高压变频器在螺杆压缩机上的应用

本文通过对山东淄博某石油化工企业Nano-forming（NF）碳四芳烃构化工艺生产线中原料气压缩机的高压变频调速项目来介绍其应用特点和优势。

1.引言

NF工艺采用炼化企业的副产品—碳四（简称C4）裂解气来生产富苯混芳和贫苯混芳，同时联产粗丙烷或粗丁烷，在生产富苯混芳时还副产富氢干气。富苯混芳通过抽提可以得到优级纯苯、优级甲苯和混合二甲苯等化工原料；贫苯混芳适合于作欧IV欧V汽油的调和组分，其辛烷值可达97且基本不含硫，在市场上很畅销。联产品粗丙烷可作为丙烯原料或用于调制车用液化气；粗丁烷可用于生产乙烯、丙烯和异丁烯等低碳烯烃；富氢干气可用于制氢、蒸汽裂解制乙烯或作为燃料气、城市煤气使用。

总之，NF碳四芳烃构化技术是一种能够大规模利用碳四裂解气副产资源的重要工艺，它与炼化企业相容性好，技术先进成熟，拥有自主知识产权，产品增值性高，具有良好的应用前景。

2. 现场工艺介绍

本厂主要使用混和碳四（丁烯丁烷）做原料生产富苯混芳（BTX）和使用混和碳四中丁烯经过低温芳烃构化生产贫苯混芳（高辛烷值清洁汽油调和组分），其工艺流程主要有：加热-高温芳烃构化反应-吸收副产物-分离。主要流程如下图所示：

主要原材料C4存在于油田气、湿天然气和裂化气中，如石油化工轻油裂解制乙烯装置中，联产的碳四烃，约为乙烯产量石油炼厂催化裂化装置所产的碳四烃，约占装置处理量的6%，经分离可得碳四。其分离获得过程如下图所示：

原料气经分离-压缩-脱水-过滤-增压-冷却-脱乙烷最后得到稳定高纯度的液态轻烃-混合碳四，作为生产最终产品——苯、甲苯、BTX和高辛烷值清洁汽油调和添加剂的主要原料。

3.主要设备和装置

主要装置和设备由反应、分离、吸收、换热和化学处理等部分组成。主要设备有：一、二级分离装置、过滤、增压装置、换热器、脱水器、膨胀器、加热炉、烃构化反应器等。装置主要配套设施有：产品罐、吸收塔、凉水塔、循环冷却水泵及其它公用工程、控制和运输配套设施等。

4.原料气压缩机的变频调速

原料气（本厂主要使用C4裂解气），常温下为气态，要分离提取得到液态和100%高纯度的C4混合物，必须将气态的原料通过压缩机压缩为高温液态，再经过冷却才能达到分离提纯的条件。该厂处理量10万吨/年的碳四氢芳烃构化工业装置中原料气压缩机配套电机参数如下：

英威腾GD5000系列矢量型高性能变频器采用电压源型单元串联多电平高-高解决方案，直接6kV输入、6kV输出，接线简单、控制灵活。控制系统采用DSP+ FPGA +ARM三核技术，对此种转矩波动大的螺杆式压缩机采用无PG（速度传感器）的电压开环（SVC）控制。一方面可轻松实现低转速、大转矩的带重载启动；另一方面，当负荷波动瞬间转矩增大时，内置的DSP高速数字处理芯片可在100毫秒内迅速降低运行转速，提高输出的电磁转矩，防止因负载瞬间波动电流突然增大造成的设备频繁跳闸，满足现场运行工况要求。此外，对原料提纯分离中的压缩机组使用高压变频调速还有如下几大优势：

电机为额定频率60Hz的变频电机，采用直驱方式，中间省去了增速箱等附属装置，降低了系统损耗。使用变频传动，满足转速输出要求，其输出频率范围0.5～120Hz，频率分辨率0.01Hz；提高了传动效率和控制精度；

采用DCS集中控制，起停采用现场硬接线按钮，不仅满足了设备运行的安全可靠，而且还提高了工艺流程优化调整和监控的实时性和灵活性。其系统控制图如下所示：

原料气储罐容积有限从而造成压缩机吸气压力不稳定，负荷随时间无规律波动。使用变频调速可在压缩机出口加装压力传感变送器，变频器可根据负荷变化实时调整运行转速，实现输出压力恒定的闭环控制。运行频率越低，制冷压缩机的能耗也越低，从而在满足工艺要求的条件下能实现一定的节能降耗；

化工企业生产设备繁多，经常大批量同时启动时容易造成厂内母线电压陡降，引起设备欠压跳闸。GD5000系列变频器具有优良的抗电网电压波动性能。网侧电压在+10%～-15%之间波动时可做到满载输出。同时具有AVR功能，能够根据母线电压的波动自动调整输出电压。网侧电压在短时间小于85%～65%额定值或大于110%～120%额定值时，高压变频器降额运行不停机，可保证压缩机持续运行；

作为工艺循环中的关键负载，GD5000系列变频器具有功率单元工作情况（温度、直流母线电压、电流等）的实时监控和单元自动旁路功能。

5. 结束语

螺杆压缩机不仅具有纯旋转透平机械(容量的高速性、尺寸小、结构简单、无惯性力、无振动)的优点，同时兼有活塞式机械简单而运行特性稳定的特点。压缩是无油的，气体没有污染，反之，已经存在于气体中的杂质和液体组分对螺杆压缩机没有多大干扰。所以目前化工行业特别是石化行业在压缩含杂质成分多或湿度大的原料气时，越来越多的采用螺杆式压缩机。

另一方面，为完全适应螺杆式压缩机的低压大排量和高压小排量特性和提高系统的总体效率，大功率压缩机采用效率高的高压电机拖动、用高压变频器做电气传动及通过联轴器直连的方式，能有效的提高电气和机械传动效率，从而满足化工行业的工艺优化和节能需求。

审核编辑：汤梓红