蘇里格天然氣處理廠丙烷電機節(jié)能改造研究

曾科，孫新亞，羅彩龍，郭萍

（中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古烏審旗017300）

蘇里格天然氣處理廠丙烷電機節(jié)能改造研究

曾科，孫新亞，羅彩龍，郭萍

（中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古烏審旗017300）

裝置區(qū)丙烷制冷系統(tǒng)作為蘇里格天然氣處理廠高能耗設備，日常生產過程中，在丙烷蒸發(fā)器丙烷量充足且滿足生產需求的情況下，丙烷壓縮機滑閥長期處于較小的開度，電機運行效率極低，某天然氣處理廠2014年單臺丙烷壓縮機組耗電量占全廠年耗電量近40%，因此，針對目前丙烷制冷系統(tǒng)高能耗、低能效的現狀，研究分析變頻調速技術在丙烷壓縮機組節(jié)能降耗中的應用。

天然氣處理；丙烷壓縮機；負載率；高壓電機；高壓變頻器；效率

丙烷制冷系統(tǒng)主要用于蘇里格天然氣處理廠裝置區(qū)低溫分離工藝天然氣的脫油、脫水，滿足天然氣的水、烴露點的要求，單套裝置設計天然氣處理規(guī)模500×104m3/d，按設計要求，冬季天然氣控制溫度為-10℃，夏季控制溫度為-5℃，某天然氣處理廠2014年度單套裝置丙烷制冷系統(tǒng)耗電量達374.333 3× 104kW·h，占全廠總耗電量近40%，耗電量巨大。因此，研究丙烷制冷系統(tǒng)節(jié)能降耗改造措施，對于響應國家節(jié)能降耗政策以及提高企業(yè)的經濟效益具有十分重要的現實意義。

1 丙烷制冷工藝簡介

丙烷制冷系統(tǒng)是為工藝裝置區(qū)提供冷量的核心設備，系統(tǒng)主要包括壓縮機組、蒸發(fā)式冷凝器、儲液器、油路系統(tǒng)、經濟器和丙烷蒸發(fā)器各一套，以及相關的電儀自控系統(tǒng)。

丙烷壓縮機采用美國約克公司RWF型螺桿式壓縮機，滑閥在10%～100%無級調節(jié)，內容積比自動調節(jié)（Vi=2.2～5.0）以節(jié)省由于壓縮機過壓縮、欠壓縮造成的功耗損失，額定制冷功率為1 292 kW。電機采用南陽YB560M2-2WG型防爆交流電機，額定電壓10 kV，額定電流39.1 A，額定功率為560 kW，轉速為2 977 r/min，效率為94.87%。

圖1 丙烷制冷系統(tǒng)工藝流程

主要工藝流程為，液體丙烷在丙烷蒸發(fā)器中吸收了熱量后變?yōu)楸檎羝瑫r使原料天然氣溫度降至設定溫度。丙烷氣體經油分離器分離出夾帶的液體后進入丙烷壓縮機。壓縮后丙烷氣體經空冷器后冷凝為液體。丙烷液體進入丙烷儲液罐，再經節(jié)流閥降壓后進入經濟器分離為氣液兩相，氣體返回壓縮機的補充氣入口，液體則進一步節(jié)流降壓后進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收原料天然氣的熱量后蒸發(fā)為丙烷蒸汽，從而完成整個制冷過程的循環(huán)。

2 處理廠運行現狀

2.1 運行概況

該天然氣處理廠設有3套丙烷制冷系統(tǒng)，根據氣量情況，采用1用2備或2用1備的運行模式。丙烷蒸發(fā)器出口天然氣溫度冬季控制在-10℃，夏季控制在-5℃，壓縮機通過電機直接驅動，電機恒速運行，通過調節(jié)滑閥開度來改變壓縮機負載。

在實際生產運行中，單套裝置日均處理氣量在480×104m3左右，基本處于設計滿負荷500×104m3/d的運行狀態(tài)，在滿足溫度控制要求的情況下，丙烷壓縮機滑閥開度在10%～40%，由于負載過輕，經濟器未投運，丙烷電機運行效率為40%～60%，空載能耗大。2015年5月丙烷壓縮機電機運行效率和滑閥開度統(tǒng)計情況（見圖2）。

圖2 電機運行效率和滑閥開度

由圖2可知，壓縮機的滑閥開度值和電機運行效率值均較低。由于電機恒速運行，在丙烷蒸發(fā)器丙烷量充足且控制溫度滿足實際生產需求的情況下，丙烷壓縮機滑閥長期處于較小的開度，整個丙烷制冷系統(tǒng)運行處在“大馬拉小車”的狀態(tài)下，系統(tǒng)的整體運行效率非常低。

2.2 耗電量情況

2015年5月份該廠能耗情況（見圖3）。

由圖3可以看出，2015年5月單臺丙烷制冷系統(tǒng)占處理廠總耗電量的33.97%，耗電量大。若能夠針對丙烷系統(tǒng)進行合理的節(jié)能改造，使高壓電機在最優(yōu)經濟當量運行，降低能源損耗，提高電機效率，將給該天然氣處理廠帶來很大的經濟效益。

3 節(jié)能改造措施及可行性分析

由于電機額定效率、空載損耗為固定值，因此，其運行效率高低直接取決于負載率。國家對三相異步電動機3個運行區(qū)域作了如下規(guī)定：負載率在70%～100%為經濟運行區(qū)；負載率在40%～70%為一般運行區(qū)；負載率在40%以下為非經濟運行區(qū)。結合丙烷電機在滿足實際生產需求同時負載率偏低的情況，研究變頻調速技術的應用以提高丙烷電機運行效率，達到節(jié)能降耗的目的。

3.1 轉速改變對電機運行效率的影響

電機轉速計算公式如下：

式中：n-電機轉速，f-定子繞組頻率，P-電機級數，s-電機轉差率。

由上式可知，當改變交流電機定子繞組供電頻率，電機轉速就可隨之變化，實現對電極轉速的調節(jié)和控制。

電機效率計算公式如下：

式中：η-電機運行效率，P1-電機輸出的軸功率，P2-電機輸入功率。

在實際的生產機械中，電動機的負載種類包括平方轉矩、恒轉矩、恒功率和粘滯性負載等幾類特性。典型的平方轉矩類型負載是風機和水泵，其電機的輸入功率與電機轉速的3次方成正比關系，因此，在電機輸出功率相同的情況下，通過調節(jié)降低可大幅提高電機的運行效率。

由于該廠丙烷電機正常生產過程中為恒速運行，丙烷電機運行效率為40%～60%，空載能耗大，因此在不改變現有電機等配套設施的前提下，考慮加裝變頻調速裝置，通過調節(jié)電機轉速來提高電機效率，從而達到節(jié)能降耗的目的。

3.2 高壓變頻調速技術原理

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為變頻率的電能控制裝置。

高壓變頻調速主要是采用單元串聯多電平技術或者IGBT元件直接串聯高壓變頻器等技術，實現變頻調速系統(tǒng)的高功率輸出，同時消除對電網諧波的污染。帶有旁路系統(tǒng)的工作原理圖（見圖4）。

圖4 帶有旁路系統(tǒng)的工作原理圖

主要技術指標：（1）效率：≥96%；（2）輸出電壓范圍3 kV～11 kV；（3）輸入電流諧波總含量：≤4%；（4）輸入功率因數：≥0.95。

目前國內外高壓電機變頻調速方法多種多樣，其中高-高式直接高壓變頻器是將高壓電源經高壓開關柜直接送至高壓變頻器，變頻高壓后直接供電給高壓電機定子，其具有技術先進、效率高、占地面積小等優(yōu)點，是高壓變頻器的主要發(fā)展方向。

3.3 丙烷壓縮機組變頻調速的可行性分析

國內外高壓變頻調速裝置種類繁多，技術也相對比較成熟，以美國施耐德ATV1200 10 kV高壓變頻器為例，其在三門核電站海水膜反滲透升壓泵變頻調速及包頭鋼鐵集團風機變頻調速等工程中，節(jié)能降耗得到了很好的應用。

美國施耐德ATV1200-A700-1010采用多電平串聯的技術實現高壓輸出，主要包括變頻柜、功率柜和控制柜三部分。

主要技術指標如下：（1）輸出電流：40 A；（2）適用電機功率：560 kW；（3）變壓器容量：700 kVA；（4）電壓等級：10 kV±10%；（5）頻率分辨率：0.01 Hz；（6）輸入電流諧波總含量：＜2%；（7）變頻器過載能力：120%/min，每10 min允許過載1次；（8）可以設定并調節(jié)被控量（比如壓力、流量等）的期望值，變頻器將根據被控量的實際值，按照系統(tǒng)設定的PID參數自動調節(jié)變頻器的輸出頻率，控制電機的轉速，使被控量的實際值自動跟隨期望值；（9）主電源瞬時掉電5個周期內可滿載運行不跳閘，掉電10 s內不停機，最大限度維持運行；（10）電網掉電，在設定時間內電網恢復正常，變頻器可自行啟動。可以自動識別并跟蹤電機轉速，實現無沖擊再起動，恢復到原來的工作狀態(tài)；（11）變頻器輸出可以和電網同步，實現工頻無擾切換功能；滿足現場實際使用需求。

3.4 丙烷壓縮機組變頻調速改造措施

（1）由于該廠三套裝置分別獨立運行，因此考慮采用一拖一運行模式，即一臺電機配備一臺變頻器，則需購置三套高壓變頻系統(tǒng)，主回路簡圖（見圖5）。

圖5 一拖一主回路簡圖

（2）丙烷電機供電由10 kV配出柜出線至電容補償柜后直接接入丙烷電機，改造后電容補償柜出線需接入變頻柜，由變頻柜出線至丙烷電機。

（3）在1#配電室北側新建變頻控制室，變頻器并列安裝，每套控制變頻器底部開挖1 200 mm電纜溝，由于單套設備長寬高為3 960 mm×1 600 mm×2 670 mm，其前維護空間不得小于1 500 mm，后維護空間不得小于800 mm，頂部維護空間不得小于500 mm，因此新建變頻控制室長寬高至少為10 100 mm×4 960 mm×3 170 mm，且頂部安裝導風罩，以滿足后期維護及變頻器散熱需求。

（4）ATV1200-A700-1010型變頻器運行頻率、電機轉速等各項運行參數輸出4 mA～20 mA信號，采用RS-485 Modbus協議接入控制室串口服務器，通過以太網與PKS系統(tǒng)無縫連接，中控界面遠程監(jiān)控實時運行狀態(tài)。

（5）當出現變壓器超溫、模擬輸入信號缺失、功率單元旁路運行等故障時，DCS系統(tǒng)自動報警，在中控界面顯示報警信息，確保變頻器故障時可以及時進行報警提示。

3.5 改造投資成本回收預測

施耐德ATV1200型10 kV高壓變頻器在20%～100%的速度調節(jié)范圍內輸入功率因數大于等于0.96%，逆變器效率大于等于98.5%，變頻改造普遍節(jié)電率在20%～40%。若按最低20%計算，僅5月單套丙烷電機節(jié)電約224 280 kW·h×20%=44 856 kW·h，則全年節(jié)電約538 272 kW·h，工業(yè)用電按0.52元/度計算，年節(jié)約電費279 901.44元。

所選高壓變頻器單臺采購成本約42萬元，則由以上數據預測，預計兩年左右可回收設備投資成本。

4 總結

丙烷壓縮機電機變頻改造，取消了滑閥的節(jié)流控制，采用高壓變頻器根據負載情況對電機運行速度自動調節(jié)，提高了電機的運行效率，改善了目前丙烷電機“大馬拉小車”的現狀，同時實現了電機軟啟動，避免電機直接啟動對電網、壓縮機等設備的沖擊，電機功率因數的提高，降低了無功損耗和諧波污染，給企業(yè)帶來極大的經濟效益。

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10.3969/j.issn.1673-5285.2015.08.015

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1673-5285（2015）08-0056-04

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