氫氣壓縮機（10kV）變頻改造的實踐應用

文/于偉然 王明蘭 滿昌龍

氫氣壓縮機變頻改造方案及意義——本文介紹了聯泓（山東）化學有限公司氫壓機變頻改造的原因、技術方案以及實施后的效果。氫氣壓縮機通過實踐改造后，創造了較大效益，對企業降本降耗具有重大意義。

聯泓（山東）化學有限公司（以下簡稱“聯泓化學”）以煤為原料，經氣化裝置生產水煤氣，通過變換，低溫甲醇洗工序制得合格的凈化氣，送入甲醇合成系統生產甲醇。生產裝置多年來運行平穩，達到設計720 kt/a 甲醇的生產能力。近年來隨著政策的變化和市場的改變，聯泓化學對生產工藝進行了優化改造，使裝置具有1 000 kt/a甲醇的生產能力。

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

氫氣壓縮機選用的是往復式壓縮機，型號為DW-15/1.8-5.4，共1臺，單臺排氣量14 883 Nm3/h。該壓縮機為對稱平衡型，兩列兩級往復活塞式壓縮機，氣缸水冷，壓力循環強制潤滑，電動機拖動，具有對動性能好和檢修方便等優點。聯泓化學氫壓機為一臺，采用單層布置，壓縮機氣缸中心標高2 m。從壓縮機的非驅動端（壓縮機端）看，左側一列為二級氣缸，右側一列為一級氣缸，所有氣缸均為上進下出的雙作用結構。

工作原理及流程

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

氫氣壓縮機的工作原理：氫氣壓縮機由電動機通過剛性聯軸器驅動，電動機轉子直接帶動壓縮機的曲軸旋轉，然后由連桿和十字頭將曲軸的旋轉運動變成活塞的往復直線運動。

本機兩個氣缸均為雙作用，即蓋側和軸側都有相應的工作腔。以蓋側為例，當活塞由蓋側始點位置向軸側開始運動時，蓋側容積變大，腔內殘留氣體膨脹，壓力下降，與進氣腔內壓力產生壓力差，當壓力差大于吸氣閥彈簧力時，吸氣閥打開。隨著活塞繼續向軸側運動，將氣體吸入缸內，活塞到達內止點時吸氣完畢。隨后活塞又從軸側位置向蓋側方向返回移動，此時吸氣閥關閉，隨著活塞的繼續移動，缸內容積不斷變小，已吸入的氣體受到壓縮，壓力逐步升高。當缸內壓力高于排氣腔內壓力且壓力差大于排氣閥彈簧力時，排氣閥打開，缸內已被壓縮的氣體開始排出。當活塞返回到外止點（蓋側始點位置）時，排氣完畢。至此完成了一個工作循環。

軸側工作腔的工作原理與此相同，但有180°的相位差（即當氣缸軸側吸氣時蓋側排氣；軸側排氣時蓋側吸氣）。由于活塞不斷地作往復運動，使氣缸內交替發生氣體的膨脹吸入和壓縮排出過程，從而獲得連續脈動的壓縮氣源。壓縮機布置簡圖，如圖1 所示。

變頻改造背景

聯泓化學氫氣壓縮機設計中有50%、100%負荷運行兩種工況，在催化劑使用初期，反應效果好，馳放氣量小，氫壓機采用半負荷運行。待催化劑使用后期，馳放氣量大時采用滿負荷運行。這種方式使較大一部分電能浪費在調節上，回流氣量大，而且操作方式復雜，響應時間較長，需人工調節或主控臺值班人員監測調節閥門，增加了工人勞動量。同時設備長時間高速運轉，電動機高負荷運行浪費很大，電氣和管道系統機械磨損嚴重，增加維修頻次和費用，影響使用壽命。過大的起動電流會使電動機迅速發熱，加速其絕緣老化，影響電動機使用壽命。半負荷運行時電動機功率因數0.5～0.6，造成大量電能損耗。

變頻改造方案

采用高壓變頻器調速控制裝置。變頻器能實現對交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因素以及過流/過壓/過載保護等功能。變頻器采用一拖一的運行方式，每臺變頻器配置一臺旁路柜，旁路柜采用手動切換方式。

變頻器的控制方式采用自動控制方式和手動控制方式。手動、自動控制由設置在DCS 顯示器畫面上切換按鈕來實現，由設置在電動機旁的切換開關實現就地、遠程切換。自動控制方式依據現有的DCS 系統采集現場的壓力、閥門開度或者壓力等信息。手動控制一是由設置在現場的操作箱手動控制，二是利用已有的DCS 系統，在DCS 畫面上手動操作調節。一拖一帶手動旁路接線如圖2 所示。

圖2 一拖一帶手動旁路接線圖

斷路器為甲方原有高壓開關，高壓變頻器設工頻旁路功能，手動旁路柜與斷路器有必要的聯鎖，變頻器允許合閘及重故障保護信號串入原綜保系統。系統的運行參數和“本地”操作方式等可在觸摸屏上實現，高壓變頻柜體上有選擇（遠程/就地）開關等選擇功能，就地指在變頻器本體上操作，遠程指在變頻器本體之外操作。

高壓電動機旁操作箱通過硬線連接到變頻器，控制電動機起停，面板設置起動、停止、就地/遠程DCS、變頻故障及以變頻運行停止信號，并有運行轉速、轉速調節、運行電流指示。實現利用機旁操作箱對電動機進行現場操作，并有電氣聯鎖防止出現誤操作，主要設備清單見表1。

變頻改造意義

經測算：氫壓機改造前工頻運行每小時耗電577.78 kW·h，氫壓機改造后變頻運行每小時耗電341.67 kW·h，電價按0.49 元/kW·h、年運行時間按8 000 h。

年節電費用計算為：（577.78-341.67）×8 000×0.49=92.56 萬元。

年折舊費：55.9 萬 元/10 年=5.59 萬元。

變頻器維修費：2 萬元/年。

項目年效益為：92.56-5.59-2=84.97 萬元。

回收期：55.9/86.97=0.64 年。

結語

在“雙碳”的大背景下，企業通過技術改造，降低運行成本，實現節能降耗，將有利于提高自身競爭力。氫氣壓縮機變頻改造實施后運行穩定，節約了大量電能，提高了電動機的功率因數，消除了諧波對電網的污染；降低了設備的噪聲，有效延長了設備的使用壽命。電氣、風機設備和管道系統機械磨損大幅減小，大大降低了維護、維修費用，節省大量人力成本。近幾年聯泓化學先后實施了數項變頻改造，效果較好，值得推廣。