大功率交流電機變頻調(diào)速裝置是國家積極鼓勵發(fā)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(qū)動首次采用國產(chǎn)化高壓變頻電驅(qū)系統(tǒng)對于體現(xiàn)中國的科技創(chuàng)新具有標志性意義。
泰安壓氣站位于泰安市岱岳區(qū)道朗鎮(zhèn),是聯(lián)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(lián)絡線,是山東中油的首站,即三站合一、網(wǎng)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(diào)配氣量的重任,對于優(yōu)化整個管網(wǎng)運行和保障天然氣供氣起到舉足輕重的作用。
新建泰安壓氣站建設是工程主要內(nèi)容,泰安站配置2套電驅(qū)壓縮機組、2套電驅(qū)壓縮機的變頻驅(qū)動PDS系統(tǒng)。系統(tǒng)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(gòu)成。其中,變頻器采用無速度編碼器矢量控制。系統(tǒng)框圖和主要設備如圖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 空氣壓縮機組
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(qū)、工藝裝置區(qū)、外輸氣交接計量區(qū)、山東管網(wǎng)泰安首站出站閥組區(qū)、西二線泰安聯(lián)絡站工藝裝置區(qū)、燃驅(qū)壓縮機區(qū)、電驅(qū)壓縮機組區(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(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兩大供氣干線,冀寧管道作為兩大管道系統(tǒng)的聯(lián)絡管道,若兩大管道系統(tǒng)任何一方發(fā)生事故時都起著重要的調(diào)配作用。
泰安壓氣站以北管道發(fā)生事故時,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,西氣東輸二線天然氣被切斷,此時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。
也可以通過改變泰安壓氣站內(nèi)的壓縮機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。
圖4 系統(tǒng)工藝流程圖
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異步電動機及其配套控制,變頻器和電機的冷卻裝置,保護設備,現(xiàn)場控制盤等。
整個VSDS變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)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(zhuǎn)速為2300r/min,高于額定轉(zhuǎn)速125%。為了保證電機在臨界以下轉(zhuǎn)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(tǒng)概況如圖5所示。
圖5 VSDS系統(tǒng)方案圖
3.2 多電平變頻器優(yōu)化設計
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。電壓等級從VSDS系統(tǒng)角度優(yōu)選為6kV,優(yōu)化后電路結(jié)構(gòu)設計為每相6個(5+1冗余)功率單元串聯(lián),5個單元工作,1個單元冗余熱備,此設計專為壓氣站工業(yè)現(xiàn)場設計可具備特殊性能:(1)抗高電網(wǎng)偏差和波動;(2)單元故障時可實現(xiàn)不停機,變頻控制系統(tǒng)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(wǎng)電壓經(jīng)過二次側(cè)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(lián)結(jié)構(gòu),實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接6kV輸出,供給高壓電機。不存在電網(wǎng)諧振,系統(tǒng)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(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。因為本投標所配置的VSDS系統(tǒng)采用36脈波整流已經(jīng)消除了變頻器運行時對電網(wǎng)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(wǎng)諧振。同時也簡化了系統(tǒng)設計,節(jié)約了濾波設備的土建等投資。
圖6 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖
3.3 控制保護和監(jiān)測系統(tǒng)
變頻裝置控制系統(tǒng)作為一個子系統(tǒng)整體納入相應壓縮機組主站控制系統(tǒng)中。變頻控制系統(tǒng)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(zhuǎn)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(xié)議與用戶主站plc進行通訊。系統(tǒng)如圖7所示。
變頻裝置作為電機起動調(diào)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(tǒng)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(tǒng)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(zhí)行分別由獨立的綜合保護裝置、PLC系統(tǒng)、變頻裝置主控制器(KC)完成。
圖7 控制系統(tǒng)整體架構(gòu)圖
3.4風道導出冷卻方案
由于設備工作元件對環(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℃)、IGBT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℃)。為了設備能長期穩(wěn)定和可靠的工作,需要對設備安裝運行的環(huán)境進行通風或冷卻來保證這個運行環(huán)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(huán)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(nèi)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(tǒng)對冷卻系統(tǒng)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(jīng)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(cè)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(tǒng)控制閉合斷路器QF相位點合閘,同時時由于變壓器內(nèi)部已經(jīng)建立了磁場,變壓器原邊和電網(wǎng)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。
4.1實現(xiàn)壓縮機軟啟動
系統(tǒng)啟動電流控制在額定電流一下,對電網(wǎng)無任何沖擊,不會因啟動時導致電網(wǎng)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(xiàn)在37Hz以下60s穿越,啟動平穩(wěn),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(zhuǎn)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(zhuǎn)速跟隨平穩(wěn)。轉(zhuǎn)速達到給定轉(zhuǎn)速后,電流穩(wěn)定,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。
4.2 快速有效避免喘振
不同結(jié)構(gòu)尺寸的離心壓縮機在某一個固定轉(zhuǎn)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(xù)升高,或壓力不變,流量繼續(xù)減少,壓縮機就會產(chǎn)生喘振。喘振是一種非正常工況下的振動,對于壓縮機會產(chǎn)生嚴重的危害。
發(fā)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(xiàn)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(xiàn)大幅度擺動;出口止回閥處發(fā)生周期性的開關撞擊聲響;主電動機的電流表指針發(fā)生大幅度的擺動;在操作儀表中的流量表等也發(fā)生大幅度的擺動。
圖12 1120、1200轉(zhuǎn)/分喘振測試波形
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,電機轉(zhuǎn)速能夠快速依據(jù)負載變化情況進行調(diào)整,避免喘振,動態(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確的動態(tài)轉(zhuǎn)速。整個系統(tǒng)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(zhuǎn)矩進行實時解耦控制。根據(jù)負載情況迅速做出調(diào)整,響應迅速,輸出精度高。
表1 變頻器運行狀態(tài)數(shù)據(jù)
表1為變頻器帶載運行狀態(tài)數(shù)據(jù),從中可以看出,變頻器控制電機轉(zhuǎn)速精度在0.2%之內(nèi),電流、電壓隨轉(zhuǎn)速(負載)升高穩(wěn)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(xiàn)通訊,可以方便地對變頻器進行操作,實時監(jiān)控設備的運行狀態(tài)。通過閉環(huán)控制,變頻器自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,大大減小了操作人員的勞動強度。
應用高壓變頻器以來,系統(tǒng)的能耗大大下降,節(jié)能效果非常顯著。同時,與空壓機系統(tǒng)配合調(diào)節(jié)良好,壓力控制穩(wěn)定,設備運行方式合理,改善控制品質(zhì),滿足不同負荷下的工藝要求。工程開創(chuàng)了國產(chǎn)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(chǎn)化邁出了堅實的一步。
本文編自《電氣技術》,標題為“國產(chǎn)高壓變頻器在中石油冀寧管道泰安壓氣站的應用”,作者為權(quán)軍平。