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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(qū)動”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(jié)能減排的國家背景下，存在以下幾方面的問題：

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

    2、 裝置投產(chǎn)后，燃煤鍋爐的運營維護成本高。

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

    4、 系統(tǒng)調(diào)節(jié)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(nèi)超大功率高壓變頻傳動技術的成熟應用。該項目在設計中考慮采用電力驅(qū)動替代“鍋爐+汽輪機驅(qū)動”。

    二、經(jīng)濟性可行性分析

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

    表1 合成氨裝置主機系統(tǒng)兩種不同驅(qū)動方式的經(jīng)濟性比較

    

    從上述兩種方式的比對分析看，電氣驅(qū)動在經(jīng)濟性上優(yōu)勢明顯。不僅可以節(jié)約項目投資費用、建設周期，獲得顯著的企業(yè)收益；而且能夠取得良好的社會效益。采用該節(jié)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(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展政策。

    三、技術可行性分析

    該40萬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(jù)工藝生產(chǎn)對設備工況的需求，結合電氣驅(qū)動的需要。電氣驅(qū)動系統(tǒng)主要需具備以下幾方面的能力： 

    1. 采用高壓電動機驅(qū)動，通過增速齒輪箱滿足壓縮機系統(tǒng)的高速運行需要。

    2. 能夠依工藝需求，進行分階段加減速調(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)需求進行壓縮機轉(zhuǎn)速、氣量調(diào)節(jié)。

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

    5. 電氣系統(tǒng)對電網(wǎng)無沖擊，網(wǎng)側功率因數(shù)大于0.9、對電網(wǎng)電壓諧波污染小于3%；滿足電力部門對用電標準。

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

    采用電壓源型高壓變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，配套10kV供配電系統(tǒng)能夠解決上述技術需求。從根本上，解決合成氨裝置主壓縮機系統(tǒng)的經(jīng)濟性與技術性的雙重標準要求，實現(xiàn)投資小見效快，安全可靠、運營成本低的實施目的。

    四、系統(tǒng)方案

    該系統(tǒng)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(zhuǎn)負載。

    高壓電機選用兩極異步電動機驅(qū)動，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(shù)大于0.95、網(wǎng)側諧波污染小于3%、適用于普通異步電動機；而無需增設無功補償或選用同步電動機。

    壓縮機系統(tǒng)采用變頻驅(qū)動后，壓縮機組可實現(xiàn)軟起動、軟停車功能，并且能夠承受系統(tǒng)喘振時產(chǎn)生的電氣瞬時過載沖擊負荷，而不會保護誤動。采用變頻啟動時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)所需的壓縮機升速曲線實現(xiàn)，調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速；其啟動過程的加速特性如圖二所示。

                 

                 圖一、壓縮機啟動過程電流加速特性曲線 圖二、壓縮機啟動加速特性曲線

    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(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)側變壓器容量均為6.3MVA可同時為兩段母線負載供電；確保單段電源丟失時，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、TF表示變頻器、ML表示母聯(lián)開關、GN表示隔離開關柜、M表示電動機。QFx2和QFx3之間存在電氣與邏輯雙重互鎖關系，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(qū)動一次動力系統(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。當單段電網(wǎng)供電或變壓器故障時，廠區(qū)可通過ML-GN依賴另外一段電源供電變壓器承擔生產(chǎn)100%用電負荷；而無需停產(chǎn)。|

    三臺壓縮機的電動機驅(qū)動系統(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)動電源。備用變頻器可在三臺電動機任意一臺工作變頻電氣系統(tǒng)故障時，驅(qū)動壓縮機調(diào)速運行。

    正常情況下，每臺壓縮機均有一臺主變頻器TF通過QF2連接至電動機，實現(xiàn)壓縮機的電氣驅(qū)動。系統(tǒng)并可根據(jù)合成氨裝置的生產(chǎn)需求調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速改變氣量，達到滿足生產(chǎn)的目的。

    以合成氣壓縮機為例：壓縮機主變頻驅(qū)動時，首先檢查備用變頻器輸出側QF13與電動機處于斷開狀態(tài)，然后閉合工作變頻器TF1輸出側開關QF12與電動機M1連接。送電啟動步序：①Q(mào)F13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啟動條件滿足、變頻器待機正常；⑥啟動變頻器TF1運行；⑦合成氣壓縮機電動機啟動完畢。

    當合成氣壓縮機主電氣系統(tǒng)故障或需要檢修時，壓縮機可利用備用變頻TF4提供不間斷變頻驅(qū)動運行。備用變頻啟動步序：①操作QF12分閘狀態(tài)；②操作QF13的合閘，備用變頻器TF4自動選擇適配電動機啟動保護參數(shù)組；③操作確認電動機對應的工位有效，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運行條件、變頻器待機正常；⑥啟動備用變頻器驅(qū)動壓縮機組運行；⑦電動機M1變頻運行恢復完畢。

    備用變頻器TF4自動確認電動機匹配，選擇與之對應的控制功能和對應的壓縮機控制工藝參數(shù)；滿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

    在采用電氣驅(qū)動系統(tǒng)替代“鍋爐+汽輪機”的驅(qū)動方案后，系統(tǒng)采用變頻協(xié)調(diào)控制技術解決電氣系統(tǒng)中變頻器與高壓開關、壓縮機組、生產(chǎn)工藝之間的協(xié)調(diào)控制關系，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用，實現(xiàn)壓縮機電氣驅(qū)動的工藝控制、變頻驅(qū)動控制、環(huán)境控制等。

    六、結束語

    通過對40萬噸合成氨裝置壓縮機驅(qū)動系統(tǒng)的分析和實踐證明，以高壓變頻為核心的電氣驅(qū)動系統(tǒng)完全能夠滿足化工生產(chǎn)中對壓縮機轉(zhuǎn)速、氣量調(diào)節(jié)的需求；并且在項目投資運營方面獲得可觀的經(jīng)濟收益。該項目的實施，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)等綜合問題，提供了新思路、新方法；值得在化工生產(chǎn)領域的能源利用、節(jié)能降耗和環(huán)保生產(chǎn)建設和改造項目中積極推廣。