiàng)目投資運(yùn)營方面獲得可觀的經(jīng)濟(jì)收益。該項(xiàng)目的實(shí)施，為化工行業(yè)超大功率壓縮機(jī)組解決能源與經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效生產(chǎn)等綜合問題，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(jié)能降耗和環(huán)保生產(chǎn)建設(shè)和改造項(xiàng)目中積極推廣。