MVe2系列中压变频器在煤制氢隔膜泵上的应用实例

1、煤制氢工艺概述

煤制氢也称为煤炭气化制氢气(H2)，通过渣浆泵将煤浆输送至反应炉，由煤蒸汽转化制煤气、煤气净化、煤气变换和变压吸附(PSA)提纯氢气(H2)四部分组成，煤炭或者焦炭在高温下与水蒸汽发生反应，生成主要含有氢气(H2)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)的煤气。

化学方程式如下：

C+H2O=CO+H2
CO+H2O=CO2+H2

煤气再经过降温、除尘和脱硫后，与水蒸汽混合进行变换反应，大部分一氧化碳转化为氢气(H2)和二氧化碳(CO2)，成为变换气，然后，变换气通过变压吸附(PSA)过程，得到高纯度的氢气(H2)。

2、隔膜泵的工作原理

隔膜泵是一种可以输送特殊工艺泵，隔膜泵在其两个对称的工作腔中，各装有一块有弹性的隔膜，形成两个独立的腔室。中间轴将两块隔膜结成一体，配气阀控制每个腔室的增压，压缩空气进入配气阀后，推动一边隔膜，驱使联杆联接的两块隔膜同步运动。与此同时，另一工作腔中的流体排出泵外，到达行程终点。配气阀则自动地将压缩空气切换到另一工作腔，推动隔膜朝相反方向运动，这样形成了两个隔膜的同步往复运动。

每个工作腔中又设置有两个单向球阀，隔膜的往复运动，造成工作腔内容积的改变，迫使两个单向球阀交替地开启和关闭，从而将流体连续地吸入和排出。GEHO隔膜泵示意图如图[1]。

曲柄连杆机构在电动机的驱动下，带动曲轴作往复运动，曲轴的运动通过液缸内的工作液体(一般为油)而传到隔膜，使隔膜来回鼓动。气动隔膜泵缸头部分主要由一隔膜片将被输送的液体和工作液体分开，当隔膜片向传动机构一边运动，泵缸内工作时为负压而吸入液体，当隔膜片向另一边运动时，则排出液体。被输送的液体在泵缸内被膜片与工作液体隔开，只与泵缸、吸入阀、排出阀及膜片的泵内一侧接触，而不接触柱塞以及密封装置，这就使柱塞等重要零件完全在油介质中工作，处于良好的工作状态。

3、煤制氢工艺对隔膜泵传动系统要求

煤制氢现场要求隔膜泵组要求如下：

1， 设备可靠起动，启动平缓。

2，传动系统稳定可靠运行，根据工艺要求隔膜泵转速可调整。

3，变频器可以实现自身和电机保护。

4，隔膜泵满足三地操作，分别设置在机旁操作柱、变频器触摸屏、DCS后台。隔膜泵的启动和停止命令可以在机旁进行，也可以通过机旁操作柱切换开关通过DCS控

煤浆流量的调整是通过隔膜泵变频调速来实现的，隔膜泵在煤制氢工艺中极为重要，要求所用高压变频器有很高的可靠性和完毕的控制保护功能，最终恒力石化用户选用TMEIC全新一代MVe2系列中压变频器。

TMEIC全新一代MVe2系列中压变频器保护功能示意图如图[2]：

图[2] 变频器保护功能示意

4、MVe2系列中压变频器解决方案

MVe2系列中压变频器与传统单元串联高压变频器相比，在功率单元拓扑和变压器方面有较大差别。

传统单元串联高压变频器功率单元整流器采用二极管整流，因二极管是不可控半导体器件，为了减少变频器网侧谐波，变频器进线变压器需要使用工艺复杂的整流变压器。

MVe2系列中压变频器单元拓扑结构与传统单元串联高压变频器有所不同，单元整流器采用IGBT整流器，变频器进线变压器无需专用整流变压器，且可以有效改善变频器网侧功率因数。由于MVe2中压变频器采用IGBT可控制整流器，在大惯量负载且对加速和减速时间有特殊要求的控制中，MVe2中压变频器有其独特的优势。

传统单元串联高压变频器每个功率单元逆变器只能输出2个电平，MVe2系列中压变频器每个功率单元逆变器输出5个电平。在输出电平数量相同的情况下，MVe2系列中压变频器使用单元数量更少，变频器体积更小。在满足变频器相同输出波形的情况下，为用户节约安装空间。

MVe2中压变频器主回路及其功率单元拓扑图如图[3]：

图[3]主回路及其功率单元拓扑

MVe2中压变频器每个功率单元的逆变器由两个单桥逆变器组成，每个单桥逆变器可以输出3个电平，每个MVe2中压变频器功率单元可以输出5个电平。用变频驱动同等电压等级的电动机时，变频器输出电平数量越多其输出波形越接近正弦波，可以减少电应力对电动机的损伤。MVe2中压变频器功率单元单桥逆变器输出三电平原理如图[4]：

图[4]三电平原理

膜泵负载对传动系统要求较高，隔膜泵在启动时要求变频器提供较大的启动扭矩以便克服隔膜泵静摩擦力正常启动。隔膜泵在运行过程中要求变频器有很高的速度响应特性，以便克服因曲轴旋转过程中电机负载突变导致的失控。

用户选择TMEIC全新一代MVe2系列中压变频器，此项目中MVe2系列中压变频器采用带编码器的矢量控制模式，提高了传动系统的启动特性和低速控制特性，以满足隔膜泵的启动要求。MVe2系列中压变频器独有的自由化功能，可以对各类特殊负载进行变频器参数优化，极大地提高了调试便捷性。

5、项目详情

5.1电机参数

电机品牌：ABB

电机功率：137-420kW

电机电压：1098V-3300V

电机电流：90-91A

电机转速：493-1515.9rpm

编码器型号：LL 729677-02

5.2隔膜泵参数

隔膜泵品牌：GEHO

隔膜泵型号：ZPM900

隔膜泵流量：120m³/h

隔膜泵压力：9600kPa

隔膜泵转速：56spm

隔膜泵功率：341kW

5.3变频器参数

变频器品牌：TMEIC

变频器型号：MVe2

变频器容量：540KVA

变频器输入：10kV

变频器输出：0-3300V

5.4变频器启动波形如图[5]

图[5]变频器启动波形

审核编辑：郭婷