超大功率高压变频器在中盈化肥压缩机中的应用

图一、压缩机启动过程电流加速特性曲线 图二、压缩机启动加速特性曲线

三台压缩机组的装机功率40.5MW，电网累计容量需求5.0625MVA。电气配电系统中11MW、11.5MW 采用II段母线供电，18MW及备用变频器(18MW)采用III段母线供电。每段母线网侧变压器容量均为6.3MVA可同时为两段母线负载供电；确保单段电源丢失时，单段母线保证生产连续。
方案采用全容量高压变频备用的一拖一变频切换系统方案，其原理如图三所示。其中，QF表示高压开关、TF表示变频器、ML表示母联开关、GN表示隔离开关柜、M表示电动机。QFx2和QFx3之间存在电气与逻辑双重互锁关系，防止变频器输出侧发生短路等严重事故(x，表示设备编号)。

图（三）高压电气配电与变频驱动一次动力系统图

厂变由两路110kV电网接入10kV高压301变电站，提供II、III两段母线变压器供电。当单段电网供电或变压器故障时，厂区可通过ML-GN依赖另外一段电源供电变压器承担生产100%用电负荷；而无需停产。

三台压缩机的电动机驱动系统，由301变电站II、III段母线分别引至313变电所。其中，备用变频器下挂于III段母线，QF41提供10kV驱动电源。备用变频器可在三台电动机任意一台工作变频电气系统故障时，驱动压缩机调速运行。

正常情况下，每台压缩机均有一台主变频器TF通过QF2连接至电动机，实现压缩机的电气驱动。系统并可根据合成氨装置的生产需求调节压缩机转速改变气量，达到满足生产的目的。

以合成气压缩机为例：压缩机主变频驱动时，首先检查备用变频器输出侧QF13与电动机处于断开状态，然后闭合工作变频器TF1输出侧开关QF12与电动机M1连接。送电启动步序：①QF13处于分断状态；②操作QF12合闸；③变频器允许高压合闸；④操作QF15合闸；⑤启动条件满足、变频器待机正常；⑥启动变频器TF1运行；⑦合成气压缩机电动机启动完毕。

当合成气压缩机主电气系统故障或需要检修时，压缩机可利用备用变频TF4提供不间断变频驱动运行。备用变频启动步序：①操作QF12分闸状态；②操作QF13的合闸，备用变频器TF4自动选择适配电动机启动保护参数组；③操作确认电动机对应的工位有效，TF4具备高压合闸允许条件，允许QF45合闸；④操作QF45合闸；⑤压缩机具备变频器启动运行条件、变频器待机正常；⑥启动备用变频器驱动压缩机组运行；⑦电动机M1变频运行恢复完毕。

备用变频器TF4自动确认电动机匹配，选择与之对应的控制功能和对应的压缩机控制工艺参数；满足备用变频器可替代合成气、氨气、二氧化碳压缩机用变频器的需求。

(4)、协调控制、调速及状态

控制逻辑系统采用变频协调控制技术（IECS协调控制系统柜）解决电气系统中变频器与高压开关、压缩机组、生产工艺之间的协调控制关系，以及主变频器与备用变频器之间的切换替代等协调问题。

变频转速控制信号为3点互为冗余，变频器根据3个频率接入信号进行3取中处理后进行变频器频率输出调节。当有其中一路频率给定指令中断或超量程后，变频器自动选择另外俩路正常的信号2取中，当变频器给定频率信号完全丢失时，变频器可设定掉线保持或最大、最小或停车等运行模式，保证在给定信号完全丢失的情况下，仍能够安全处理，最大限度的保证生产调节的连续性。

变频器除了向用户输出DO、AO等硬连线传输变频器所有状态，还预留MODBUS通讯接口，可传输变频器内部变量包括：变频器输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、给定频率、运行频率、变压器温度、变频器报警、故障和运行状态，以满足用户多元化要求。

变频协调控制柜

(5)、配套应用技术

另外，高压变频器在运行中将产生3%的效率损失，并以热量形式散失在环境中。需要配套高压变频空-水冷却系统解决变频器的环境散热问题，空-水冷系统具有进水口压力和出水口压力检测报警，进水口温度出水口温度检测报警和流量调节控制，空-水冷系统的压力、水温、流量用户在远程可实时监控和调节。通过系统化集成解决方案的应用，实现压缩机电气驱动的工艺控制、变频驱动控制、环境控制等。

空-水冷系统

（6）、现场运行情况

6.1、电机实现了软启动、软停车，电机启动电流远远小于额定电流，启动时间相应延长，对电网冲击很小。

.6.2、相比传统启动方式，采用变频启动压缩机出入口压力差降低了很多，从而减轻了起动机械转矩对电机机械损伤，降低了噪音，有效的延长了电机的使用寿命，相应地延长了许多零部件的寿命；同时极大的减轻了对管道的冲击，有效延长了管道的检修周期，减少了检修维护开支，节约大量维护费用。

6.3、实现了电机平稳无极调速，提高了生产工艺精度。

节能效益

目前，国内年产单体40万吨及以上合成氨装置设计中，合成气压缩机、氨气压缩机、二氧化碳压缩机等主压缩机组主要采用“锅炉+汽轮机驱动”的方式生产运行。该种陈旧的建设模式，在新的经济形式和节能减排的国家背景下，存在以下几方面的问题：

1、 在新建项目中，“锅炉+汽轮机驱动”的方式投资高、占地面积大、建设周期长。
2、 装置投产后，燃煤锅炉的运营维护成本高。
3、 燃煤锅炉能效低，厂区蒸汽跑、冒严重、烟气排放环境污染严重。
4、 系统调节性能差，生产效率低，能源浪费较大。
5、 锅炉蒸汽生产水耗、煤耗指标高，生产成本压力大。

综合上述因素，结合目前国内超大功率高压变频传动技术的成熟应用。该项目在设计中考虑采用电力驱动替代“锅炉+汽轮机驱动”。

采用电力驱动系统，将直接节约锅炉占地、建设投入，以及后续运营维护成本和环境污染，提供生产效率。针对两种驱动方式的经济性比较如下表1所示。