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摘要：本文通過森蘭一拖二高壓變頻軟起及無功補(bǔ)償一體化裝置在天然氣液化（LNG）生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用情況，介紹了該裝置的原理和工作性能，分析了該裝置的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)際意義。該裝置具有變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)無擾投切至工頻以及無功補(bǔ)償（SVG）兩種工作模式，可以根據(jù)用戶需要靈活切換，并且具備一鍵啟動(dòng)功能，操作方便，尤其適用于現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)需要高壓變頻軟啟動(dòng)和無功補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)合，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：高壓變頻軟起  無功補(bǔ)償  SVG  天然氣液化  壓縮機(jī)    

1. 企業(yè)概述及生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)介

1.1 企業(yè)情況概述

寧夏新珂源能源利用有限公司成立于2013年4月，廠址位于鹽池縣高沙窩工業(yè)集中區(qū)，總占地面積163420平方米，建筑面積20856平方米，主要經(jīng)營(yíng)天然氣凈化、液化加工。       

圖1  寧夏新珂源能源利用有限公司

公司一期建設(shè)年產(chǎn)22.8萬噸液化天然氣（LNG）項(xiàng)目，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，一是原材料充裕。長(zhǎng)慶油田蘇里格氣田勘探儲(chǔ)量1.6萬億立方米，開采面積4萬平方公里。長(zhǎng)慶油田蘇里格氣田天然氣產(chǎn)量答案大奧20億立方米。二是政府扶持力度較大。2013年1月19日，鹽池縣人民政府與長(zhǎng)慶油田蘇里格氣田簽訂了《天然氣就地轉(zhuǎn)化框架協(xié)議》，長(zhǎng)慶油田蘇里格氣田天然氣勘探開發(fā)實(shí)行就地轉(zhuǎn)化利用，保證當(dāng)?shù)仄髽I(yè)生產(chǎn)用氣，對(duì)所用氣量給予足額保障供應(yīng)。

公司目前的年產(chǎn)22.8萬噸LNG，項(xiàng)目生產(chǎn)的最終產(chǎn)品為液化天然氣（LNG），是經(jīng)過物理加工等處理的液態(tài)產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有清潔環(huán)保、高效節(jié)能、使用安全、便于儲(chǔ)存及運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)。該項(xiàng)目產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于城市燃?xì)庹{(diào)峰、工業(yè)加工原料、造船業(yè)、車船燃料等多個(gè)領(lǐng)域，對(duì)鹽池天然氣資源的利用和發(fā)展是必要和積極的，對(duì)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著十分重要的意義。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)介

天然氣液化是一個(gè)低溫過程，原料氣經(jīng)預(yù)處理后，進(jìn)入換熱器進(jìn)行低溫冷凍循環(huán)，冷卻至-162℃左右就會(huì)液化。目前世界上已成熟的天然氣液化工藝有：節(jié)流制冷循環(huán)、膨脹機(jī)制冷循環(huán)、階式制冷循環(huán)、混合冷劑制冷循環(huán)、帶預(yù)冷的混合制冷循環(huán)等工藝。寧夏新珂源能源利用有限公司使用的工藝為混合冷劑制冷液化工藝，工藝流程如下圖所示:

圖2  混合制冷劑制冷液化流程

此裝置采用兩級(jí)分離三級(jí)節(jié)流的單-混合冷劑制冷流程?；旌侠鋭┮夯鞒蹋∕RC）是以C₁至C₅的碳?xì)浠衔锛癗₂等五種以上的多組分混合制冷劑為工質(zhì)，組分為氮?dú)?、甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷，利用混合物各組分不同沸點(diǎn)，部分冷凝的特點(diǎn)，進(jìn)行逐級(jí)的冷凝、蒸發(fā)、節(jié)流膨脹得到不同溫度水平的制冷量，以達(dá)到逐步冷卻和液化天然氣的目的。其中甲烷采用經(jīng)凈化后的原料天然氣補(bǔ)充，氮?dú)馔ㄟ^液氮汽化或變壓吸附制取，僅乙烯、丙烷和異戊烷需要外購(gòu)，采用MDEA脫除二氧化碳等酸性氣體，脫除徹底，且無再生氣消耗。

2. 冷劑壓縮機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)介

    壓縮機(jī)是混合制冷循環(huán)液化流程中必不可少的設(shè)備，他在流程中最重要的作用是壓縮制冷劑，產(chǎn)生制冷量，為后續(xù)流程中各節(jié)流閥降壓降溫做準(zhǔn)備。本文中所述的為冷劑壓縮機(jī)，壓縮機(jī)和電機(jī)的參數(shù)如下：

表1  電機(jī)及負(fù)載參數(shù)

在混合冷劑制冷工藝中，冷劑壓縮機(jī)是最核心的設(shè)備之一，用于加工大循環(huán)量冷劑，設(shè)備密封性要求高，通常采用離心式電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，與往復(fù)式壓縮機(jī)比較，離心式壓縮機(jī)在密封性方面的優(yōu)勢(shì)明顯，且同等條件下離心式壓縮機(jī)體積小、運(yùn)行穩(wěn)定、易損件少，因此一般可以不用備機(jī)。

3.  變頻軟起+無功補(bǔ)償裝置介紹

圖3  森蘭高壓變頻軟起及無功補(bǔ)償一體化裝置外觀

該現(xiàn)場(chǎng)采用森蘭一臺(tái)VFPS-100-7000裝置，兼具高壓變頻軟起和靜止無功發(fā)生器的功能（Static Var Generator，SVG），來實(shí)現(xiàn)一拖二電機(jī)軟起動(dòng)及無功補(bǔ)償功能，該裝置的一次系統(tǒng)圖如下所示：

圖4  一次系統(tǒng)圖

此裝置包含進(jìn)線開關(guān)QF3、主回路預(yù)充柜、變頻及電能質(zhì)量綜合裝置VSV、輸出電抗器L1、工頻運(yùn)行斷路器QF1和QF2、無功補(bǔ)償QF4以及電流電壓采樣回路。

需要作為高壓變頻軟起裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，在選擇啟動(dòng)M1或者M(jìn)2電機(jī)后，裝置內(nèi)部自動(dòng)切換為變頻軟起模式相對(duì)應(yīng)的參數(shù)，將變頻器進(jìn)線開關(guān)QF3合上后，經(jīng)過限流組件，充電完成后，自動(dòng)合MQF1，合對(duì)應(yīng)電機(jī)的輸出切換開關(guān)QF5或者QF6后，裝置就緒后自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行，自行加速至50Hz，檢測(cè)電網(wǎng)頻率、電壓幅值、相位具備并網(wǎng)條件后，解鎖QF5和QF1，或者解鎖QF6與QF2之間的互鎖關(guān)系，閉合QF1或QF2，電機(jī)不掉電無擾投切至工頻，切換成功后，系統(tǒng)自動(dòng)分開QF5和QF3或者QF6和QF3，電機(jī)工頻帶載運(yùn)行。

需要進(jìn)行電能質(zhì)量治理，作為無功補(bǔ)償裝置投入電網(wǎng)時(shí)，選擇SVG模式，此時(shí)裝置內(nèi)部自動(dòng)切換為SVG模式對(duì)應(yīng)的參數(shù)，合上進(jìn)線開關(guān)QF3后，經(jīng)限流組件預(yù)充電，充電完成后，自動(dòng)合MQF1，待設(shè)備就緒后，自動(dòng)合并網(wǎng)開關(guān)QF4，裝置啟動(dòng)并運(yùn)行補(bǔ)償線路無功，根據(jù)給定功率因數(shù)自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整變頻器輸出。

3.1 變頻軟起工作原理

高壓變頻軟起裝置采用交-直-交型電壓源型逆變器，主電路采用功率單元串聯(lián)技術(shù)解決器件耐壓?jiǎn)栴}，級(jí)間SPWM信號(hào)移相后疊加，提高了輸出電壓諧波性能、降低輸出電壓的dv/dt（電壓變化率），通過電流多重化技術(shù)提高輸入側(cè)諧波性能，減小對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，通過多樣的算法，可以為不同類型的負(fù)載提供優(yōu)異的啟動(dòng)性能。

功率單元串聯(lián)式高壓變頻軟啟動(dòng)裝置由旁路切換開關(guān)柜、移相變壓器、功率單元柜、控制柜和電抗器等部分組成。三相高壓電源經(jīng)高壓開關(guān)柜進(jìn)入，經(jīng)移相變壓器降壓、移相給功率單元柜內(nèi)的功率單元供電，每相的功率單元輸出首尾相串聯(lián)，由控制柜的主控制器通過光纖控制每一功率單元進(jìn)行整流、逆變控制與檢測(cè)。在變頻軟起模式下啟動(dòng)后，變頻器的輸出頻率從0Hz逐步升至50Hz，輸出電壓從0V開始逐漸升高至電網(wǎng)電壓，此時(shí)，主控制器啟動(dòng)鎖相功能，使其輸出電壓逐步與輸入電網(wǎng)電壓同相位、同幅值、同頻率后，自動(dòng)切換至工頻運(yùn)行。

裝置可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的一鍵全自動(dòng)軟啟動(dòng)，以啟動(dòng)M1電機(jī)為例，全自動(dòng)軟起動(dòng)的流程如下圖（圖3）所示：

圖5  電機(jī)軟啟動(dòng)流程

變頻器的鎖相功能，即通過檢測(cè)工頻電網(wǎng)電壓頻率、相位、幅值，使變頻器的輸出電壓跟蹤電網(wǎng)電壓使兩者的頻率、幅值、相位保持一致。只有變頻器鎖相成功后，才能將電動(dòng)機(jī)由變頻運(yùn)行切換至工頻運(yùn)行，否則將出現(xiàn)類似發(fā)電機(jī)非同期合閘時(shí)的大電流沖擊，這種情況不僅會(huì)導(dǎo)致切換失敗，而且還會(huì)造成設(shè)備損壞，危機(jī)電網(wǎng)安全等嚴(yán)重的后果。在鎖相成功后，控制工頻切換開關(guān)QF2或者QF3閉合，變頻軟啟動(dòng)器和電網(wǎng)同時(shí)給電動(dòng)機(jī)供電，然后變頻軟起動(dòng)器停止輸出，斷開變頻輸入輸出斷路器，完成電機(jī)的軟啟動(dòng)。

3.2 SVG工作原理

在SVG工作模式工作時(shí)，通過控制橋式逆變電路中所有開關(guān)器件的通斷時(shí)間和順序，將功率單元整流橋逆變后的直流側(cè)電容電壓轉(zhuǎn)換為和交流側(cè)所接電網(wǎng)同頻率的交流電壓，相當(dāng)于一個(gè)電壓型逆變器(Voltage Source Inverter, VSI)。忽略輸出電壓中包含的諧波分量，其基波分量可等效成一個(gè)幅值和相位都可控的交流電壓源，與電網(wǎng)通過連接電抗器相連，此時(shí)電網(wǎng)相對(duì)于VSI可以看成此電壓源的負(fù)載?？刂聘淖兤浣涣鱾?cè)的輸出電壓或電流，就改變了與電網(wǎng)側(cè)的無功功率交換，從而達(dá)到補(bǔ)償負(fù)載無功的目的。

考慮到連接電抗器及逆變器自身的損耗，SVG 的等效電路如圖4所示，其中電網(wǎng)電壓為U_S，SVG輸出電壓為U_I，電抗器X和等效電阻R上的電壓和為 U_L。因等效電阻的存在，使U_S與U_I間存在相位差δ，即變流器需要從電網(wǎng)中吸收有功能量以補(bǔ)償損耗，保證直流側(cè)電容電壓維持在一定水平。通過對(duì) U_I和δ的調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)U_L的控制。由于電抗器流過的電流和其兩端電壓的關(guān)系，電抗器的電流I的相位和大小也發(fā)生改變，這也是SVG輸出的電流。上述控制可實(shí)現(xiàn)對(duì) SVG 與電網(wǎng)交換的無功功率的調(diào)節(jié)：當(dāng) U_I大于 U_S時(shí)，輸出電流超前電壓90°，SVG 吸收容性的無功功率；當(dāng) U_I小于U_S時(shí)，輸出電流滯后電壓90°，SVG 吸收感性的無功功率。需要指出的是，由于損耗的存在，SVG輸出電壓U_I與電流I的相位差要比90°小一個(gè)微小的角度δ，而非嚴(yán)格的90°。

圖6  SVG等效電路及工作原理

需要補(bǔ)償無功時(shí)，輸出電壓的基波頻率是和二次側(cè)母線電網(wǎng)電壓頻率一致的，通過調(diào)節(jié)輸出電壓基波的幅值和相位，實(shí)現(xiàn)無功功率輸出，無功功率可以是感性或容性，根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)功率因數(shù)和電流電壓傳感器的檢測(cè)值一起決定。

裝置可以實(shí)現(xiàn)一鍵全自動(dòng)啟動(dòng)，只需要設(shè)置好功率因數(shù)目標(biāo)值，由控制面板或者DCS給定SVG并網(wǎng)啟動(dòng)信號(hào)，裝置會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行至設(shè)定目標(biāo)功率因數(shù)，補(bǔ)償母線無功，SVG一鍵啟動(dòng)流程如下圖（圖3）所示：

         圖7  SVG一鍵啟動(dòng)流程

4.裝置的工作性能

4.1 高壓變頻軟起工作性能

    鎖相功能確保了變頻器輸出電壓與工頻電網(wǎng)電壓的主參數(shù)一致性，完美解決了電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行切換工頻運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生電流沖擊的問題。該裝置將電動(dòng)機(jī)由變頻器拖動(dòng)切換至工頻電網(wǎng)拖動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)的電流波形和電網(wǎng)電壓及變頻器輸出電壓波形如圖6所示：

圖6 變頻切工頻的電流電壓波形

注：藍(lán)色（通道3）——變頻器輸出電流；

紅色（通道4）——工頻輸入電壓；

黃色（通道1）——變頻器輸出電壓

可以看出，該裝置作為高壓變頻軟起設(shè)備啟動(dòng)冷劑壓縮機(jī)電機(jī)時(shí)，在由變頻拖動(dòng)切換至工頻拖動(dòng)過程中，輸出電壓可以完全跟隨電網(wǎng)電壓使兩者頻率、幅值、相位均保持一致，幾乎沒有沖擊電流產(chǎn)生，不僅降低了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的發(fā)熱問題，減小了大電流對(duì)電機(jī)壽命的影響，還解決了超大功率電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊問題。

4.2 SVG工作性能

寧夏新珂源能源利用有限公司在投入壓縮機(jī)設(shè)備后，尤其在冷劑壓縮機(jī)投入運(yùn)行后，廠內(nèi)電網(wǎng)功率因數(shù)下降嚴(yán)重，一般會(huì)低于0.65，不滿足國(guó)家電網(wǎng)對(duì)于用電企業(yè)的考核要求，在投入該裝置后，選擇SVG模式，功率因數(shù)設(shè)置為0.9以上，設(shè)備可在很短時(shí)間內(nèi)將功率因數(shù)補(bǔ)償至目標(biāo)值，而且補(bǔ)償準(zhǔn)確，能夠根據(jù)母線功率因數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整輸出，下圖為SVG模式下設(shè)備運(yùn)行界面。

圖7 SVG模式運(yùn)行設(shè)置界面

5.裝置的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用意義

  該裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)電網(wǎng)側(cè)諧波小，輸入功率因數(shù)高。裝置內(nèi)部移相變壓器采用延邊三角形接法，保證系統(tǒng)工作在20%以上負(fù)載時(shí)電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)保持在0.96以上。

(2)輸出諧波小，無轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和附加發(fā)熱。采用多重化正弦脈寬SPWM調(diào)制技術(shù)，輸出電壓dv/dt小、失真度低，電流諧波含量少，不會(huì)損傷普通電機(jī)絕緣，避免電動(dòng)機(jī)額外發(fā)熱。

(3)降低電機(jī)啟動(dòng)電流，啟動(dòng)過程無沖擊。提供多條起動(dòng)曲線，起動(dòng)時(shí)間由運(yùn)行人員設(shè)定，可保證電動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行并延長(zhǎng)其使用壽命，軟起動(dòng)過程對(duì)電網(wǎng)不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。同時(shí)大大降低了電動(dòng)機(jī)及其負(fù)載的機(jī)械磨損，節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用。

(4)可靠性高，維護(hù)方便。采用大功率的IGBT功率模塊。IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)與過流保護(hù)采用專用電路，具有很高的可靠性。功率單元組件具有互換性，若出現(xiàn)故障，可在幾分鐘內(nèi)用簡(jiǎn)單工具進(jìn)行更換維修。

(5)補(bǔ)償性能強(qiáng)，能夠動(dòng)態(tài)快速連續(xù)調(diào)節(jié)無功輸出，可以超前補(bǔ)償或者滯后補(bǔ)償，最大限度滿足功率因數(shù)補(bǔ)償要求。

(6)響應(yīng)時(shí)間短，響應(yīng)時(shí)間不大于10ms，對(duì)于快速暫態(tài)過程，有著重要的響應(yīng)速度優(yōu)勢(shì)。

作為變頻軟起和SVG一體化裝置，兼具軟啟動(dòng)和無功補(bǔ)償功能，可以取得一舉兩得的效果，不需要單獨(dú)增設(shè)SVG等電能質(zhì)量治理裝置，節(jié)省了成本和安裝空間，且便于維護(hù)，延長(zhǎng)了電機(jī)等設(shè)備的使用壽命，提高了變頻軟起設(shè)備的利用率，具有極高的經(jīng)濟(jì)效益。

6. 結(jié)語(yǔ)

   希望森蘭變頻軟起及無功補(bǔ)償一體化裝置使用1套電力電子變流裝置分時(shí)實(shí)現(xiàn)了變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電能質(zhì)量治理2種功能，使其滿足大功率電機(jī)變頻軟起動(dòng)與無功補(bǔ)償?shù)碾p重需求。不但解決了大功率電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流大、對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)沖擊大的問題，而且還可以通過無功補(bǔ)償模式提高廠內(nèi)供電系統(tǒng)功率因數(shù)、抑制電壓波動(dòng)達(dá)到節(jié)能降耗和改善電能質(zhì)量的效果，具有良好的應(yīng)用前景，值得大力推廣。