浙江油田黄金坝集中增压站 DTY2240压缩机组变频节能改造研究

浙江油田黄金坝集中增压站 DTY2240压缩机组变频节能改造研究

刘熔冰

中国石油天然气有限公司浙江油田分公司 浙江杭州 645250

摘要：本文对黄金坝集中增压站DTY2240机组实施变频节能改造,实现变频启动,变频控制运行。

关键词：增压站；变频；节能

一、黄金坝集中增压站DTY2240机组参数及运行方式。

黄金坝集中增压用DTY2240机组，主电机型号上海电机厂YB800M3-6,交流异步电机，额定功率2240KW，额定电压10KV，额定电流157A，供电电源为两台容量为4000KVA主变，机组通过软启动器进行降压启动，限流倍数3.5，保护参数设置为：启动时间40s，电压保护动作8-11.3KV，动作延时时间3s；35KV一次侧电流保护动作时间9.7s，单主变230A。机组启动时采用双主变并列运行，压降幅度约为17%，启动时间约为9s。

目前DTY2240机组为保证进气压力稳定在2.0-2.2MPa，机组工况调整主要通过控制回流分度阀开度及改变压缩缸单双作用两种方式实现。

二、DTY2240机组启动测试情况。

1、单主变4000KVA容量，考虑降低压降，软起限流倍数设定为3，启动电压10.7KV，电压最低为8.77KV，超过35KV变电站一次侧过流保护时间9.7s，造成一次侧过流保护动作，未能启机成功。

2、采用双主变并列运行，总容量8000KVA，软起限流倍数设定为3，启动电压10.69KV，电压最低9.09KV，启动成功，压降为1.6KV （15%）。但3倍限流启动时间过长，易造成35KV变电站过流保护动作，造成启动失败。

3、保持双主变并列运行方式不变，软起限流倍数调整为3.5，启动电压10.51KV，电压最低为8.77KV，启动成功，启动时间约9s，压降为1.74KV（17%）。

三、高压变频拖动方案

1）高压变频器与软启技术对比。

变频起动过程中：降压，降频，保持额定电流区域完成起动，使电机以较小的启动电流，一般启动电流在1.5倍I_e以内，同时使电机启动转矩达到其最大转矩；变频器同时改变输出频率与电压，使电机运行曲线平行下移，根据负载对气体的需求，调节频率，调整运行工况，节约电能损耗。

相比于软启，高压变频器能够很好的完成对压缩机的控制，满足起动与运行需求。

2）定频电机利用变频驱动的缺点及解决方案

1、定频电机的电磁线采用标准的漆包铜线上的双层涂膜结构不能长期承受变频器浪涌电压的反复冲击，在高频谐波的冲击下漆膜易变脆破裂引起匝间、对地、短路等现象。

2、定频电机用作变频电机在低速运转时因磁场过饱和，激磁电流增大，引起过载能力不足；定频电机设计时未考虑高频状态下高速运转的结构强度问题，高速运转时，可能出现因整体强度不足产生较大的振动，同时，高速运转的离心力易引起轴弯曲变形或转子扫膛的现象，自冷风扇的转速也随之提高，噪声增大，并可能造成自冷风扇的损坏。

3、定频电机在设计及制造的过程中未考虑轴电流的影响，在变频供电的高次谐波的影响下，轴电压和轴电流相对于工频状态大幅增加，当轴电压超过了允许值时，油膜或润滑脂因轴电流导通遭到破坏，造成润滑油碳化，影响轴承使用寿命甚至损坏轴承。

目前高压变频系统主要采用以下方案解决上述问题：

1、电压和频率按照V/F的设定进行相应的调节，保持电机在不同的频率下运行，异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。

2、利用移相变压器将一次侧高压变换为各功率单元所需要的多组二次侧电压，同时实现一次侧与二次侧线电压的相位偏移和电气隔离，减小一次侧谐波。移相变压器的二次侧绕组一般采用延边三角形接法，各绕组间有固定的相位差，形成多脉冲整流方式，使变压器二次侧各绕组的谐波电流相互抵消，不反映到一次侧，从而显著改善了网侧的电流波形，消除变频器对电网的谐波污染。

3、移相变压器二次侧共24个绕组，每三个绕组分为一组，其移相角度相同。每相邻两个绕组之间相差 7.5°。每个绕组接一个功率单元，利用功率单元输出波形的移相叠加，整体系统通过控制IGBT模块通断实现SPWM波形电压输出；高压变频器输出电压的谐波含量很低，已达到常规供电电压允许的谐波含量，同时dV/dt较小，不会增加电机绕组的应力，可以直接适配普通国产异步电机。

4、同时，考虑定频电机的结构强度及DTY2240压缩机组实际运行情况，在进行变频调速时，严格禁止电机在高频高速状态下运行，即调频幅度不超过工频50Hz。

3）变频软起改造方案

高压变频系统采用一拖一自动切换控制方案。变频器采用底部进出线方式，变频器应安装在电缆沟上。

变频/工频自动切换:切换柜在变频软起进、出线端增加了两个隔离刀闸，以便在变频软起退出而电机运行于工频时，能安全地进行变频软起的故障处理或维护工作。

切换柜主回路主要配置：三个真空接触器（KM1、KM3、KM4）和两个刀闸隔离开关 QS1、QS2。KM3与KM4 实现电气互锁，当 KM1、KM3 闭合，KM4 断开时，电机变频运行；当 KM1、KM3 断开，KM4 闭合时，电机工频运行。另外，KM1 闭合时，QS1、QS2 操作手柄被锁死，不能操作。电机工频运行时，若需对变频软起进行故障处理或维护，切记在 KM1、KM3分闸状态下，将隔离刀闸 QS1 和 QS2 断开。合闸闭锁：将变频软起“合闸允许” 信号串联于用户高压送电柜的合闸回路上。在变频软起故障或不就绪时，不允许用户闭合现场高压。切换为工频时（KM4 手动吸合）此信号闭合。故障分闸：将变频软起“高压分断” 信号与切换柜“变频投入” 信号串联后，并联于高压开关分闸回路。在变频投入状态下， 当变频软起出现故障时，分断变频软起高压输入；工频投入状态下， 变频软起故障分闸无效。工频投切： 将变频软起“工频投切” 信号直接引至控制柜外控端子。变频运行状态下，若变频软起出现故障或者需要将电机从变频投入到工频状态运行（按下“工频投切” 按钮），且此时切换转换方式为自动，系统将首先分断变频软起高压输入、输出开关 KM1 和 KM3，经过一定延时后，工频切换开关 KM4 自动合闸，电机投入电网工频运行。

四、节能及效益分析

1）变频节能原理分析

压缩机设备属于风机泵类设备，即平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n，H∝n²，P∝n³；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。

通过性能曲线和管路特性曲线的变化，可以对压缩机组运行状态和能量消耗进行较直观的分析。因此，要准确预算机组变频改造的节能效果，必须以接近实际情况的特性曲线为依据，并对特性曲线进行详细分析。

目前DTY2240压缩机电机为定频运行,转速恒定为990RPM，工作电流约为120A,所以,根据运行电流可求出电动机工频运行时，实际消耗的有功功率：

P=1.732 I U cosφ= 1.732×120A（实际运行电流）×10KV×0.8=1662KW

节电率估算：

变为变频器拖动,可降低电机运行频率，改变电机转速来达到调整工况的目的。根据目前工况，变频器预计调节到40HZ左右，电流约降低15%，以此作为节能计算标准。

电价按0.615元/度计算，年节电费约90万元（考虑负载恒定的理想工况下，因现场工况变化节电率会有一定差异）

另考虑目前平台供电未接入黄金坝35KV变电站，如改为变频启动后可停用一台4000KVA主变，按容量费26元/月/KVA，计算，每年可节约容量费：

4000X26X12=124.8万元

两项合计每年可节约成本支出214.8万元。

五、结论

综合以上分析,可对黄金坝集中增压站DTY2240机组实施变频节能改造,实现变频启动,变频控制运行。