變頻器在天然氣凈化應(yīng)用中的分析

李 俊

大港油田 第四采油廠 (天津 大港 300280)

變頻器在天然氣凈化應(yīng)用中的分析

李 俊

大港油田 第四采油廠 (天津 大港 300280)

介紹了變頻器變頻調(diào)速的基本原理，分析了變頻器在天然氣凈化應(yīng)用中的優(yōu)越性，使用中應(yīng)注意的問(wèn)題及系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問(wèn)題，得出變頻器可廣泛應(yīng)用于天然氣凈化處理工藝中的結(jié)論。

變頻器 天然氣 凈化處理

在石化工程中，油氣集輸、凈化等系統(tǒng)中使用的油泵、溶液泵經(jīng)常處于工況運(yùn)行狀態(tài)，采用強(qiáng)制調(diào)節(jié)閥方式，易使泵形成旋渦沖擊，產(chǎn)生激烈振動(dòng)的噪音，這會(huì)降低泵的使用壽命并造成環(huán)境污染；同時(shí)，交流電機(jī)所拖動(dòng)的風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載，其用電量約占整個(gè)工業(yè)用電量的70%左右，因此合理使用電動(dòng)機(jī)，提高其工作效率，降低能耗就顯得十分重要。采用變頻器后，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流可降低至電動(dòng)機(jī)額定電流的1.5～2.0倍。這樣既避免了泵形成旋渦沖擊，保護(hù)電機(jī)，減小噪音，同時(shí)也降低了能耗。

變頻器變頻調(diào)速的基本原理

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n=60f(1-s)/p，其中：f為電源頻率，p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)，s為電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率s變化不大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻率f成正比，與電機(jī)的極對(duì)數(shù)p成反比。因此，連續(xù)地改變供電電源的頻率，就可以平滑地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度。

目前，在長(zhǎng)慶氣田第一凈化廠應(yīng)用的變頻調(diào)速系統(tǒng)為可控硅變頻調(diào)速系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

它是將三相工頻交流電源通過(guò)可控硅整流、濾波器濾波、可控硅逆變后輸出不同頻率的交流電壓，以調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，變頻調(diào)速是一種無(wú)級(jí)、平滑而又經(jīng)濟(jì)的調(diào)速方法，可適用于不同的負(fù)載類(lèi)型，具有調(diào)節(jié)范圍寬、精度高等特點(diǎn)，是目前電動(dòng)機(jī)調(diào)速最理想的方法之一。

變頻器應(yīng)用的優(yōu)越性分析

長(zhǎng)慶氣田第一凈化廠共有23臺(tái)變頻器對(duì)部分重要機(jī)泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。其中：前5套凈化裝置中，脫硫單元共有10臺(tái)ROBICON(羅賓康)變頻器對(duì)10臺(tái)MDEA循環(huán)泵進(jìn)行溶液循環(huán)量控制；脫水單元共有10臺(tái)ABB變頻器對(duì)10臺(tái)TEG循環(huán)泵溶液循環(huán)量進(jìn)行控制；供水站1臺(tái)ABB變頻器對(duì)基地供水泵進(jìn)行流量控制；第6套裝置有2臺(tái)施耐德變頻器對(duì)TEG補(bǔ)充泵進(jìn)行流量控制。通過(guò)變頻器在長(zhǎng)慶油田第一凈化廠中的不斷應(yīng)用，其變頻技術(shù)給實(shí)際生產(chǎn)帶來(lái)的優(yōu)越性正日益突顯。

1 變頻器的節(jié)能分析

MDEA及TEG溶液的循環(huán)量隨原料氣的變化而相應(yīng)變化，傳統(tǒng)的方法是采用調(diào)節(jié)閥，這種方法不能節(jié)約電能；而采用變頻器調(diào)節(jié)泵的排量，不但可以減少溶液循環(huán)的損耗和熱爐的能耗，而且可以節(jié)約電能。其節(jié)能分析如下：

MDEA及TEG泵轉(zhuǎn)速與其流量、壓力、功率的關(guān)系如下：

Q=K1N

F=K1N2

P=K3N3

其中 Q—泵流量；

F—泵壓力；

P—泵功率；

N—泵轉(zhuǎn)速；

K—系數(shù)。

由P=K3N3可知，電動(dòng)機(jī)的輸出功率P與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速N3成正比，因此隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，電機(jī)所消耗的電能也隨之變化。

現(xiàn)以新鮮水泵（額定電流為139.2A）為例，計(jì)算變頻器節(jié)能所體現(xiàn)出的經(jīng)濟(jì)效益：

（1）使用變頻器

在保證正常生產(chǎn)f=36.6Hz情況下，新鮮水泵的正常運(yùn)行電壓U1=364V，電流為I1=54.4A，此時(shí)新鮮水泵運(yùn)行功率P1=U1×I1=19 801.6W

（2）未使用變頻器

新鮮水泵頻率f=50Hz情況下，新鮮水泵的正常運(yùn)行電壓U2=380V，電流為I2=139.2A，此時(shí)新鮮水泵運(yùn)行功率P2=U2×I2=52 896W，因此P1/P2=19 801.6/52 896=0.37，而電能 E=P·T，因此 E1/E2=P1/P2，即 E1=（P1/P2）·E2。

也就是說(shuō)當(dāng)使用變頻器后，新鮮水泵所消耗的電能為未使用變頻器時(shí)所消耗電能的37%，即功率消耗理論上比原來(lái)減少63%。

如果電費(fèi)為0.62元/kWh，電機(jī)效率為0.95，新鮮水泵運(yùn)行365d/a時(shí)：①在未使用變頻器的情況下， 新鮮水泵年耗電費(fèi)為：（75kW×24×365×0.62）×0.95=38.697 3萬(wàn)元；②在使用變頻器的情況下,新鮮水泵年耗電費(fèi)為：38.697 3×37%=14.318 0萬(wàn)元。則年節(jié)省電費(fèi)為：38.697 3－14.318 0=24.380 0萬(wàn)元。

2 變頻器便于流量控制

在供水系統(tǒng)中采用泵出口恒壓供水方式時(shí)，由于單位時(shí)間內(nèi)供水量保持恒定280m3/h，而用水量發(fā)生周期性波動(dòng)，如夏季水壓不足，影響生產(chǎn)；冬季水大量溢流，浪費(fèi)水資源，同時(shí)也浪費(fèi)了電能。采用變頻調(diào)速恒壓供水后，則可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要設(shè)置頻率，改變泵的轉(zhuǎn)速以達(dá)到調(diào)節(jié)流量（70～280m3/h）的目的，在保證正常生產(chǎn)的前提下，最大限度的減少總供水量，做到既節(jié)能又節(jié)約水資源。同時(shí)，變頻器的應(yīng)用也方便了柱塞泵的流量調(diào)節(jié)，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要調(diào)節(jié)TEG溶液的循環(huán)量，減少溶液損耗，使系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)得到有效控制，為整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行提供了可靠保證。

3 變頻器的應(yīng)用延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命

應(yīng)用變頻器能方便控制泵的出口壓力，防止因超壓損壞管線及閥門(mén)。以MDEA循環(huán)泵為例，未使用變頻調(diào)速時(shí)，泵頭壓力高達(dá)6.2MPa，而使用變頻調(diào)速后，泵頭壓力可控制在5.0 MPa左右。這樣有效地減小了管網(wǎng)及閥門(mén)的工作壓力，延長(zhǎng)了使用壽命。對(duì)于大功率電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，由于啟動(dòng)電流過(guò)大，會(huì)引起電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，而影響接在同一電網(wǎng)上其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，也會(huì)使電機(jī)受到過(guò)大電磁力的沖擊，若頻繁啟動(dòng)，還可能使電機(jī)的繞組過(guò)熱而影響電機(jī)的使用壽命。采用變頻調(diào)速后，可消除大電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)過(guò)大的沖擊電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)消除啟動(dòng)時(shí)沖擊力矩對(duì)電機(jī)的損壞，從而延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。

4 控制、接線系統(tǒng)優(yōu)化

在第一凈化廠中所采用的美國(guó)羅賓康ZD-454GT變頻器，具有良好的人機(jī)界面，LCD顯示鍵盤(pán)可同時(shí)在線顯示5種運(yùn)行參數(shù)值，可詳細(xì)、準(zhǔn)確反映變頻器工作狀況，其接線和控制系統(tǒng)如圖2所示。

此種控制接線設(shè)計(jì)的好處在于，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可以走旁路，不會(huì)因出現(xiàn)故障而影響生產(chǎn)，從而提高了供電的可靠性。

變頻器使用中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

變頻技術(shù)的應(yīng)用在給企業(yè)帶來(lái)一定經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也引入了許多不容忽視的問(wèn)題，如變頻器價(jià)格昂貴、電路復(fù)雜、使用條件苛刻等，針對(duì)第一凈化廠的實(shí)際情況，為了使變頻器更好的服務(wù)于生產(chǎn)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1 冷卻要求

變頻器內(nèi)部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響，產(chǎn)品一般要求環(huán)境溫度在0～45℃，但為了保證變頻器工作安全、可靠，使用時(shí)應(yīng)考慮留有余地，最好控制在40℃以下。

2 防止電磁波干擾

變頻器在工作中由于整流和變頻，周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對(duì)附近的儀表儀器有一定的干擾，如果處理不好電磁干擾，往往會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常工作，使得檢測(cè)錯(cuò)誤，在電機(jī)電纜中串聯(lián)電抗器可以減少電機(jī)電纜產(chǎn)生的電磁輻射干擾。

3 接地

變頻器正確接地是提高控制系統(tǒng)靈敏度、抑制噪音的重要手段，變頻器接地端E（G）的接地電阻越小越好，接地導(dǎo)線的截面積不小于2mm2，長(zhǎng)度應(yīng)控制在20m以?xún)?nèi)，變頻器接地必須與動(dòng)力設(shè)備的接地點(diǎn)分開(kāi)，不能共地。

系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問(wèn)題

目前，第一凈化廠所使用的23臺(tái)變頻器，自投運(yùn)以來(lái)運(yùn)行狀況基本穩(wěn)定，只有ROBICON(羅賓康)變頻器在環(huán)境溫度較高時(shí)出現(xiàn)過(guò)“接地”、“短路”、“過(guò)電流”故障報(bào)警顯示，原因是由于電機(jī)位于裝置區(qū)內(nèi)，而變頻器則安裝在配電室，二者平均間距150～300m，電機(jī)電纜的雜散電容對(duì)變頻器的影響較為明顯。由于變頻器出廠時(shí)載波頻率設(shè)置為8 kHz，所以變頻器輸出電壓中，含有較豐富的為載波頻率倍數(shù)的高次諧波電壓，因此，在長(zhǎng)的電纜上易形成附加的高次諧波電流，導(dǎo)致變頻器電流檢測(cè)失誤，誤報(bào)接地、短路故障。為此，應(yīng)將變頻器出廠時(shí)載波頻率調(diào)到最?。?kHz），以解決變頻器報(bào)警故障，確保裝置安全可靠運(yùn)行。

建 議

第6套裝置MDEA循環(huán)泵電機(jī)為德國(guó)產(chǎn)的，而泵是匈牙利產(chǎn)的，其設(shè)備成本昂貴，維修不便。高壓電機(jī)為10kV電壓直接啟動(dòng)，其啟動(dòng)電流高達(dá)186A，由于生產(chǎn)的需要，有時(shí)需不斷進(jìn)行啟停操作，這樣易對(duì)設(shè)備的使用壽命造成不利影響，建議對(duì)這兩臺(tái)高壓電機(jī)配置高壓變頻器。

結(jié) 論

由于變頻器具有節(jié)能效果明顯、調(diào)節(jié)范圍廣、安全可靠，運(yùn)行操作方便等特點(diǎn)，為凈化廠各裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行發(fā)揮著重要作用。因此，在第一凈化廠天然氣凈化處理工藝中，可廣泛采用變頻器進(jìn)行有關(guān)的流量、壓力的調(diào)節(jié)和控制。

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[3]吳啟紅.變頻器.可編程序控制器及觸摸屏綜合應(yīng)用技術(shù)實(shí)操指導(dǎo)書(shū)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

An introduction is given to the basic principle of frequency converter's variable speed and frequency modulation.And then analyses focuses on the superiority of frequency converter used in the purification of natural gas,problems requiring much attention in the use,and problems existing in the operation of system.At last,it is concluded that frequency converter can be widely applied to the purification process of natural gas.

frequency converter;natural gas;purification process

李?。?979-），男，現(xiàn)主要從事石油、天然氣儲(chǔ)運(yùn)及計(jì)量交接工作。

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2010-05-04