超大功率高压变频器在中盈化肥压缩机中的应用

项目概述:

安阳中盈化肥80万吨尿素项目2010年7月由上级政府部门批准备案，地点设在滑县，计划建设周期为2010年7月—2012年12月，所采用的清洁生产工艺技术是世界领先的，气化工序采用世界上先进的水煤浆气化技术；净化工序采用耐硫变换、低温甲醇洗、液氮洗及进口硫回收技术；氨合成工序采用瑞士卡萨利低压合成工艺；尿素合成工序采用进口CO2气提法工艺。整个系统中核心技术是世界最先进的，工程配置是最优化的，能量系统是最合理的，生产成本必将也是最低的，建成后将是目前河南省最大的一套尿素生产装置。

生产合成氨的基本过程如下方框图表示：

其生产工艺中合成气压缩机、二氧化碳压缩机和氨气压缩机均采用利德华福高压变频器驱动。下面就氨气压缩机为例做具体介绍

工艺原理及流程简述:

氨冷冻主要是通过典型的压缩制冷循环（压缩→冷凝→节流→蒸发），将液氨这一良好的冷冻剂（其蒸发潜热大）循环使用，从而为不同的用户提供不同冷冻等级的冷量，同时回收氨冷用户因换热而产生的气氨，通过再次升压、降温得到液氨供氨冷用户循环使用。

氨压缩机由电机驱动，电机与压缩机机之间由齿轮箱连接，通过大小齿轮数176/29速比6.069来控制调节压缩机转速，电机转速由利德华福高压变频器实现调节控制，变频器将工频50Hz的电源转换为0-50Hz的频率电源来控制电机转速，电机转速为1490 r/min根据速比使压缩机转速控制在9043r/min这样来实现压缩机做功。

重要参数:

一、氨压缩机组主要参数：

序号 项目 单位 数值 备注
1 低压缸一段入口流量 Nm3/h 30910
2 低压缸一段进口压力 MPa（A） 0.065
3 低压缸一段进口温度 ℃ -38
4 低压缸一段出口压力 MPa 0.266
5 低压缸一段出口温度 ℃ 79.9
6 高压缸一段入口流量 Nm3/h 74003
7 高压缸一段进口压力 MPa 0.264
8 高压缸一段进口温度 ℃ 27.5
9 高压缸一段出口压力 MPa 0.581
10 高压缸一段出口温度 ℃ 99.3
11 高压缸二段入口流量 Nm3/h 110733
12 高压缸二段进口压力 MPa 0.557
13 高压缸二段进口温度 ℃ 30.7
14 高压缸二段出口压力 MPaA 1.759
15 高压缸二段出口温度 ℃ 139.1
16 额定功率 KW 9920
17 正常功率SOR/EOR KW 8800/8790
18 压缩机额定工作转速 Rpm 9014
19 最大可调转速 Rpm 9043
20 最小可调转速 Rpm 6761
21 低压缸第一临界转速 Rpm 3158
22 高压缸第一临界转速 Rpm 3107
23 旋向方向 从驱动侧看顺时针
24 润滑油牌号 GB11120-N46 透平油

压缩机

二、电机参数：

额定功率：11000KW
额定电流：731A
额定电压：10KV
额定转速:1490 r/min
额定频率50HZ
功率因数0.90
效率96.5%
最大转矩倍数1.8
堵转电流倍数4.5
堵转转矩倍数0.6

高压电机

三、增速箱的参数：

额定齿轮箱功率：11000 KW
额定转速 输入/输出：1490/9043
齿轮齿数 大齿轮/小齿轮：176/29
实际使用能效系数：1.45

四、变频器原理、技术参数、系统方案及现场运行

(1) 变频调速原理

按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式：

n=(1-s)60f/ P =n0×(1-s)

式中：P-电机极对数；f-电机运行频率；s-滑差。

从式中看出，电机的同步转速n0正比于电机的运行频率(n0=60f/p)，由于滑差s一般情况下比较小（0-0.05），电机的实际转速n约等于电机的同步转速n0，所以调节了电机的供电频率f，就能改变电机的实际转速。

而改变频率必须改变供电电压，由交流电机成立的电磁关系式：

E=4.44fwΦ

式中：E-电机电动势，f-定子频率，W-绕组系数，Φ-气隙主磁通。

对异步电机调速时，希望主磁通Φ恒定，即U/F保持恒定，所以改变频率时，供电电压也应跟着变化。

(2)变频器主要参数：

额定容量 6900×2KVA
额定输出电流 730A
额定电压10KV；
最高电压11KV；
电压正常变化范围（1±10%）un；
额定频率50HΖ；
频率变化范围±0.2HΖ；
电动机成组自起时，母线电压65% un；
最大一台电机启动时，母线电压80% un；
10KV母线侧短路电流40kA（有效值）100kA（峰值）；
中性点：经消弧线圈方式接地。

(3)系统方案

该系统主要包括：10kV电压等级18MW合成气压缩机1台、11MW氨气压缩机1台、11.5MW二氧化碳压缩机1台。其容量均在10MW级，属超大功率旋转负载。

高压电机选用两极异步电动机驱动，采用1:3.12增速齿轮箱与与压缩机负载连接。选用利德华福电压源型单元串联多电平结构变频器，网侧功率因数大于0.95、网侧谐波污染小于3%、适用于普通异步电动机；而无需增设无功补偿或选用同步电动机。

压缩机系统采用变频驱动后，压缩机组可实现软起动、软停车功能，并且能够承受系统喘振时产生的电气瞬时过载冲击负荷，而不会保护误动。采用变频启动时的电流加速曲线如图一所示。另外，变频器可以按照合成氨装置生产所需的压缩机升速曲线实现，调节压缩机转速；其启动过程的加速特性如图二所示。