變頻器在天然氣凈化應用中的分析

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速的基本原理，分析了變頻器在天然氣凈化應用中的優越性，使用中應注意的問題及系統運行中存在的問題，得出變頻器可廣泛應用于天然氣凈化處理工藝中的結論。

變頻器 天然氣 凈化處理

在石化工程中，油氣集輸、凈化等系統中使用的油泵、溶液泵經常處于工況運行狀態，采用強制調節閥方式，易使泵形成旋渦沖擊，產生激烈振動的噪音，這會降低泵的使用壽命并造成環境污染；同時，交流電機所拖動的風機、泵類負載，其用電量約占整個工業用電量的70%左右，因此合理使用電動機，提高其工作效率，降低能耗就顯得十分重要。采用變頻器后，電動機啟動轉矩大，啟動電流可降低至電動機額定電流的1.5～2.0倍。這樣既避免了泵形成旋渦沖擊，保護電機，減小噪音，同時也降低了能耗。

變頻器變頻調速的基本原理

異步電動機的轉速n=60f(1-s)/p，其中：f為電源頻率，p為電機的極對數，s為電機的轉差率。當電機的轉差率s變化不大時，電機轉速n基本上與電源頻率f成正比，與電機的極對數p成反比。因此，連續地改變供電電源的頻率，就可以平滑地調節異步電動機的運行速度。

目前，在長慶氣田第一凈化廠應用的變頻調速系統為可控硅變頻調速系統，其基本結構如圖1所示。

圖1 變頻調速系統的基本結構

它是將三相工頻交流電源通過可控硅整流、濾波器濾波、可控硅逆變后輸出不同頻率的交流電壓，以調節異步電動機的轉速。從本質上來說，變頻調速是一種無級、平滑而又經濟的調速方法，可適用于不同的負載類型，具有調節范圍寬、精度高等特點，是目前電動機調速最理想的方法之一。

變頻器應用的優越性分析

長慶氣田第一凈化廠共有23臺變頻器對部分重要機泵進行轉速控制。其中：前5套凈化裝置中，脫硫單元共有10臺ROBICON(羅賓康)變頻器對10臺MDEA循環泵進行溶液循環量控制；脫水單元共有10臺ABB變頻器對10臺TEG循環泵溶液循環量進行控制；供水站1臺ABB變頻器對基地供水泵進行流量控制；第6套裝置有2臺施耐德變頻器對TEG補充泵進行流量控制。通過變頻器在長慶油田第一凈化廠中的不斷應用，其變頻技術給實際生產帶來的優越性正日益突顯。

1 變頻器的節能分析

MDEA及TEG溶液的循環量隨原料氣的變化而相應變化，傳統的方法是采用調節閥，這種方法不能節約電能；而采用變頻器調節泵的排量，不但可以減少溶液循環的損耗和熱爐的能耗，而且可以節約電能。其節能分析如下：

MDEA及TEG泵轉速與其流量、壓力、功率的關系如下：

Q=K1N

F=K1N2

P=K3N3

其中 Q—泵流量；

F—泵壓力；

P—泵功率；

N—泵轉速；

K—系數。

由P=K3N3可知，電動機的輸出功率P與電動機的轉速N3成正比，因此隨著電機轉速的變化，電機所消耗的電能也隨之變化。

現以新鮮水泵（額定電流為139.2A）為例，計算變頻器節能所體現出的經濟效益：

（1）使用變頻器

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

（2）未使用變頻器

新鮮水泵頻率f=50Hz情況下，新鮮水泵的正常運行電壓U2=380V，電流為I2=139.2A，此時新鮮水泵運行功率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。

也就是說當使用變頻器后，新鮮水泵所消耗的電能為未使用變頻器時所消耗電能的37%，即功率消耗理論上比原來減少63%。

如果電費為0.62元/kWh，電機效率為0.95，新鮮水泵運行365d/a時：①在未使用變頻器的情況下， 新鮮水泵年耗電費為：（75kW×24×365×0.62）×0.95=38.697 3萬元；②在使用變頻器的情況下,新鮮水泵年耗電費為：38.697 3×37%=14.318 0萬元。則年節省電費為：38.697 3－14.318 0=24.380 0萬元。

2 變頻器便于流量控制

在供水系統中采用泵出口恒壓供水方式時，由于單位時間內供水量保持恒定280m3/h，而用水量發生周期性波動，如夏季水壓不足，影響生產；冬季水大量溢流，浪費水資源，同時也浪費了電能。采用變頻調速恒壓供水后，則可根據實際生產需要設置頻率，改變泵的轉速以達到調節流量（70～280m3/h）的目的，在保證正常生產的前提下，最大限度的減少總供水量，做到既節能又節約水資源。同時，變頻器的應用也方便了柱塞泵的流量調節，根據生產實際需要調節TEG溶液的循環量，減少溶液損耗，使系統的運行參數得到有效控制，為整個系統的經濟優化運行提供了可靠保證。

3 變頻器的應用延長了設備的使用壽命

應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。以MDEA循環泵為例，未使用變頻調速時，泵頭壓力高達6.2MPa，而使用變頻調速后，泵頭壓力可控制在5.0 MPa左右。這樣有效地減小了管網及閥門的工作壓力，延長了使用壽命。對于大功率電動機來說，由于啟動電流過大，會引起電網電壓的波動，而影響接在同一電網上其他電氣設備的正常運行，也會使電機受到過大電磁力的沖擊，若頻繁啟動，還可能使電機的繞組過熱而影響電機的使用壽命。采用變頻調速后，可消除大電動機啟動時過大的沖擊電流對電網的沖擊，同時消除啟動時沖擊力矩對電機的損壞，從而延長電機的使用壽命。

4 控制、接線系統優化

在第一凈化廠中所采用的美國羅賓康ZD-454GT變頻器，具有良好的人機界面，LCD顯示鍵盤可同時在線顯示5種運行參數值，可詳細、準確反映變頻器工作狀況，其接線和控制系統如圖2所示。

此種控制接線設計的好處在于，當變頻器出現故障時，可以走旁路，不會因出現故障而影響生產，從而提高了供電的可靠性。

變頻器使用中應注意的幾個問題

變頻技術的應用在給企業帶來一定經濟效益的同時也引入了許多不容忽視的問題，如變頻器價格昂貴、電路復雜、使用條件苛刻等，針對第一凈化廠的實際情況，為了使變頻器更好的服務于生產，應注意以下幾點。

1 冷卻要求

變頻器內部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響，產品一般要求環境溫度在0～45℃，但為了保證變頻器工作安全、可靠，使用時應考慮留有余地，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，周圍會產生很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表儀器有一定的干擾，如果處理不好電磁干擾，往往會使整個系統無法正常工作，使得檢測錯誤，在電機電纜中串聯電抗器可以減少電機電纜產生的電磁輻射干擾。

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，接地導線的截面積不小于2mm2，長度應控制在20m以內，變頻器接地必須與動力設備的接地點分開，不能共地。

系統運行中存在的問題

目前，第一凈化廠所使用的23臺變頻器，自投運以來運行狀況基本穩定，只有ROBICON(羅賓康)變頻器在環境溫度較高時出現過“接地”、“短路”、“過電流”故障報警顯示，原因是由于電機位于裝置區內，而變頻器則安裝在配電室，二者平均間距150～300m，電機電纜的雜散電容對變頻器的影響較為明顯。由于變頻器出廠時載波頻率設置為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的高次諧波電壓，因此，在長的電纜上易形成附加的高次諧波電流，導致變頻器電流檢測失誤，誤報接地、短路故障。為此，應將變頻器出廠時載波頻率調到最小（1kHz），以解決變頻器報警故障，確保裝置安全可靠運行。

建 議

第6套裝置MDEA循環泵電機為德國產的，而泵是匈牙利產的，其設備成本昂貴，維修不便。高壓電機為10kV電壓直接啟動，其啟動電流高達186A，由于生產的需要，有時需不斷進行啟停操作，這樣易對設備的使用壽命造成不利影響，建議對這兩臺高壓電機配置高壓變頻器。

結 論

由于變頻器具有節能效果明顯、調節范圍廣、安全可靠，運行操作方便等特點，為凈化廠各裝置的安全平穩運行發揮著重要作用。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行有關的流量、壓力的調節和控制。

[1]李方園.變頻器應用技術[M].北京:科學出版社,2008.

[2]李燕,廖義奎,王永.圖解變頻器應用[M].北京:中國電力出版社,2009.

[3]吳啟紅.變頻器.可編程序控制器及觸摸屏綜合應用技術實操指導書[M].北京:機械工業出版社,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，現主要從事石油、天然氣儲運及計量交接工作。

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2010-05-04