氫氣壓縮機(jī)（10kV）變頻改造的實(shí)踐應(yīng)用

文/于偉然 王明蘭 滿昌龍

氫氣壓縮機(jī)變頻改造方案及意義——本文介紹了聯(lián)泓（山東）化學(xué)有限公司氫壓機(jī)變頻改造的原因、技術(shù)方案以及實(shí)施后的效果。氫氣壓縮機(jī)通過(guò)實(shí)踐改造后，創(chuàng)造了較大效益，對(duì)企業(yè)降本降耗具有重大意義。

聯(lián)泓（山東）化學(xué)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“聯(lián)泓化學(xué)”）以煤為原料，經(jīng)氣化裝置生產(chǎn)水煤氣，通過(guò)變換，低溫甲醇洗工序制得合格的凈化氣，送入甲醇合成系統(tǒng)生產(chǎn)甲醇。生產(chǎn)裝置多年來(lái)運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到設(shè)計(jì)720 kt/a 甲醇的生產(chǎn)能力。近年來(lái)隨著政策的變化和市場(chǎng)的改變，聯(lián)泓化學(xué)對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行了優(yōu)化改造，使裝置具有1 000 kt/a甲醇的生產(chǎn)能力。

在甲醇合成反應(yīng)的工藝氣中含有惰性氣體（CH4、N2、Ar 等），隨著甲醇合成反應(yīng)的進(jìn)行，惰性氣體不參與反應(yīng)，在系統(tǒng)中逐漸積累，影響了反應(yīng)速率。為了防止合成系統(tǒng)中惰性氣體的積累，要連續(xù)從系統(tǒng)中排放少量的氣體。這部分富含大量有效氣（≥70%）的弛放氣經(jīng)水洗塔洗滌甲醇后送氫回收系統(tǒng)回收氫氣，氫回收系統(tǒng)采用膜分離原理將富氫氣進(jìn)行回收，因分離后的富氫氣壓力低，采用氫壓機(jī)加壓后送入甲醇合成系統(tǒng)繼續(xù)參與甲醇合成反應(yīng)。

氫氣壓縮機(jī)選用的是往復(fù)式壓縮機(jī)，型號(hào)為DW-15/1.8-5.4，共1臺(tái)，單臺(tái)排氣量14 883 Nm3/h。該壓縮機(jī)為對(duì)稱平衡型，兩列兩級(jí)往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，氣缸水冷，壓力循環(huán)強(qiáng)制潤(rùn)滑，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，具有對(duì)動(dòng)性能好和檢修方便等優(yōu)點(diǎn)。聯(lián)泓化學(xué)氫壓機(jī)為一臺(tái)，采用單層布置，壓縮機(jī)氣缸中心標(biāo)高2 m。從壓縮機(jī)的非驅(qū)動(dòng)端（壓縮機(jī)端）看，左側(cè)一列為二級(jí)氣缸，右側(cè)一列為一級(jí)氣缸，所有氣缸均為上進(jìn)下出的雙作用結(jié)構(gòu)。

工作原理及流程

甲醇合成系統(tǒng)引出的弛放氣進(jìn)入氫回收氣液分離器V5115 進(jìn)行氣液分離，然后經(jīng)過(guò)氫回收套管式換熱器E5105 加熱至約50℃后，送入氫回收膜組M5102。通過(guò)膜管的富氫氣經(jīng)氫氣壓縮機(jī)C5105壓縮。壓力為（1.73～2.1 MPa）、溫度為45℃的富氫氣進(jìn)入壓縮機(jī)入口，壓縮機(jī)采用兩段壓縮，壓縮后的富氫氣經(jīng)氫壓機(jī)出口并入新鮮氣管道，進(jìn)入合成回路繼續(xù)參與反應(yīng)。

氫氣壓縮機(jī)的工作原理：氫氣壓縮機(jī)由電動(dòng)機(jī)通過(guò)剛性聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直接帶動(dòng)壓縮機(jī)的曲軸旋轉(zhuǎn)，然后由連桿和十字頭將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

本機(jī)兩個(gè)氣缸均為雙作用，即蓋側(cè)和軸側(cè)都有相應(yīng)的工作腔。以蓋側(cè)為例，當(dāng)活塞由蓋側(cè)始點(diǎn)位置向軸側(cè)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，蓋側(cè)容積變大，腔內(nèi)殘留氣體膨脹，壓力下降，與進(jìn)氣腔內(nèi)壓力產(chǎn)生壓力差，當(dāng)壓力差大于吸氣閥彈簧力時(shí)，吸氣閥打開(kāi)。隨著活塞繼續(xù)向軸側(cè)運(yùn)動(dòng)，將氣體吸入缸內(nèi)，活塞到達(dá)內(nèi)止點(diǎn)時(shí)吸氣完畢。隨后活塞又從軸側(cè)位置向蓋側(cè)方向返回移動(dòng)，此時(shí)吸氣閥關(guān)閉，隨著活塞的繼續(xù)移動(dòng)，缸內(nèi)容積不斷變小，已吸入的氣體受到壓縮，壓力逐步升高。當(dāng)缸內(nèi)壓力高于排氣腔內(nèi)壓力且壓力差大于排氣閥彈簧力時(shí)，排氣閥打開(kāi)，缸內(nèi)已被壓縮的氣體開(kāi)始排出。當(dāng)活塞返回到外止點(diǎn)（蓋側(cè)始點(diǎn)位置）時(shí)，排氣完畢。至此完成了一個(gè)工作循環(huán)。

軸側(cè)工作腔的工作原理與此相同，但有180°的相位差（即當(dāng)氣缸軸側(cè)吸氣時(shí)蓋側(cè)排氣；軸側(cè)排氣時(shí)蓋側(cè)吸氣）。由于活塞不斷地作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使氣缸內(nèi)交替發(fā)生氣體的膨脹吸入和壓縮排出過(guò)程，從而獲得連續(xù)脈動(dòng)的壓縮氣源。壓縮機(jī)布置簡(jiǎn)圖，如圖1 所示。

變頻改造背景

聯(lián)泓化學(xué)氫氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中有50%、100%負(fù)荷運(yùn)行兩種工況，在催化劑使用初期，反應(yīng)效果好，馳放氣量小，氫壓機(jī)采用半負(fù)荷運(yùn)行。待催化劑使用后期，馳放氣量大時(shí)采用滿負(fù)荷運(yùn)行。這種方式使較大一部分電能浪費(fèi)在調(diào)節(jié)上，回流氣量大，而且操作方式復(fù)雜，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，需人工調(diào)節(jié)或主控臺(tái)值班人員監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)閥門，增加了工人勞動(dòng)量。同時(shí)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行浪費(fèi)很大，電氣和管道系統(tǒng)機(jī)械磨損嚴(yán)重，增加維修頻次和費(fèi)用，影響使用壽命。過(guò)大的起動(dòng)電流會(huì)使電動(dòng)機(jī)迅速發(fā)熱，加速其絕緣老化，影響電動(dòng)機(jī)使用壽命。半負(fù)荷運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)0.5～0.6，造成大量電能損耗。

變頻改造方案

采用高壓變頻器調(diào)速控制裝置。變頻器能實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因素以及過(guò)流/過(guò)壓/過(guò)載保護(hù)等功能。變頻器采用一拖一的運(yùn)行方式，每臺(tái)變頻器配置一臺(tái)旁路柜，旁路柜采用手動(dòng)切換方式。

變頻器的控制方式采用自動(dòng)控制方式和手動(dòng)控制方式。手動(dòng)、自動(dòng)控制由設(shè)置在DCS 顯示器畫(huà)面上切換按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)，由設(shè)置在電動(dòng)機(jī)旁的切換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)就地、遠(yuǎn)程切換。自動(dòng)控制方式依據(jù)現(xiàn)有的DCS 系統(tǒng)采集現(xiàn)場(chǎng)的壓力、閥門開(kāi)度或者壓力等信息。手動(dòng)控制一是由設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)的操作箱手動(dòng)控制，二是利用已有的DCS 系統(tǒng)，在DCS 畫(huà)面上手動(dòng)操作調(diào)節(jié)。一拖一帶手動(dòng)旁路接線如圖2 所示。

圖2 一拖一帶手動(dòng)旁路接線圖

斷路器為甲方原有高壓開(kāi)關(guān)，高壓變頻器設(shè)工頻旁路功能，手動(dòng)旁路柜與斷路器有必要的聯(lián)鎖，變頻器允許合閘及重故障保護(hù)信號(hào)串入原綜保系統(tǒng)。系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和“本地”操作方式等可在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)，高壓變頻柜體上有選擇（遠(yuǎn)程/就地）開(kāi)關(guān)等選擇功能，就地指在變頻器本體上操作，遠(yuǎn)程指在變頻器本體之外操作。

高壓電動(dòng)機(jī)旁操作箱通過(guò)硬線連接到變頻器，控制電動(dòng)機(jī)起停，面板設(shè)置起動(dòng)、停止、就地/遠(yuǎn)程DCS、變頻故障及以變頻運(yùn)行停止信號(hào)，并有運(yùn)行轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、運(yùn)行電流指示。實(shí)現(xiàn)利用機(jī)旁操作箱對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，并有電氣聯(lián)鎖防止出現(xiàn)誤操作，主要設(shè)備清單見(jiàn)表1。

變頻改造意義

經(jīng)測(cè)算：氫壓機(jī)改造前工頻運(yùn)行每小時(shí)耗電577.78 kW·h，氫壓機(jī)改造后變頻運(yùn)行每小時(shí)耗電341.67 kW·h，電價(jià)按0.49 元/kW·h、年運(yùn)行時(shí)間按8 000 h。

年節(jié)電費(fèi)用計(jì)算為：（577.78-341.67）×8 000×0.49=92.56 萬(wàn)元。

年折舊費(fèi)：55.9 萬(wàn) 元/10 年=5.59 萬(wàn)元。

變頻器維修費(fèi)：2 萬(wàn)元/年。

項(xiàng)目年效益為：92.56-5.59-2=84.97 萬(wàn)元。

回收期：55.9/86.97=0.64 年。

結(jié)語(yǔ)

在“雙碳”的大背景下，企業(yè)通過(guò)技術(shù)改造，降低運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，將有利于提高自身競(jìng)爭(zhēng)力。氫氣壓縮機(jī)變頻改造實(shí)施后運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)約了大量電能，提高了電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，消除了諧波對(duì)電網(wǎng)的污染；降低了設(shè)備的噪聲，有效延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。電氣、風(fēng)機(jī)設(shè)備和管道系統(tǒng)機(jī)械磨損大幅減小，大大降低了維護(hù)、維修費(fèi)用，節(jié)省大量人力成本。近幾年聯(lián)泓化學(xué)先后實(shí)施了數(shù)項(xiàng)變頻改造，效果較好，值得推廣。