高压变频器在油气初加工装置应用的可行性分析

孙胜勇（大庆油田有限责任公司天然气分公司）



高压变频器在油气初加工装置应用的可行性分析

孙胜勇（大庆油田有限责任公司天然气分公司）

摘要：针对油气初加工装置压缩机组运行中能耗较高且启机操作难度较大的实际问题，结合高压变频器在其他行业的应用情况，提出高压变频器在油气初加工装置应用的想法，分别从变频器自身可靠性、变频器调节装置工艺参数、变频器节能以及变频器的带负荷启动等方面对其应用的可行性进行了详细阐述；同时，提出应用时需解决额定工况点和控制变量如何选取的实际问题，并给出初步的解决思路，得出了高压变频器在油气初加工装置中完全可以应用并比常规控制更具优势的结论。

关键词：油气初加工装置；高压变频器；调节参数；控制变量；节能

1　高压变频器工作原理

高压变频器是指输入电源电压在3 kV以上的大功率变频器，是一种串联叠加性高压变频器，即采用多台单相三电平逆变器串联连接，输出可变频变压的高压交流电[1]。主要有3、3.3、6、6.6、10 kV等电压等级的高压大功率变频器。

高压变频器通常由移相变压器、功率、控制单元3部分组成，如图1所示。三相高压电经高压开关柜进入，经输入降压、移相给功率单元柜内的功率单元供电，功率单元分为3组，1组为一相，每相的功率单元的输出首尾相串。主控制柜中的控制单元通过光纤对功率柜中的每1功率单元进行整流、逆变控制与检测，根据实际需要通过操作界面进行频率的给定，控制单元把控制信息发送到功率单元进行相应的整流、逆变调整，输出满足负荷需求的电压等级。

图1　高压变频器结构示意图

2　高压变频器应用领域

高压变频器应用范围广泛，主要涉及到电力、冶金、石油石化等行业，如电力行业的给水泵、灰浆泵等[2]；冶金行业的引风机、进料泵、高炉鼓风机等；石油石化行业的注水泵、管道泵、气体压缩机等。

应用高压变频器对电动机转速进行调节的最大好处是可以达到节能的目的，尤其是对于变工况的应用场合节能效果更为明显。以南京钢铁集团公司的2300 kW焦炉引风机为例，为满足工艺需求该引风机需周期性工作，25 min需要满负荷引风，20 min无需引风。对于恒转速电动机而言，在不需要引风的时间内电动机处于空转状态，电流约为30%～50%电动机额定电流，这部分电流不是做有用功，而是机械在额定转速下的空转损耗。而应用高压变频器后，完全可以在无需引风时将电动机转速降到30%以下，从而达到节能的目的。根据计算，应用高压变频器后，焦炉引风机组的综合能耗下降30%，节能效果明显。

3　油气初加工装置如何应用高压变频器

高压变频器通常应用在工艺生产过程周期性变化的场合，对于油气初加工装置的连续恒定工况的生产过程是否适应，就目前而言，国内尚无应用案例。以下从几个方面对其应用的可行性进行阐述。

1）高压变频器自身可靠性。从高压变频器的应用领域以及技术成熟度上来看，应用范围广，性能稳定，故障率低，且变频器自身也采用了冗余技术和完备的保护措施，就自身可靠性而言完全能够胜任油气加工装置的生产要求。

2）高压变频器节能与工艺参数调节。作为油气初加工装置的核心设备，原料气压缩机（离心机）运行情况的优劣直接影响整个装置的效率、效益。对于压缩机的控制通常都是通过调节入口压力、流量以及出口压力来进行，即对于恒转速的离心式压缩机而言，若想改变机组的工作点，只能通过改变管路特性曲线来实现。如图2所示，不但会增加操作难度以及员工的劳动强度，同时也会造成不必要的能量损失。若能应用高压变频装置，即可通过调整压缩机转速来改变工作点，进而满足生产需求。当装置负荷在70%～110%的工况下，可通过变频器自动对电动机转速进行微调，保证压缩机出口压力恒定，而无需操作人员频繁地调节压缩机入口阀开度以及下游膨胀机入口喷嘴开度，减少系统压力波动，保证装置运行的平稳性。以中石油西气东输邳州压气站的高压变频调节异步电动机-离心式压缩机运行报表（表1）为例，说明压缩机组在正常工况时变频器对压缩机出口压力随压缩机入口压力变化的调节作用。从运行报表及生成的曲线中可以看到，当装置负荷在正常范围内时，为了保证压缩机出口压力稳定，当压缩机进口压力降低时，变频器输出增加，电动机转速升高，电动机电流随之增大。因此，在此工况下，高压变频器的作用主要体现在调节工艺系统参数（图3）。

图2　离心式压缩机工作点示意图

当装置负荷降至70%以下时，为了维持机组的正常运行，防止压缩机进入喘振区，目前通用的操作方法是适当打开压缩机回流阀，压缩机出口的部分气体返回入口虽然能够解决喘振问题[3]，但是机组的能耗会明显增加，效率降低，装置生产效益会下降。若能应用高压变频装置在保证入口流量不变的情况下适当降低压缩机转速，即可使压缩机工作点脱离喘振区（图4），使得压缩机无须开回流便能正常运行，从而达到节能的目的。由于离心式压缩机为平方转矩负载，即轴功率与转速变化的立方成正比，若装置长期在低负荷下运行，应用高压变频器节能效果将非常显著。

表1　邳州压气站电动机－离心式压缩机组运行参数

图3　邳州压气站运行参数曲线

图4　离心式压缩机喘振曲线

当装置负荷超过110%时，为防止电动机过载，目前，只能将压缩机入口调节阀适当关小以降低负荷，这样操作的弊端是压缩机入口的压力能无法有效利用，造成能量浪费，不利于装置整体运行效益的提升。若应用高压变频器适当降低压缩机转速，而无须关小入口调节阀，不但机组自身能耗下降，还可以利用压缩机的入口压力能，达到进一步节能的效果[4]。

3）高压变频器带负荷启动。由于受到自身特性的影响，三相异步电动机启动时的电流是其正常运行时的4～7倍[5]；因此，为避免压缩机在启动过程中出现过载停车事故，目前均采用空载启动方式，而空载启动操作难度大，等到压缩机达到额定转速后再打开入口阀需要克服巨大的阻力；若不能及时打开很容易造成喘振停车，即使打开对入口气量的控制要求也很高，稍有不慎就可能造成过载。若采用高压变频器便可实现压缩机带负荷启动，即启机前即可打开压缩机入口调节阀，启机时通过控制电动机和压缩机转速升高的幅度来控制电动机不会过流，提高了操作的可靠性。

4　需要进一步解决的问题

综上所述，高压变频器在油气初加工装置中应用较传统控制是有较大的优势，但若真采用高压变频器还需解决如下问题：

1）额定工况点选取。对于恒定转速的压缩机组而言，电动机的额定功率、电流以及转速等参数相对容易确定；但对于变频控制的压缩机组而言，要考虑装置在不同工况下的运行调节，既能保证对装置参数的精准调节，又能实现良好的节能效果；因此，需要设计人员、压缩机厂家和使用单位进一步结合、论证方能确定。

2）控制电动机转速变化的变量选取。目前国内应用高压变频器进行生产控制的企业，所选取的控制电动机转速变化的控制量均为单变量，如压缩机出口压力、倾斜角度、运行时间等，对于单变量的控制方案比较简单，很容易实现。但由于油气初加工装置的生产工艺较为复杂，仅仅以单个变量控制压缩机转速无法满足生产需求，甚至造成不良后果；因此，如何选取电动机转速的控制变量是实际应用中至关重要的问题。初步的想法是，根据装置进气压力、压缩机入口流量、压缩机出口压力以及装置制冷温度等参数的协调配合来控制电动机的转速，最终实现对装置的整体调节。

5　结论

从降低油气初加工装置大型机组能耗和装置操作难度的角度出发，提出了应用高压变频器的设想，并从变频器自身可靠性、变频器调节装置工艺参数、变频器节能以及变频器带负荷启动等方面对其可行性进行了充分论述，得出了相对于传统控制而言，变频器调节更加可靠、高效的结论，完全能够应用在油气初加工装置中；同时，提出了需要解决的实际问题，即对于额定工况点的选取需要经过严密的论证和理论计算后方能确定，对于控制变量的选取可在实际应用中不断进行修正，最终找到最佳运行点。

参考文献：

[1]周昆.浅析高压变频的基本原理及应用领域[J].科技创业，2010，20（12）：211-212.

[2]胡松如，李遵基.高压变频调速控制节能原理分析[J].中国电力，2003，36（1）：67-68.

[3]郑水成，董爱娜.离心式压缩机防喘振控制系统设计探讨[J].石油化工自动化，2004，18（5）：16-17.

[4]姚春东.离心式压缩机调速运行的节能率计算及优化[J].压缩机技术，2004，20（6）：4-7.

[5]黄建龙.软启动器及其应用[J].企业技术开发，2006，25（5）：8-19.

（编辑王艳）

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收稿日期2015-11-25

作者简介：孙胜勇，工程师，2008年毕业于大庆石油学院（控制理论与控制工程专业），现从事油田伴生气初加工技术管理工作，E-mail：sunshengyong@petrochina.com.cn，地址：黑龙江省大庆市萨尔图区油气加工七大队，163416。

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.02.005