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國產高壓變頻器在中石油冀寧管道泰安壓氣站的應用
信息來源:榮信電氣傳動    發布日期:2014-03-10

一、概 述
    大功率交流電機變頻調速裝置是國家積極鼓勵發展的重大核心裝備。中石油在天然氣的長輸管道輸氣冀寧管道南段增壓工程中電機驅動首次采用國產化高壓變頻電驅 系統對于體現中國的科技創新具有標志性意義。此工程于2011年3月29日投產運行的泰安壓氣站位于泰安市岱岳區道朗鎮,是聯絡西氣東輸一線、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絡線,是山東中油的首站,即三站合一、網絡化輸氣管道的重要樞紐站。承擔著向河北、山東、江蘇供氣以及兩大輸 氣干線調配氣量的重任,對于優化整個管網運行和保障天然氣供氣起到舉足輕重的作用。
系統構架
    新建泰安壓氣站建設是工程主要內容,泰安站配置2套電驅壓縮機組,2套電驅壓縮機的變頻驅動PDS系統。系統由兩臺壓縮機組,每套機組由1套 9MVA/6kV變頻器(變頻器采用10kV輸入,6kV輸出)、1臺單機功率為7.1MW/6kV正壓防爆異步電機、1臺5.323MW壓縮機構成。其 中,變頻器采用無速度編碼器矢量控制。系統框圖和主要設備如圖1~圖3所示。


圖1 中石油泰安站系統框圖


      圖2 變頻器控制柜、變壓器柜、功率柜



 圖3 空氣壓縮機組

二、壓氣站工藝
    泰安壓氣站設備眾多,工藝復雜。主要由冀寧管道進站閥組區、工藝裝置區、外輸氣交接計量區、山東管網泰安首站出站閥組區、西二線泰安聯絡站工藝裝置區、燃 驅壓縮機區、電驅壓縮機組區、放空區、變頻裝置等構成。站內工藝流程主要包括:接收冀寧線、平泰線上游來氣通過壓縮機組增壓后輸送至下游的增壓流程、為山 東管網分輸的分輸流程及冀寧線與平泰線之間的正反輸流程等12種工藝流程。系統流程圖如圖4所示。
    京二線和西氣東輸管道是我國兩大供氣干線,冀寧管道作為兩大管道系統的聯絡管道,若兩大管道系統任何一方發生事故時都起著重要的調配作用。泰安壓氣站以北 管道發生事故時,陜京系統氣源被切斷,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 管道發生事故時,西氣東輸二線天然氣被切斷,此時可以采用陜京線系統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。也可以通過改變泰安壓氣 站內的壓縮機組出口壓力等性能參數調節氣量,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。



圖4 系統工藝流程圖

三、系統方案
3.1 VSDS系統總體方案
    VSDS系統包括:輸入移相整流隔離變壓器,中壓變頻器,6kV/7.1MW正壓防爆(ExpxⅡT3)額定轉速1500r/min異步電動機及其配套控 制,變頻器和電機的冷卻裝置,保護設備,現場控制盤等。整個VSDS變頻調速驅動系統按具有1.1倍的過載能力設計。工程設計電機的一階臨界轉速為 2300r/min,高于額定轉速125%。為了保證電機在臨界以下轉速運行,設計變頻器輸出上限封鎖頻率低于電機2300r/min對應的頻率。 VSDS系統概況如圖5所示。

圖5  VSDS系統方案圖

3.2 多電平變頻器優化設計
    榮信設計的功率單元串聯疊加多電平中壓變頻裝置的主電路如圖6所示。電壓等級從VSDS系統角度優選為6kV,優化后電路結構設計為每相6個(5+1冗 余)功率單元串聯,5個單元工作,1個單元冗余熱備,此設計專為壓氣站工業現場設計可具備特殊性能:(1)抗高電網偏差和波動;(2)單元故障時可實現不 停機,變頻控制系統自動控制冗余熱備單元投入工作故障單元旁路退出。
    每個功率單元就是一個三相輸入、單相輸出的交—直—交 電源型變頻器(H橋IGBT變頻器)。10kV電網電壓經過二次側多重化的隔離變壓器移相后向每個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,形成Y 聯結構,實現變壓變頻的高壓直接6kV輸出,供給高壓電機。不存在電網諧振,系統設計簡單,無需任何附加電容濾波裝置或補償裝置;
    因為供電電網系統是感性,若在電源母線配置電容濾波裝置則存在引起電網諧振的可能。因為本投標所配置的VSDS系統采用36脈波整流已經消除了變頻器運行 時對電網的諧波污染不需要額外配置電容濾波裝置進行諧波治理,不存在電網諧振。同時也簡化了系統設計,節約了濾波設備的土建等投資。


  

圖6 系統拓撲結構圖

3.3 控制保護和監測系統
    變頻裝置控制系統作為一個子系統整體納入相應壓縮機組主站控制系統中。變頻控制系統與PLC之間信號的傳遞方式除通訊控制以及重要控制信號(如啟動、停 車、轉速設定等)采用硬線連接外,其余所有信號(包括所有必要的AI、AO、DI、DO)均應采用采用PROFIBUS/DP通訊協議與用戶主站plc進 行通訊。系統如圖7所示。
    變頻裝置作為電機起動調速控制裝置,為了保證壓縮機組和電機運行,需要對高壓配電系統進行保護,涉及的電氣設備分三個部分:(1)高壓饋線開關柜(供電)綜合保護裝置;(2)壓縮機組和電機設備保護;(3)中壓變頻裝置自身保護。
    所有的報警和跳閘信號按照時間由VSDS系統的HMI人機界面記錄和顯示并可查詢。保護和報警的檢測、判斷、執行分別由獨立的綜合保護裝置、PLC系統、變頻裝置主控制器(KC)完成。



   

圖7 控制系統整體架構圖

3.4 風道導出冷卻方案
    由于設備工作元件對環境的要求,干式變壓器本體工作環境溫度不得高于65℃(極限溫度不高于80℃)、IGBT功率單元散熱器的工作環境溫度不得高于 40℃(極限溫度不高于55℃)。為了設備能長期穩定和可靠的工作,需要對設備安裝運行的環境進行通風或冷卻來保證這個運行環境溫度低于上述范圍。風道導 出室外通風方式示意圖見圖8。


     

圖8 導出風道示意圖

    變壓器與變頻裝置分別安裝在單獨的電氣室。變頻器與變壓器各自的熱量分別處理,分別通過各自柜頂風機通過風道將設備工作的熱量導到室外,來維持電氣室的環 境溫度不因設備運行熱量積聚而升高,在進風口加裝濾塵濾除進風以使進入空氣干凈。各柜內設有溫度和風量傳感器,將傳感器檢測信號接入VSDS控制系統對冷 卻系統進行預報警提醒和報警控制。
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高壓上電時過大的合閘浪涌沖擊,采用選相位合閘法。其原理圖如下圖9所示。合閘勵磁涌流方案特點:在此變壓器副邊配置充電繞組先預充電,然后選擇高壓相位控制一次10kV高壓合閘。


   
    圖9 選相位合閘法抑制勵磁涌流

    隔離變壓器副邊設計有380V預充電繞組,經接觸器KM1、限流電阻R、接觸器KM2與用戶380V電源相連對VSDS變頻器進行預充電,通過此過程給各功率單元直流電容預充電。
    當功率單元直流側電壓充電到額定電壓的80%以上時,變壓器勵磁防浪涌控制系統控制閉合斷路器QF相位點合閘,同時時由于變壓器內部已經建立了磁場,變壓 器原邊和電網電壓差值較小,在變壓器上電時會減小浪涌沖擊,共同起動抑制變壓器合閘浪涌的作用,同時使合閘時10kV電壓降得到有效抑制。

四、壓縮機變頻驅動技術特點
4.1 實現壓縮機軟啟動
系統啟動電流控制在額定電流一下,對電網無任何沖擊,不會因啟動時導致電網壓降下降影響其他設備運行。對負載無機械沖擊,延長機械設備使用壽命,減少維護量。并且實現在37Hz以下60s穿越,啟動平穩,迅速。



圖10 變頻器帶載啟動電流有效值波形


圖11 變頻器帶載啟動轉速跟隨波形

從圖10和圖11中可以看出,變頻器拖動電機帶載啟動電流為額定電流的0.5倍,轉速跟隨平穩。轉速達到給定轉速后,電流穩定,轉速穩定。

4.2 快速有效避免喘振
   不同結構尺寸的離心壓縮機在某一個固定轉速下,對應一個最高的工作壓力下的一個最低流量。如果流量不變,離心壓縮機出口的壓力繼續升高,或壓力不變,流量繼續減少,壓縮機就會產生喘振。喘振是一種非正常工況下的振動,對于壓縮機會產生嚴重的危害。
   發生喘振時,壓縮機機組開始強烈振動,同時伴隨異常的吼叫聲,呈現周期性地變化;導致與壓縮機機殼相連接的輸出管線隨之振動;同時,進口管線上的壓力表指 針也出現大幅度擺動;出口止回閥處發生周期性的開關撞擊聲響;主電動機的電流表指針發生大幅度的擺動;在操作儀表中的流量表等也發生大幅度的擺動。



圖12 1120轉/分與1200轉/分喘振測試波形

    圖12從上到下依次為轉速曲線、變頻器輸出電流曲線、變頻器輸出電壓曲線,可以看出在喘振發生時,電機轉速能夠快速依據負載變化情況進行調整,避免喘振,動態控制性能良好。

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確的動態轉速。整個系統采用DSP微處理器,通過檢測電機電壓和電流,對電機的磁通和轉矩進行實時解耦控制。根據負載情況迅速做出調整,響應迅速,輸出精度高。

表1  變頻器運行狀態數據

  表1為變頻器帶載運行狀態數據,從中可以看出,變頻器控制電機轉速精度在0.2%之內,電流、電壓隨轉速(負載)升高穩定增加。

4.4 操作方便
    變頻器通過西門子300系列PLC與后臺實現通訊,可以方便的對變頻器進行操作,時時監控設備的運行狀態。通過閉環控制,變頻器自動調節轉速,大大減小了操作人員的勞動強度。

五、結束語
    應用高壓變頻器以來,系統的能耗大大下降,節能效果非常顯著。同時,與空壓機系統配合調節良好,壓力控制穩定,設備運行方式合理,改善控制品質,滿足不同 負荷下的工藝要求。工程開創了國產大功率高壓變頻器在管道輸氣大功率壓縮機的應用先河,為核心設備國產化邁出了堅實的一步。
 

參考文獻:
1.榮信RHVC系列高壓變頻器用戶手冊  遼寧榮信電氣傳動技術有限責任公司高壓變頻器用戶手冊.
2.李華德 交流調速控制系統 北京:電子工業出版社 2003.
3.徐甫榮 高壓變頻調速技術工程實踐 北京-中國電力出版社 2011.9.
4.倚鵬 高壓大功率變頻器技術原理與應用 北京-郵電出版社 2008.2.
5.楊興瑤 電動機調速的原理及系統 北京-北京水利電力出版社 1995.

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