高壓變頻器在LNG冷劑壓縮機中的應用

摘要：結合項目實際應用，探討了冷劑壓縮機在液化流程中的作用,以及高壓變頻器與冷劑壓縮機設備在液化流程中使用的必要性，高壓變頻器工作原理、特性、應用及展望。

關鍵詞：天然氣液化，冷劑壓縮機，高壓變頻器。

一、概述

液化天然氣（Liquefied natural  gas英文縮寫LNG）是氣態天然氣經深度凈化，在常壓下冷卻到-162℃后呈液態的天然氣。LNG是一種優質潔凈的燃料，在我國利用中逐步在能源、交通領域有很好的前景。中海油德州新能源有限公司LNG工廠現擁有一套日處理能力30×104Sm3的天然氣液化裝置，冷劑壓縮機（以下簡稱：壓縮機）在裝置運行中起到心臟的作用，本文主要結合本項目實際應用，對高壓變頻器在壓縮機上的應用進行探討。

二、LNG工藝原理及壓縮機在液化工藝流程中的作用

常規天然氣液化流程（如圖1）主要為：級聯式（或階式）液化流程、帶膨脹機液化流程和混合冷劑液化流程。這三種流程在工業上都有實際應用。中海油德州新能源有限公司采用混合冷劑液化流程，該流程是以C1至C5的碳氫化合物及N2五種以上的多組分混合冷劑為工質，進行逐級的冷凝、蒸發、節流膨脹，在不同溫度段獲取制冷量，已達到逐步冷卻和液化天然氣的目的。其具有投資費用低，能耗較之透平膨脹流程降低25％的優點。

下圖為混合制冷劑循環的流程簡圖，系統中的制壓縮機提供制冷所需的能量，通過節流閥進行降壓節流降溫，為來流的制冷劑和天然氣提供冷量。

圖1  常規天然氣液化流程

三、設備參數

中海油LNG裝置運行總功率6000kW,壓縮機主電機功率4500 kW，全負荷情況下能耗占比75﹪。LNG裝置采用西門子公司離心式壓縮機，電機采用佳木斯YZYPT710-4  4500kW/6kV電機，參數如下表：

四、高壓變頻器壓縮機設備在液化流程中使用的必要性

4.1 電動機啟動電流描述

壓縮機主電機由于功率比較大，電動機啟動電流是額定電流的5-7倍。就我司LNG裝置而言，壓縮機主電機4500kW/6kV，額定電流為517A；如果該電動機直接啟動，其啟動電流會在2500A—3000A（關閉進口閥門時，詳見圖4-a）之間；如此大的電流對電動機本身以及相關控制設備均存在很大危害。

所以，大型電動機一般都配套降壓啟動設備來限制啟動電流。即使是配備降壓啟動設備后，其啟動電流還會在電動機額定電流的3倍左右，且在全壓切換時，不可避免的出現超過3倍的沖擊電流（詳見圖4-b）。

4.2  電動機降壓啟動及啟動電流比較

無論配套哪種降壓啟動設備，其啟動原理都是將電動機的啟動電壓降低√3倍左右，開始啟動電動機，待電動機轉速接近異步轉速時，再用斷路器將電動機切入全壓運行。

用變頻器控制電動機后，其啟動電流幾乎不超過電動機額定電流（詳見圖4-c），且可以連續控制電動機帶壓縮機變頻運行。

圖4

4.3  改善生產工藝

壓縮機是LNG裝置高能耗設備，如果沒有變頻器控制壓縮機電動機，壓縮機的轉速會長期在額定轉速運行，其輸出功率并不能隨生產負荷變化而變化；在生產負荷小的時候，只能通過打開回流閥的方式進行調節，這導致負載運行效率較低，并且有大量能量在節流中損失（如圖5所示）。

圖5

4.4  節能

4.4.1 用變頻器控制壓縮機電動機，可以根據用氣量，直接用變頻器調節電動機轉速，使壓縮機機運行速度根據生產負荷大、小而加、減，從而用氣量和空壓機給氣量相對平衡；用變頻器控制壓縮機工作運行平穩后，回流閥就不用再打開（如圖6所示）,節能率顯而易見。

圖6

4.4.2 變頻器控制壓縮機電動機工作后，壓縮機可以據運行負荷要求調速運行，在一定安全范圍內（壓縮機額定轉速0.7～1.2倍范圍內），低負荷時降低壓縮機運行速度，從而減小機組機械磨損，提高使用壽命。

用變頻器控制壓縮機工作，不僅能夠使電動機能實現軟啟動功能和改善生產工藝，同時還能節約電能。因此，當前舊壓縮機改造成變頻器控制、新生產線標配變頻器控制，已成節能減排、改善生產工藝技術以及提高設備使用壽命之新技術的必由之路。

五、高壓變頻器相關參數及工作原理

5.1  高壓變頻器現場布局圖

我公司現配備北京合康HIVERT-Y06/600BP(5000kW/6kV)型高壓變頻器1臺，具體參數如下表：

5.3  高壓變頻器一次回路及保護

HIVERT系列高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開關元件為IGBT。由于IGBT耐壓所限，無法直接逆變輸出6kV，且因開關頻率高、均壓難度大等技術難題無法完成直接串聯。HIVERT變頻器采用功率單元串聯，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術，因而具有很高的可靠性，6kV系列典型主電路圖如圖8所示。

圖8  一次回路

隔離變壓器為三相干式整流變壓器，風冷，有使用壽命長、免維護等優點。變壓器原邊輸入可為任意電壓，Y接；副邊繞組數量依變頻器電壓等級及結構而定，6kV系列為15個，延邊三角形接法，為每個功率單元提供三相電源輸入。

為了最大限度抑制輸入側諧波含量，同一相的副邊繞組通過延邊三角形接法移相，繞組間的相位差由下式計算：移相角度 = 60°/每相單元數量。

由于為功率單元提供電源的變壓器副邊繞組間有一定的相位差，從而消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，所以HIVERT變頻器輸入電流的總諧波含量（THD）遠小于國家標準5%的要求，并且能保持接近1的輸入功率因數。

三相輸出Y接，得到驅動電機所需的可變頻三相高壓電源。圖9為6kV變頻器系列的電壓疊加示意圖。

圖9  6KV變頻器電壓疊加示意圖

五個690VAC功率單元串聯時，每個功率單元輸出的電壓波形及其串聯后輸出的相電壓波形示意圖（如圖10所示）。

圖10

圖中可見，每相到5～0～-5共11個不同的電壓等級。增加電壓等級的同時，每個等級的電壓值大為降低，從而減小了dv/dt對電機絕緣的破壞，并大大削弱了輸出電壓的諧波含量。

圖11-a為6kV五單元變頻器輸出的Uab線電壓波形實錄圖，峰值電壓為8.5kV。因為電機電感的濾波效果，輸出電流波形更優于電壓波形，圖11-b為輸出電流Ia的實錄波形圖。電壓等級數量的增加，大大改善了變頻器的輸出性能，輸出波形幾乎接近正弦波。

圖11

5.4  高壓變頻器功率單元

功率單元原理（如圖12所示），輸入電源端R、S、T接變壓器二次線圈的三相低壓輸出，三相二極管全波整流為直流環節電容充電，電容上的電壓提供給由IGBT組成的單相H形橋式逆變電路。

圖12  功率單元原理

功率單元通過光纖接收信號，采用空間矢量正弦波脈寬調制（PWM）方式，控制Q1～Q4 IGBT的導通和關斷，輸出單相脈寬調制波形。每個單元僅有三種可能的輸出電壓狀態，當Q1和Q4導通時，L1和L2的輸出電壓狀態為1；當Q2和Q3導通時，L1和L2的輸出電壓狀態為-1；當Q1和Q2或者Q3和Q4導通時，L1和L2的輸出電壓狀態為0。輸出電壓波形見上圖。

5.5  高壓變頻器電源輸出性能

HIVERT通用高壓變頻器采用單元串聯脈寬調制疊波技術（或功率單元多重化技術），大大削弱了輸出諧波含量，輸出波形為幾近完美的正弦波，與其他形式的高壓變頻器比較具有以下優點：

● 無需增加輸出濾波裝置

● 可以直接驅動普通高壓同、異步電動機，而不會增加電機溫升

● 電機不需因諧波而降額使用

● 可使主回路電機、電纜絕緣免受dv/dt應力的損傷

● 沒有諧波引起的脈動轉矩，可延長電機和機械設備使用壽命

● 電機電纜在壓降允許范圍內無任何長度限制

HIVERT通用高壓變頻器還具有以下功能、特性：

● 過載、過流保護

● 缺相、接地保護

● 過壓保護

● 過熱保護

● 限流功能

● 控制電源故障連鎖保護

● 控制電源雙路冗余熱備

● 功率單元旁路功能

● 柜門報警功能

● 鎖相功能

● 變/工頻同期互切功能

● 電機軟啟動，對機械設備及管網無沖擊

● 效率高：額定工況下，變頻效率大于98%

● 功率單元光纖通訊，完全電氣隔離

● 內置PID調節器，可實現閉環運行

● 多種上位機通訊功能，隔離RS485接口，標配MODBUS RTU通訊規約；可選PROFIBUS DP；工業以太網通訊規約

● 準確的故障記錄，可對故障進行定位和信息查詢

● 結構緊湊，布局合理，可參照用戶要求，根據具體情況作特殊設計

六、高壓變頻器在LNG液化中的實際應用及展望

我公司高壓變頻器自2014年10月投用，運行近四年來一直運行平穩，100﹪負荷功率最高4300kW（夏季），最低4000 kW（冬季）,未發生大的故障。

自2016年下半年以來，隨著天然氣能源供應趨于緊張，上游氣量不足常態化，液化設備負荷經常在70﹪左右，如果采用壓縮機定速運行，入口蝶閥調整節流損失大，入口壓力低，系統效率低，造成能源浪費。為了提高生產效率，降低能耗，提高系統的綜合可靠性，采用變頻運行方式，大大提高了系統的自動化程度，既滿足了生產要求，又達到了節約電能的目的。降頻后運行功率3400 kW左右，在實際操作中，為避免防喘振系統動作跳車，防喘振系統宜采用手動模式調整到系統穩定狀態。

高壓變頻調速系統在理論上比較理想的狀態，但在LNG液化工藝中，還不能夠真正實現全自動閉環控制，這給我們工程技術人員提出新的課題，需要我們工程技術人員進一步去實踐，解決。

七、結束語：

北京合康HIVERT高壓變頻器，作為我國自主品牌，在中海油德州新能源有限公司LNG工廠的成功應用，以其穩定的性能證明了國產大功率高壓變頻器在壓縮機驅動領域完全可以代替合資以及外資品牌。在降低設備維護費用的同時，也達到了節能降耗的作用。為LNG液化行業設備國產化奠定了良好的基礎。

作者簡介：

牛占杰(1974-  )，男，山東德州人，工程師，現從事中海油德州新能源有限公司電氣工程技術，設備管理工作。