本文刊登于PROCESS《流程工业》2023年第9期

《氢气压缩机（10kV） 变频改造的实践应用》

文/ 于伟然 王明兰 满昌龙

本文作者供职于联泓（山东）化学有限公司

联泓（山东）化学有限公司（以下简称“联泓化学”）以煤为原料，经气化装置生产水煤气，通过变换，低温甲醇洗工序制得合格的净化气，送入甲醇合成系统生产甲醇。生产装置多年来运行平稳，达到设计 720 kt/a 甲醇的生产能力。近年来随着政策的变化和市场的改变，联泓化学对生产工艺进行了优化改造，使装置具有 1 000 kt/a甲醇的生产能力。

在甲醇合成反应的工艺气中含有惰性气体（CH4、N2、Ar 等），随着甲醇合成反应的进行，惰性气体不参与反应，在系统中逐渐积累，影响了反应速率。为了防止合成系统中惰性气体的积累，要连续从系统中排放少量的气体。这部分富含大量有效气（≥ 70%）的弛放气经水洗塔洗涤甲醇后送氢回收系统回收氢气，氢回收系统采用膜分离原理将富氢气进行回收，因分离后的富氢气压力低，采用氢压机加压后送入甲醇合成系统继续参与甲醇合成反应。

氢气压缩机选用的是往复式压缩机，型号为 DW-15/1.8-5.4，共1台，单台排气量14 883 Nm3/h。该压缩机为对称平衡型，两列两级往复活塞式压缩机，气缸水冷，压力循环强制润滑，电动机拖动，具有对动性能好和检修方便等优点。联泓化学氢压机为一台，采用单层布置，压缩机气缸中心标高 2 m。从压缩机的非驱动端（压缩机端）看，左侧一列为二级气缸，右侧一列为一级气缸，所有气缸均为上进下出的双作用结构。

工作原理及流程

甲醇合成系统引出的弛放气进入氢回收气液分离器 V5115 进行气液分离，然后经过氢回收套管式换热器 E5105 加热至约 50℃后，送入氢回收膜组 M5102。通过膜管的富氢气经氢气压缩机 C5105压缩。压力为（1.73 ～ 2.1 MPa）、温度为 45℃的富氢气进入压缩机入口，压缩机采用两段压缩，压缩后的富氢气经氢压机出口并入新鲜气管道，进入合成回路继续参与反应。

氢气压缩机的工作原理：氢气压缩机由电动机通过刚性联轴器驱动，电动机转子直接带动压缩机的曲轴旋转，然后由连杆和十字头将曲轴的旋转运动变成活塞的往复直线运动。

本机两个气缸均为双作用，即盖侧和轴侧都有相应的工作腔。以盖侧为例，当活塞由盖侧始点位置向轴侧开始运动时，盖侧容积变大，腔内残留气体膨胀，压力下降，与进气腔内压力产生压力差，当压力差大于吸气阀弹簧力时，吸气阀打开。随着活塞继续向轴侧运动，将气体吸入缸内，活塞到达内止点时吸气完毕。随后活塞又从轴侧位置向盖侧方向返回移动，此时吸气阀关闭，随着活塞的继续移动，缸内容积不断变小，已吸入的气体受到压缩，压力逐步升高。当缸内压力高于排气腔内压力且压力差大于排气阀弹簧力时，排气阀打开，缸内已被压缩的气体开始排出。当活塞返回到外止点（盖侧始点位置）时，排气完毕。至此完成了一个工作循环。

轴侧工作腔的工作原理与此相同，但有 180°的相位差（即当气缸轴侧吸气时盖侧排气；轴侧排气时盖侧吸气）。由于活塞不断地作往复运动，使气缸内交替发生气体的膨胀吸入和压缩排出过程，从而获得连续脉动的压缩气源。压缩机布置简图，如图 1 所示。

变频改造背景

联泓化学氢气压缩机设计中有 50%、100% 负荷运行两种工况，在催化剂使用初期，反应效果好，驰放气量小，氢压机采用半负荷运行。待催化剂使用后期，驰放气量大时采用满负荷运行。这种方式使较大一部分电能浪费在调节上，回流气量大，而且操作方式复杂，响应时间较长，需人工调节或主控台值班人员监测调节阀门，增加了工人劳动量。同时设备长时间高速运转，电动机高负荷运行浪费很大，电气和管道系统机械磨损严重，增加维修频次和费用，影响使用寿命。过大的起动电流会使电动机迅速发热，加速其绝缘老化，影响电动机使用寿命。半负荷运行时电动机功率因数 0.5 ～ 0.6，造成大量电能损耗。

变频改造方案

采用高压变频器调速控制装置。变频器能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素以及过流 /过压 / 过载保护等功能。变频器采用一拖一的运行方式，每台变频器配置一台旁路柜，旁路柜采用手动切换方式。

变频器的控制方式采用自动控制方式和手动控制方式。手动、自动控制由设置在 DCS 显示器画面上切换按钮来实现，由设置在电动机旁的切换开关实现就地、远程切换。自动控制方式依据现有的 DCS 系统采集现场的压力、阀门开度或者压力等信息。手动控制一是由设置在现场的操作箱手动控制，二是利用已有的 DCS 系统，在 DCS 画面上手动操作调节。一拖一带手动旁路接线如图 2 所示。

断路器为甲方原有高压开关，高压变频器设工频旁路功能，手动旁路柜与断路器有必要的联锁，变频器允许合闸及重故障保护信号串入原综保系统。系统的运行参数和“本地”操作方式等可在触摸屏上实现，高压变频柜体上有选择（远程 / 就地）开关等选择功能，就地指在变频器本体上操作，远程指在变频器本体之外操作。

高压电动机旁操作箱通过硬线连接到变频器，控制电动机起停，面板设置起动、停止、就地 /远程 DCS、变频故障及以变频运行停止信号，并有运行转速、转速调节、运行电流指示。实现利用机旁操作箱对电动机进行现场操作，并有电气联锁防止出现误操作，主要设备清单见表 1。

变频改造意义

经测算：氢压机改造前工频运行每小时耗电 577.78 kW · h，氢压机改造后变频运行每小时耗电341.67 kW · h，电价按 0.49 元 /kW · h、年运行时间按 8 000 h。

年节电费用计算为：（577.78–341.67）×8 000×0.49=92.56 万元。

年 折 旧 费：55.9 万 元 /10 年=5.59 万元。

变频器维修费：2 万元 / 年。

项 目 年 效 益 为：92.56–5.59–2=84.97 万元。

回收期：55.9/86.97=0.64 年。

结语

在“双碳”的大背景下，企业通过技术改造，降低运行成本，实现节能降耗，将有利于提高自身竞争力。氢气压缩机变频改造实施后运行稳定，节约了大量电能，提高了电动机的功率因数，消除了谐波对电网的污染；降低了设备的噪声，有效延长了设备的使用寿命。电气、风机设备和管道系统机械磨损大幅减小，大大降低了维护、维修费用，节省大量人力成本。近几年联泓化学先后实施了数项变频改造，效果较好，值得推广。

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