LNG工厂制冷压缩机高压变频系统效率探究

刘小辉

摘要：本文通过分析某LNG工厂制冷压缩机高压变频系统的工作原理和实际工况，探究高压变频控制调速系统在进气量不同的载荷下，变频器内部损耗与工作效率之间的关系，以实现变频器经济高效运行，这对LNG工厂节能降耗有着重要意义。

关键词：LNG工厂;制冷压缩机;高压变频系统;效率

0  引言

随着电气传动技术不断发展，高压变频器具有控制准，响应速度快，安装方便，节能效果显著等特点，被广泛应用在大功率的制冷压缩机的控制中。详细的梳理制冷压缩机高压变频系统的组成以及工作原理，分析制冷压缩机在不同负荷状态运行工况，明确系统损耗与工作效率之间的关系，有利于促进冷剂压缩机经济高效运行[1]。

1  高压变频调速系统概述

1.1 离心式制冷压缩机简述

制冷压缩机作为LNG液化单元的核心设备，当天然气供应量发生波动时，工艺参数需要及时进行调整，因此只有采用高压变频器调节系统才能满足生产工艺要求。目前，在LNG生产中，制冷压缩机电机主要使用10kV正压型三相异步电动机，采用变频调速驱动。

在LNG生产过程中，制冷压缩机运行功率约为全厂负荷的69%，耗能高。在当前绿色环保理念下，选择合适的变频器，并根据生产严格控制高压变频系统的运行参数，才能提高设备利用率，获得更高的经济效益。某LNG工厂的离心式制冷压缩机相关参数如表1。

1.2 工作原理

高压变频调速系统主要存在于高压电源与高压电动机之间，是变频调速设备。其具有运行性能安全，安装简单方便的优势，被广泛的运用在大型工厂中。该设备的运用，在满足工厂生产需求的同时，也提升了工厂系统的自动化程度。自动化水平的提升，对工厂的节能减排有着重要的意义。在高压变频系统中，其主要通过高压进线断路器IQF与母线电网进行连接，与此同时，母线电压要经过多组副边绕组处理，达到降压的处理效果，进而实现移相。最终输入到高压变频器中，为高压电动机供电工作[2]。

2  高压变频器的组成

2.1 功率单元

高压变频器的功率单元主要由整流斩波模块和两个相模块组成。相模块的主电路主要由缓冲电路、壳体、接插板、2只IEGT、2只续流二极管组成;整流部分为三项二极管整流桥。主要由风冷散热器、壳体、接插板以及6只整流二极管组成。上述器件共同组成了功率单元，在功率电源中所产生的波形正弦度良好，对电机的影响较小，同时也降低了电机的谐波损耗[3]。

2.2 输入移相变压器

在高压变频器中存在的移相变压器，移相变压器原边额定输入电压为10kV。移相变压器的运用旨在实现多重化整流，同时减少高压变频器的输入谐波。移相变压器的副边额定输出电压为1.80kV。为了实现变压器一次侧、二次侧线电压的相位偏移，移相变压器主要通过二次移相6个电角度得以实现的。为了消除谐波的影响，移相变压器与高压变频器中各个功率单元的二极管整流桥构成36脉波整流，最終达到消除谐波影响的目的。而且输入电流的总谐波含量较低，改善了电网的运行质量，为工厂工作运行提供高质量电源[4]。

2.3 控制系统

高压变频器所采用的控制系统为数字化系统，其主要将工厂现场工作的实际情况反映到控制机中，并且可以充分利用控制机实现对网络通讯、开环、闭环等控制功能进行控制[5]。

3  高压变频器的工作效率分析

高压变频器的损耗主要由移相变压器产生的损耗和功率单元的电力电子元件损耗还有通风散热系统损耗以及控制回路损耗四部分组成。其中，控制回路损耗及通风散热系统损耗与负荷大小无关，功率单元的电力电子元件损耗和负荷关联比较复杂，然而移相变压器受负荷波动较为敏感。

高压变频变压器损耗计算公式：

有功损耗：

无功损耗：

综合功率损耗：

其中，空载损耗为P0，单位为kW;额定负载损耗为PK，单位为kW;空载无功损耗Q0，单位为kvar;额定负载漏磁功率QK，单位为kvar;变压器空载电流百分比I0%，短路电压百分比为UK%，负载波动损耗系数为KT，无功经济当量KQ，单位kW/kvar。

制冷压缩机的高压变频器运行过程中，应测量其在不同天然气负荷率中的实际耗能，以M制冷压缩机高压变频器为例，计算得出高压变频器的实际工作效率。制冷压缩机高压变频器工作运行的标准功率为：若是高压变频器的负载率为80%时，其工作效率能够达到98.95%;若是高压变频器的负载率为90%时，其工作效率能够达到98.96%;若是高压变频器的负载率为100%时，其工作效率能够达到98.97%。

通过对实际工作中高压变频器运行工作效率进行计算，将相关数据以及参数汇总如表2、图1。

由此可知，当天然气负荷率在82%时，M制冷压缩机高压变频器输出功率为额定功率的99.6%，此时高压变频器的节能效果良好。

4  结束语

综上所述，在LNG生产中，选择合适的高压变频调速系统，既能实现节能增效，提升经营效益;又能保障设备安全可靠的运行。研究LNG工厂制冷压缩机高压变频器系统技术，有利于促进LNG工厂的持续发展。

参考文献：

[1]钱永刚，井帅，孙明烨，等.LNG冷剂压缩机系统专项应力分析的应用和探讨[C].2017中国燃气运营与安全研讨会，2017.

[2]刘佳，白改玲.中小型天然气液化工厂BOG压缩机技术和经济分析[J].压缩机技术，2017（2）：60-64.

[3]何俊，陶乐仁，虞中旸.VRF制冷系统过热度振荡对压缩机热力性能影响[J].化学工程，2018（5）：23-27.

[4]王崇亮，张帅，李前舸，等.压缩机性能试验系统的故障检测及可靠性研究[J].制冷技术，2019（3）：22-29.

[5]甘海龙.新型喷油螺杆压缩机在煤层气制LNG中的应用[J].能源与环保，2017（11）：111-114.