变频调速控制技术在油气初加工装置中的应用探讨

孙菁堃

（大庆油田天然气分公司油气加工五大队喇二动力站黑龙江大庆163000）

摘要：离心式压缩机是油气初加工装置中的重要组成部分，应用变频调速控制技术能够提高离心式压缩机组自动化控制水平及运行效率，有效的降低能耗，文中介绍了变频调速应用现状及发展趋势，对高压变频器在油气初加工装置中的应用进行了分析。

关键词：变频调速控制技术；油气加工；应用；优势

目前，在大型石油化工行业、天然气管线运输、长距离管线输送等设备的最核心装置是离心式压缩机，在中石油天然气油气初加工装置运转中占据着不可替代的位置，其稳定、高效的运行对整个机组的安全和经济运行至关重要。我国石油天然气加工处理装置的设计模式随着世界石油化工行业的迅猛发展日趋复杂化，不仅对离心式压缩机本身的要求加强，对多工况、变转速运行的要求也逐渐精确，并且能否实现绿色节能也显得尤为重要。

1变频调速应用现状及发展趋势

变频调速技术最初出现于上世纪70年代末期，在技术研发上经历了从低压到高压、从小容量到大容量的逐步成熟过程。目前，在国内技术方面，拖动风机、泵类、压缩机等各类大型设备中主要采用高压电动机，用于在石油化工、冶金等相应行业中。但就实际情况来看，我国的变频调速技术和电机启动控制方式依然很落后，无形中浪费了很大一部分能源且降低了机械设备使用寿命。经过不断的探索，目前我国在变频行业走在前列的厂家均已取得了技术克难方面的突破。由于变频器已经自主国产化生产、技术的不断成熟、规模效益持续增长，整个变频器产品的制造成本相比前几年有所下降并体现出相对稳定的态势。高压变频器的性价比逐渐提高，质优价廉。由于变频调速的效果明显，变频器的市场需求量日益增加。

2变频调速控制技术在油气初加工装置中的应用分析

2.1离心压缩机变频运行分析

2.1.1高压变频器本体可靠性

近些年，高压变频器的应用领域不断扩大，技术制造维护日趋成熟，性能越来越稳定，故障率逐步降低，且变频器本体不断增加了冗余技术和完善的系统保护措施，就自身可靠性而言完全能够承担离心压缩机组等装置的生产要求。

2.1.2高压变频器的工艺参数调节与节能

作为天然气初加工装置的核心设备，离心压缩机组运行参数的稳定与否直接影响整个装置的效率、效益。通常情况下对于压缩机的控制均采取调节来气压力、流量来实现，对于转速保持恒定的离心式压缩机，如果想稳定压缩机组的工作点，仅能参考管路性能曲线来做相应的调整。这种方式不但会增加操作人员的工作量及难度，也会造成系统内一部分的能量没有被有效利用而损失掉。如果能加装高压变频装置，即可实现通过控制压缩机转速来调整工作点，从而保证生产需要。主要以下面三种工况对变频调速的作用进行分析。

（1）当装置来气量在70%~110%的负荷工况下，这时可利用变频器对驱动机转速进行调节，有效的维持出口压力在一定数值，而不必需要生产人员频繁的调节各级入口阀门开度以及后续工艺流程中增压端的各项参数，降低了系统压力波动，使装置平稳运行。

（2）当上游总负荷降至70%以下时，为了保证机组的稳定运行，防止压缩机进入喘振区，石油、石化普遍采取的措施是缓慢打开压缩机回流阀，使压缩机各级间出口的部分工艺气返回入口。打开回流阀虽然能够避免喘振现象，但是装置的能耗会随之增加，效率下降，影响经济效益。如果加设高压变频装置在维持入口流量恒定的情况下逐渐降低压缩机转速，也能够让压缩机工作点脱离喘振区，使离心压缩机不必开回流便能正常运转，从而实现节能的目的，由于离心式压缩机为平方转矩负载，即轴功率与转速变化的立方成正比，假如装置始终在低负荷状态下运行，采用高压变频器会有明显的节能效果。

（3）当装置负载超过110%时，为避免电机过载，通常只有将入口流量控制阀适当关小以降低负荷，这种措施的弊害的所在是装置入口的压力能不能得到高效的利用，造成能量浪费，对装置整体生产经营效益造成一定的影响。如果配置高压变频器拖动电机适当降低机组转速，而无需频繁开关入口控制阀，不仅机组自身能耗有所降低，还有效利用部分入口压力能，达到进一步节能的效果。

2.2高压变频器的带负荷启动

三相异步电动机因为受到本体结构的影响，电机启动时的电流是其稳定运行时的6到8倍，因而为防止压缩机在启动时出现过载报警跳闸，目前大部分装置采用空载启动方式，但空载启车对人员技能水平及操作顺序都提出很高的要求，直到压缩机接近额定转速后再打开入口阀必须解决阻力的问题，若未能及时打开会造成喘振停车事故，即使按要求打开后对来气量的控制要求也很严格，稍有闪失就会过载。采用高压变频器即可实现压缩机带负荷启动，在准备启机前就可以打开入口调节阀，使负载慢慢增加，启机时通过控制电机和压缩机转速升高的幅度来控制电机不会过流，这样一来既提高了操作的可靠性，又降低了员工的劳动强度。

3变频调速控制技术优势分析

3.1软启动节能及带负荷启机

高压电机工频全额启动时，启动电流接近电机额定电流的4-7倍，启动电流过大会增加电机自身铜损，还会增大电网功率的耗损，导致进线电压不稳定，对装置设备和电力系统造成影响，形成的电压波动会使装置中其它设备无法稳定工作。而选取变频器后，运用变频器自身的软启动功能，可控制电机电流从零开始逐步提高至额定电流值，电流的变化幅值取决于变频器设定的加速时间。一般情况下工作电流小于额定电流，因此应用软启动功能时所造成的损耗和电压降不是很大，进一步达到了节能的效果并降低了对电网的影响，增加了机械设备和管网的使用年限，在一定程度上降低了维护保养成本。

3.2有效的降低启动时的输入谐波和抗电网波动能力

电网高压侧晃电，会引起变压器副边交流电压瞬时大幅度跌落，进而引起变频器直流母线电压变低。常规通用型变频器，功率单元会报欠压故障和控制回路开关电源故障，最终造成变频器停机。通过硬件和软件配合，结合低电压穿越转矩控制技术和矢量控制技术，通过实时控制变频器输出电流，在母线电压降低到某一设定值后，使电机工作在发电状态，利用机组旋转的动能发电，维持直流母线电压正常，当电网电压恢复正常时，系统无扰切换到正常运行状态。

如果断电时间较长，电机动能耗尽，超出了晃电应急程序的能力范围，则变频器报欠压故障停机。此后，若故障消除，母线电压值恢复到正常水平后，变频器自动复位，通过转速跟踪再启动功能使变频器重新再启动，回到停机前的目标工作状态。变频器不停机试验，多次试验，均能可靠达到预期效果。

3.3飞车启动功能

为了适应石油石化行业电网波动大、电网层级较多的特点，完成主动力电源母线段切换的要求，变频调速装置提供旋转中再启动功能。在启动处于运行状态下的电机时，变频器可完成查找跟踪电动机转速按照设定时间还原到原有状态，保证机组安全运行不跳闸。在变电所高压侧线路电源母线段投切时，变频装置监测电网电压的改变，系统保护继续运行；直到电网电压恢复后，同时启动机组运行至设定频率值，实现现场对装置稳定的高标准条件。

4结束语

随着社会信息化的深入发展，电力电气设备已经越来越多的向数字化、信息化和智能化方向发展，如何高效、便捷的使用这些机组设备是我们一直整理研究的一个方向。采用高压变频技术的离心压缩机组，可以有效的降低能耗，提高了机组整个自动化控制水平，在同类型装置中有实际应用推广价值。

参考文献：

[1]王磊.离心压缩机控制系统的设计与实现[D].大连:大连理工大学，2005,4-7.

个人简介

作者信息：孙菁堃，电气工工程及其自动化，工作单位：大庆油田天然气分公司油气加工五大队喇二动力站