國(guó)產(chǎn)高壓變頻器在中石油冀寧管道泰安壓氣站的應(yīng)用

權(quán)軍平

（中石油西氣東輸泰安壓氣站，山東 泰安 271020）

大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速裝置是國(guó)家積極鼓勵(lì)發(fā)展的重大核心裝備。中石油在天然氣的長(zhǎng)輸管道輸氣冀寧管道南段增壓工程中電機(jī)驅(qū)動(dòng)首次采用國(guó)產(chǎn)化高壓變頻電驅(qū)系統(tǒng)對(duì)于體現(xiàn)中國(guó)的科技創(chuàng)新具有標(biāo)志性意義。此工程于2011年3月29日投產(chǎn)運(yùn)行的泰安壓氣站位于泰安市岱岳區(qū)道朗鎮(zhèn)，是聯(lián)絡(luò)西氣東輸一線、陜京二線兩條供氣主干線的增壓站，是冀寧管道和西二線聯(lián)絡(luò)線，是山東中油的首站，即三站合一、網(wǎng)絡(luò)化輸氣管道的重要樞紐站。承擔(dān)著向河北、山東、江蘇供氣以及兩大輸氣干線調(diào)配氣量的重任，對(duì)于優(yōu)化整個(gè)管網(wǎng)運(yùn)行和保障天然氣供氣起到舉足輕重的作用。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

新建泰安壓氣站建設(shè)是工程主要內(nèi)容，泰安站配置2 套電驅(qū)壓縮機(jī)組、2 套電驅(qū)壓縮機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)PDS 系統(tǒng)。系統(tǒng)由兩臺(tái)壓縮機(jī)組，每套機(jī)組由1 套9MVA/6kV變頻器（變頻器采用10kV 輸入，6kV 輸出）、1 臺(tái)單機(jī)功率為 7.1MW/6kV 正壓防爆異步電機(jī)、1 臺(tái)5.323MW 壓縮機(jī)構(gòu)成。其中，變頻器采用無(wú)速度編碼器矢量控制。系統(tǒng)框圖和主要設(shè)備如圖1-圖3所示。

圖1 中石油泰安站系統(tǒng)框圖

圖2 變頻器控制柜、變壓器柜及功率柜

圖3 空氣壓縮機(jī)組

2 壓氣站工藝

泰安壓氣站設(shè)備眾多，工藝復(fù)雜。主要由冀寧管道進(jìn)站閥組區(qū)、工藝裝置區(qū)、外輸氣交接計(jì)量區(qū)、山東管網(wǎng)泰安首站出站閥組區(qū)、西二線泰安聯(lián)絡(luò)站工藝裝置區(qū)、燃驅(qū)壓縮機(jī)區(qū)、電驅(qū)壓縮機(jī)組區(qū)、放空區(qū)、變頻裝置等構(gòu)成。站內(nèi)工藝流程主要包括：接收冀寧線、平泰線上游來(lái)氣通過(guò)壓縮機(jī)組增壓后輸送至下游的增壓流程、為山東管網(wǎng)分輸?shù)姆州斄鞒碳凹綄幘€與平泰線之間的正反輸流程等12 種工藝流程。系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

京二線和西氣東輸管道是我國(guó)兩大供氣干線，冀寧管道作為兩大管道系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)管道，若兩大管道系統(tǒng)任何一方發(fā)生事故時(shí)都起著重要的調(diào)配作用。泰安壓氣站以北管道發(fā)生事故時(shí)，陜京系統(tǒng)氣源被切斷，可以采用西氣東輸二線泰安支干線代輸陜京系統(tǒng)的部分天然氣，滿足冀寧管道南段的正常輸氣；在西氣東輸二線泰安支干線管道發(fā)生事故時(shí)，西氣東輸二線天然氣被切斷，此時(shí)可以采用陜京線系統(tǒng)代輸西氣東輸二線部分天然氣，滿足冀寧管道南段正常輸氣任務(wù)。也可以通過(guò)改變泰安壓氣站內(nèi)的壓縮機(jī)組出口壓力等性能參數(shù)調(diào)節(jié)氣量，保障冀寧管道、山東中油、西二線平泰支干線沿線的用氣需求。

3 系統(tǒng)方案

3.1 VSDS 系統(tǒng)總體方案

VSDS 系統(tǒng)包括：輸入移相整流隔離變壓器，中壓變頻器，6kV/7.1MW 正壓防爆（ExpxⅡT3）額定轉(zhuǎn)速1500r/min 異步電動(dòng)機(jī)及其配套控制，變頻器和電機(jī)的冷卻裝置，保護(hù)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)控制盤等。整個(gè)VSDS 變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按具有1.1 倍的過(guò)載能力設(shè)計(jì)。工程設(shè)計(jì)電機(jī)的一階臨界轉(zhuǎn)速為2300r/min，高于額定轉(zhuǎn)速125%。為了保證電機(jī)在臨界以下轉(zhuǎn)速運(yùn)行，設(shè)計(jì)變頻器輸出上限封鎖頻率低于電機(jī)2300r/min 對(duì)應(yīng)的頻率。VSDS 系統(tǒng)概況如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)工藝流程圖

圖5 VSDS 系統(tǒng)方案圖

3.2 多電平變頻器優(yōu)化設(shè)計(jì)

功率單元串聯(lián)疊加多電平中壓變頻裝置的主電路如圖6所示。電壓等級(jí)從VSDS 系統(tǒng)角度優(yōu)選為6kV，優(yōu)化后電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為每相6 個(gè)（5+1 冗余）功率單元串聯(lián)，5 個(gè)單元工作，1 個(gè)單元冗余熱備，此設(shè)計(jì)專為壓氣站工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)可具備特殊性能：①抗高電網(wǎng)偏差和波動(dòng)；②單元故障時(shí)可實(shí)現(xiàn)不停機(jī)，變頻控制系統(tǒng)自動(dòng)控制冗余熱備單元投入工作故障單元旁路退出。

圖6 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

每個(gè)功率單元就是一個(gè)三相輸入、單相輸出的交—直—交 電源型變頻器（H 橋ΙGBT 變頻器）。10kV 電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)二次側(cè)多重化的隔離變壓器移相后向每個(gè)功率單元提供三相交流工作電源，將相鄰功率單元的輸出端串接起來(lái)，形成Y 聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接6kV 輸出，供給高壓電機(jī)。不存在電網(wǎng)諧振，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，無(wú)需任何附加電容濾波裝置或補(bǔ)償裝置。

因?yàn)楣╇婋娋W(wǎng)系統(tǒng)是感性，若在電源母線配置電容濾波裝置則存在引起電網(wǎng)諧振的可能。因?yàn)楸就稑?biāo)所配置的VSDS 系統(tǒng)采用36 脈波整流已經(jīng)消除了變頻器運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)的諧波污染不需要額外配置電容濾波裝置進(jìn)行諧波治理，不存在電網(wǎng)諧振。同時(shí)也簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，節(jié)約了濾波設(shè)備的土建等投資。

3.3 控制保護(hù)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

變頻裝置控制系統(tǒng)作為一個(gè)子系統(tǒng)整體納入相應(yīng)壓縮機(jī)組主站控制系統(tǒng)中。變頻控制系統(tǒng)與PLC之間信號(hào)的傳遞方式除通信控制以及重要控制信號(hào)（如起動(dòng)、停車、轉(zhuǎn)速設(shè)定等）采用硬線連接外，其余所有信號(hào)（包括所有必要的AΙ、AO、DΙ、DO）均應(yīng)采用采用PROFΙBUS/DP 通訊協(xié)議與用戶主站plc 進(jìn)行通信。系統(tǒng)如圖7所示。

變頻裝置作為電機(jī)起動(dòng)調(diào)速控制裝置，為了保證壓縮機(jī)組和電機(jī)運(yùn)行，需要對(duì)高壓配電系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，涉及的電氣設(shè)備分三個(gè)部分：①高壓饋線開(kāi)關(guān)柜（供電）綜合保護(hù)裝置；②壓縮機(jī)組和電機(jī)設(shè)備保護(hù)；③中壓變頻裝置自身保護(hù)。

所有的報(bào)警和跳閘信號(hào)按照時(shí)間由VSDS 系統(tǒng)的HMΙ 人機(jī)界面記錄和顯示并可查詢。保護(hù)和報(bào)警的檢測(cè)、判斷、執(zhí)行分別由獨(dú)立的綜合保護(hù)裝置、PLC 系統(tǒng)、變頻裝置主控制器（KC）完成。

3.4 風(fēng)道導(dǎo)出冷卻方案

由于設(shè)備工作元件對(duì)環(huán)境的要求，干式變壓器本體工作環(huán)境溫度不得高于65℃（極限溫度不高于80℃）、ΙGBT 功率單元散熱器的工作環(huán)境溫度不得高于40℃（極限溫度不高于55℃）。為了設(shè)備能長(zhǎng)期穩(wěn)定和可靠的工作，需要對(duì)設(shè)備安裝運(yùn)行的環(huán)境進(jìn)行通風(fēng)或冷卻來(lái)保證這個(gè)運(yùn)行環(huán)境溫度低于上述范圍。風(fēng)道導(dǎo)出室外通風(fēng)方式示意圖如圖8所示。

變壓器與變頻裝置分別安裝在單獨(dú)的電氣室。變頻器與變壓器各自的熱量分別處理，分別通過(guò)各自柜頂風(fēng)機(jī)通過(guò)風(fēng)道將設(shè)備工作的熱量導(dǎo)到室外，來(lái)維持電氣室的環(huán)境溫度不因設(shè)備運(yùn)行熱量積聚而升高，在進(jìn)風(fēng)口加裝濾塵濾除進(jìn)風(fēng)以使進(jìn)入空氣干凈。各柜內(nèi)設(shè)有溫度和風(fēng)量傳感器，將傳感器檢測(cè)信號(hào)接入VSDS 控制系統(tǒng)對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)報(bào)警提醒和報(bào)警控制。

圖7 控制系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

圖8 導(dǎo)出風(fēng)道示意圖

3.5 輸入隔離變壓器防浪涌措施

為避免9MVA 隔離變壓器在10kV 高壓上電時(shí)過(guò)大的合閘浪涌沖擊，采用選相位合閘法。其原理圖如圖9所示。合閘勵(lì)磁涌流方案特點(diǎn)：在此變壓器副邊配置充電繞組先預(yù)充電，然后選擇高壓相位控制一次10kV 高壓合閘。

隔離變壓器副邊設(shè)計(jì)有380V 預(yù)充電繞組，經(jīng)接觸器KM1、限流電阻R、接觸器KM2 與用戶380V電源相連對(duì)VSDS 變頻器進(jìn)行預(yù)充電，通過(guò)此過(guò)程給各功率單元直流電容預(yù)充電。

當(dāng)功率單元直流側(cè)電壓充電到額定電壓的80%以上時(shí)，變壓器勵(lì)磁防浪涌控制系統(tǒng)控制閉合斷路器QF相位點(diǎn)合閘，同時(shí)時(shí)由于變壓器內(nèi)部已經(jīng)建立了磁場(chǎng)，變壓器原邊和電網(wǎng)電壓差值較小，在變壓器上電時(shí) 會(huì)減小浪涌沖擊，共同起動(dòng)抑制變壓器合閘浪涌的作用，同時(shí)使合閘時(shí)10kV 電壓降得到有效抑制。

圖9 選相位合閘法抑制勵(lì)磁涌流

4 壓縮機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)特點(diǎn)

4.1 實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)軟起動(dòng)

系統(tǒng)啟動(dòng)電流控制在額定電流一下，對(duì)電網(wǎng)無(wú)任何沖擊，不會(huì)因啟動(dòng)時(shí)導(dǎo)致電網(wǎng)壓降下降影響其他設(shè)備運(yùn)行。對(duì)負(fù)載無(wú)機(jī)械沖擊，延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備使用壽命，減少維護(hù)量。并且實(shí)現(xiàn)在37Hz 以下60s穿越，起動(dòng)平穩(wěn)，迅速。

圖10 變頻器帶載起動(dòng)電流有效值波形

從圖10和圖11中可以看出，變頻器拖動(dòng)電機(jī)帶載啟動(dòng)電流為額定電流的0.5 倍，轉(zhuǎn)速跟隨平穩(wěn)。轉(zhuǎn)速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速后，電流穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

圖11 變頻器帶載起動(dòng)轉(zhuǎn)速跟隨波形

4.2 快速有效避免喘振

不同結(jié)構(gòu)尺寸的離心壓縮機(jī)在某一個(gè)固定轉(zhuǎn)速下，對(duì)應(yīng)一個(gè)最高的工作壓力下的一個(gè)最低流量。如果流量不變，離心壓縮機(jī)出口的壓力繼續(xù)升高，或壓力不變，流量繼續(xù)減少，壓縮機(jī)就會(huì)產(chǎn)生喘振。喘振是一種非正常工況下的振動(dòng)，對(duì)于壓縮機(jī)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。

發(fā)生喘振時(shí)，壓縮機(jī)機(jī)組開(kāi)始強(qiáng)烈振動(dòng)，同時(shí)伴隨異常的吼叫聲，呈現(xiàn)周期性地變化；導(dǎo)致與壓縮機(jī)機(jī)殼相連接的輸出管線隨之振動(dòng)；同時(shí)，進(jìn)口管線上的壓力表指針也出現(xiàn)大幅度擺動(dòng)；出口止回閥處發(fā)生周期性的開(kāi)關(guān)撞擊聲響；主電動(dòng)機(jī)的電流表指針發(fā)生大幅度的擺動(dòng)；在操作儀表中的流量表等也發(fā)生大幅度的擺動(dòng)。

圖12 1120r/min 與1200r/min 喘振測(cè)試波形

圖12從上到下依次為轉(zhuǎn)速曲線、變頻器輸出電流曲線、變頻器輸出電壓曲線，可以看出在喘振發(fā)生時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠快速依據(jù)負(fù)載變化情況進(jìn)行調(diào)整，避免喘振，動(dòng)態(tài)控制性能良好。

4.3 控制精度高

變頻器采用矢量控制方式，可保證很高的精度和很準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速。整個(gè)系統(tǒng)采用DSP 微處理器，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)電壓和電流，對(duì)電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)解耦控制。根據(jù)負(fù)載情況迅速做出調(diào)整，響應(yīng)迅速，輸出精度高。

表1為變頻器帶載運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，從中可以看出，變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速精度在0.2%之內(nèi)，電流、電壓隨轉(zhuǎn)速（負(fù)載）升高穩(wěn)定增加。

表1 變頻器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)

4.4 操作方便

變頻器通過(guò)西門子300 系列PLC 與后臺(tái)實(shí)現(xiàn)通訊，可以方便的對(duì)變頻器進(jìn)行操作，時(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)閉環(huán)控制，變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，大大減小了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

5 結(jié)論

應(yīng)用高壓變頻器以來(lái)，系統(tǒng)的能耗大大下降，節(jié)能效果非常顯著。同時(shí)，與空壓機(jī)系統(tǒng)配合調(diào)節(jié)良好，壓力控制穩(wěn)定，設(shè)備運(yùn)行方式合理，改善控制品質(zhì)，滿足不同負(fù)荷下的工藝要求。工程開(kāi)創(chuàng)了國(guó)產(chǎn)大功率高壓變頻器在管道輸氣大功率壓縮機(jī)的應(yīng)用先河，為核心設(shè)備國(guó)產(chǎn)化邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

[1] 榮信RHVC 系列高壓變頻器用戶手冊(cè).遼寧榮信電氣傳動(dòng)技術(shù)有限責(zé)任公司高壓變頻器用戶手冊(cè).

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