变频器在天然气净化应用中的分析

李 俊

大港油田 第四采油厂 (天津 大港 300280)

变频器在天然气净化应用中的分析

李 俊

大港油田 第四采油厂 (天津 大港 300280)

介绍了变频器变频调速的基本原理，分析了变频器在天然气净化应用中的优越性，使用中应注意的问题及系统运行中存在的问题，得出变频器可广泛应用于天然气净化处理工艺中的结论。

变频器 天然气 净化处理

在石化工程中，油气集输、净化等系统中使用的油泵、溶液泵经常处于工况运行状态，采用强制调节阀方式，易使泵形成旋涡冲击，产生激烈振动的噪音，这会降低泵的使用寿命并造成环境污染；同时，交流电机所拖动的风机、泵类负载，其用电量约占整个工业用电量的70%左右，因此合理使用电动机，提高其工作效率，降低能耗就显得十分重要。采用变频器后，电动机启动转矩大，启动电流可降低至电动机额定电流的1.5～2.0倍。这样既避免了泵形成旋涡冲击，保护电机，减小噪音，同时也降低了能耗。

变频器变频调速的基本原理

异步电动机的转速n=60f(1-s)/p，其中：f为电源频率，p为电机的极对数，s为电机的转差率。当电机的转差率s变化不大时，电机转速n基本上与电源频率f成正比，与电机的极对数p成反比。因此，连续地改变供电电源的频率，就可以平滑地调节异步电动机的运行速度。

目前，在长庆气田第一净化厂应用的变频调速系统为可控硅变频调速系统，其基本结构如图1所示。

图1 变频调速系统的基本结构

它是将三相工频交流电源通过可控硅整流、滤波器滤波、可控硅逆变后输出不同频率的交流电压，以调节异步电动机的转速。从本质上来说，变频调速是一种无级、平滑而又经济的调速方法，可适用于不同的负载类型，具有调节范围宽、精度高等特点，是目前电动机调速最理想的方法之一。

变频器应用的优越性分析

长庆气田第一净化厂共有23台变频器对部分重要机泵进行转速控制。其中：前5套净化装置中，脱硫单元共有10台ROBICON(罗宾康)变频器对10台MDEA循环泵进行溶液循环量控制；脱水单元共有10台ABB变频器对10台TEG循环泵溶液循环量进行控制；供水站1台ABB变频器对基地供水泵进行流量控制；第6套装置有2台施耐德变频器对TEG补充泵进行流量控制。通过变频器在长庆油田第一净化厂中的不断应用，其变频技术给实际生产带来的优越性正日益突显。

1 变频器的节能分析

MDEA及TEG溶液的循环量随原料气的变化而相应变化，传统的方法是采用调节阀，这种方法不能节约电能；而采用变频器调节泵的排量，不但可以减少溶液循环的损耗和热炉的能耗，而且可以节约电能。其节能分析如下：

MDEA及TEG泵转速与其流量、压力、功率的关系如下：

Q=K1N

F=K1N2

P=K3N3

其中 Q—泵流量；

F—泵压力；

P—泵功率；

N—泵转速；

K—系数。

由P=K3N3可知，电动机的输出功率P与电动机的转速N3成正比，因此随着电机转速的变化，电机所消耗的电能也随之变化。

现以新鲜水泵（额定电流为139.2A）为例，计算变频器节能所体现出的经济效益：

（1）使用变频器

在保证正常生产f=36.6Hz情况下，新鲜水泵的正常运行电压U1=364V，电流为I1=54.4A，此时新鲜水泵运行功率P1=U1×I1=19 801.6W

（2）未使用变频器

新鲜水泵频率f=50Hz情况下，新鲜水泵的正常运行电压U2=380V，电流为I2=139.2A，此时新鲜水泵运行功率P2=U2×I2=52 896W，因此P1/P2=19 801.6/52 896=0.37，而电能 E=P·T，因此 E1/E2=P1/P2，即 E1=（P1/P2）·E2。

也就是说当使用变频器后，新鲜水泵所消耗的电能为未使用变频器时所消耗电能的37%，即功率消耗理论上比原来减少63%。

如果电费为0.62元/kWh，电机效率为0.95，新鲜水泵运行365d/a时：①在未使用变频器的情况下， 新鲜水泵年耗电费为：（75kW×24×365×0.62）×0.95=38.697 3万元；②在使用变频器的情况下,新鲜水泵年耗电费为：38.697 3×37%=14.318 0万元。则年节省电费为：38.697 3－14.318 0=24.380 0万元。

2 变频器便于流量控制

在供水系统中采用泵出口恒压供水方式时，由于单位时间内供水量保持恒定280m3/h，而用水量发生周期性波动，如夏季水压不足，影响生产；冬季水大量溢流，浪费水资源，同时也浪费了电能。采用变频调速恒压供水后，则可根据实际生产需要设置频率，改变泵的转速以达到调节流量（70～280m3/h）的目的，在保证正常生产的前提下，最大限度的减少总供水量，做到既节能又节约水资源。同时，变频器的应用也方便了柱塞泵的流量调节，根据生产实际需要调节TEG溶液的循环量，减少溶液损耗，使系统的运行参数得到有效控制，为整个系统的经济优化运行提供了可靠保证。

3 变频器的应用延长了设备的使用寿命

应用变频器能方便控制泵的出口压力，防止因超压损坏管线及阀门。以MDEA循环泵为例，未使用变频调速时，泵头压力高达6.2MPa，而使用变频调速后，泵头压力可控制在5.0 MPa左右。这样有效地减小了管网及阀门的工作压力，延长了使用寿命。对于大功率电动机来说，由于启动电流过大，会引起电网电压的波动，而影响接在同一电网上其他电气设备的正常运行，也会使电机受到过大电磁力的冲击，若频繁启动，还可能使电机的绕组过热而影响电机的使用寿命。采用变频调速后，可消除大电动机启动时过大的冲击电流对电网的冲击，同时消除启动时冲击力矩对电机的损坏，从而延长电机的使用寿命。

4 控制、接线系统优化

在第一净化厂中所采用的美国罗宾康ZD-454GT变频器，具有良好的人机界面，LCD显示键盘可同时在线显示5种运行参数值，可详细、准确反映变频器工作状况，其接线和控制系统如图2所示。

此种控制接线设计的好处在于，当变频器出现故障时，可以走旁路，不会因出现故障而影响生产，从而提高了供电的可靠性。

变频器使用中应注意的几个问题

变频技术的应用在给企业带来一定经济效益的同时也引入了许多不容忽视的问题，如变频器价格昂贵、电路复杂、使用条件苛刻等，针对第一净化厂的实际情况，为了使变频器更好的服务于生产，应注意以下几点。

1 冷却要求

变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，产品一般要求环境温度在0～45℃，但为了保证变频器工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40℃以下。

2 防止电磁波干扰

变频器在工作中由于整流和变频，周围会产生很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表仪器有一定的干扰，如果处理不好电磁干扰，往往会使整个系统无法正常工作，使得检测错误，在电机电缆中串联电抗器可以减少电机电缆产生的电磁辐射干扰。

3 接地

变频器正确接地是提高控制系统灵敏度、抑制噪音的重要手段，变频器接地端E（G）的接地电阻越小越好，接地导线的截面积不小于2mm2，长度应控制在20m以内，变频器接地必须与动力设备的接地点分开，不能共地。

系统运行中存在的问题

目前，第一净化厂所使用的23台变频器，自投运以来运行状况基本稳定，只有ROBICON(罗宾康)变频器在环境温度较高时出现过“接地”、“短路”、“过电流”故障报警显示，原因是由于电机位于装置区内，而变频器则安装在配电室，二者平均间距150～300m，电机电缆的杂散电容对变频器的影响较为明显。由于变频器出厂时载波频率设置为8 kHz，所以变频器输出电压中，含有较丰富的为载波频率倍数的高次谐波电压，因此，在长的电缆上易形成附加的高次谐波电流，导致变频器电流检测失误，误报接地、短路故障。为此，应将变频器出厂时载波频率调到最小（1kHz），以解决变频器报警故障，确保装置安全可靠运行。

建 议

第6套装置MDEA循环泵电机为德国产的，而泵是匈牙利产的，其设备成本昂贵，维修不便。高压电机为10kV电压直接启动，其启动电流高达186A，由于生产的需要，有时需不断进行启停操作，这样易对设备的使用寿命造成不利影响，建议对这两台高压电机配置高压变频器。

结 论

由于变频器具有节能效果明显、调节范围广、安全可靠，运行操作方便等特点，为净化厂各装置的安全平稳运行发挥着重要作用。因此，在第一净化厂天然气净化处理工艺中，可广泛采用变频器进行有关的流量、压力的调节和控制。

[1]李方园.变频器应用技术[M].北京:科学出版社,2008.

[2]李燕,廖义奎,王永.图解变频器应用[M].北京:中国电力出版社,2009.

[3]吴启红.变频器.可编程序控制器及触摸屏综合应用技术实操指导书[M].北京:机械工业出版社,2006.

An introduction is given to the basic principle of frequency converter's variable speed and frequency modulation.And then analyses focuses on the superiority of frequency converter used in the purification of natural gas,problems requiring much attention in the use,and problems existing in the operation of system.At last,it is concluded that frequency converter can be widely applied to the purification process of natural gas.

frequency converter;natural gas;purification process

李俊（1979-），男，现主要从事石油、天然气储运及计量交接工作。

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2010-05-04