- 选用变转速控制是电动机驱动循环氢离心压缩机组节能的最佳选择
摘要:首先介绍循环氢压缩机在炼油厂各种临氢化学反应工艺中的典型数据以及在改建、增建和扩建工程中采用电动机作为驱动机能提高机组的可靠性和可用性。其次，讨论循环氢压缩机的操作特点以及变转速控制节能的优越性。最后，探讨两种不同驱动方案的比较和选用情况。|
关键词： 变速行星齿轮 变频驱动 循环氢压缩机 环保
1引言
随着环境保护要求日趋严格，世界范围内对汽柴油产品质量要求不断提高。对于车用汽油来说，其质量正朝着高辛烷值、低硫、低稀烃和低苯的方向发展。这样一来就促进我国催化重整、加氢裂化和加氢精制等装置建设的快速进步和发展，这些装置是新世纪中国炼油工业重点发展的加工工艺。
在多数情况下，如果临氢化学反应工艺采取氢气一次通过的单程反应形式，就会影响装置的经济性，因此必须对含氢气体进行再循环，反复使用。富氢循环离心压缩机是石油炼厂催化重整、加氢裂化和加氢精制等装置中昂贵的心脏设备，它通常长周期无备机运行，压缩机的可靠性和可用性的要求是极高的。富氢循环压缩机介质的组成和压力等级因装置而异，流量也随着装置规模及原料性质而不同，其典型数据列于表 1 。
表 1 石油炼厂和石化厂用富氢循环离心压缩机的典型数据
|
工艺装置 |
气体种类 |
混合气体分子量 |
入口压力 MPa（绝） |
出口压力 MPa（绝） |
|
重整（连续再生式） |
H2 +HC |
5.8 |
0.35 |
0.68 |
|
重整 （半再生式） |
H2 +HC |
7.7 |
1.18 |
1.86 |
|
加氢裂化 |
H2 +HC |
5.4 |
16.54 |
19.19 |
|
加氢精制 |
H2 +HC |
7.9 |
7.01 |
8.75 |
|
歧化 |
H2 +HC |
6.7 |
3.20 |
3.83 |
|
异构化 |
H2 +HC |
7.2 |
0.97 |
1.22 |
|
烷基化 |
H2 +HC |
3.4 |
0.21 |
0.31 |
|
注：表中系典型工艺流程数据，实际上每套装置因设计条件不同，其分子量、入口压力和出口压力均有差异。 |
||||
在新建大型石油炼厂或石化厂时 , 工程设计公司考虑到全厂的蒸汽平衡，从节能的角度选用汽轮机作为大型压缩机的驱动机，这是无可非议的。但在扩建、增建或改建临氢化学反应的工艺装置时，很难对全厂蒸汽重新进行平衡，或者现有蒸汽负荷太大，不但没法增加反而希望减少。这时，人们往往会选用电动机作为循环氢压缩机的驱动机，另外也能提高机组的可靠性和可用性。
2 循环氢压缩机操作特点和变转速控制
在装置开工初期与生产末期的催化剂活性有变化，循环气组成也随之改变，响应的操作条件及循环气量也会有变化。另外还要考虑再生工况，此工况主要是用氮气操作，分子量为 30 左右，偏离正常工况甚远。因此，采用固定转速的机组不容易满足多工况操作的要求。电动机驱动循环氢离心压缩机实现变转速操作是势在必行。变转速控制的节能等优越性在本节中另行专门介绍。
2.1 循环氢压缩机在典型工艺流程中的位置
循环氢压缩机是在一个闭路循环中将气体（主要成分是氢）提高压头，通过换热器、加热炉、冷却器、分离器、反应器进行循环，并在反应器中进行临氢催化反应。循环氢压缩机在典型催化重整装置和典型加氢精制及加氢裂化装置中的位置分别见图 1和图 2 。
2.2 变转速控制的优越性
从节能的角度看，离心压缩机控制方式选择的优先顺序如下：（1）变转速控制；（2）入口导叶控制(静叶可调控制);（3）入口节流控制；（4）旁路控制。变转速控制实现无级机械变速，并可扩大稳定工况区，不引起附加损失，也不附加其它机构，对压缩机性能控制调节十分有利。
2.3 变转速控制和其它控制动力消耗的比较
图3的四条曲线为各种控制动力消耗的比较，在80% 流量时，变速控制的动力消耗比静叶可调控制约低8% ，比入口阀节流控制约低27% ，可见变转速控制的经济性最佳。
2.4 优越性
采用变转速控制的最主要理由是节能。图5是100% 转速和75% 转速的压缩机特性曲线和效率曲线的比较。从图中首先可看出压缩机转速调低 25% ，而其效率基本不变。这种控制的调节范围非常宽，在低流量操作时不会造成入口节流阀门的磨损。通过变转速控制，可能有效地保护压缩机并防止其进入不稳定的操作范围，譬如像喘振限。如果考虑到会出现各种各样的操作工况（例如：压力变化、分子量变化、冲洗、流量调节），变转速控制和其它可能的控制相组合，通常会提供最好的解决办法。变转速控制对工艺过程的起动和停车也是极有价值的，举例来说，使压缩机快速越过临界转速。最后必须提及灵活性，如果对系统或过程的参数并不知道、无法测量或在操作时要等到以后才能估计到的变化，那么，采用变转速控制进行最终的和确切的调整是可能的。
3 两种电动机变速驱动装置的比较
电动机驱动增压压缩机的变速调速方案有两种：一种是变频调速（VFD），纯电力的（非高速电动机需加齿轮箱增速）；另一种是变速行星齿轮（VORECON），纯机械的。
3.1 电动机变速驱动配置的经济比较
表 2 为电动机变速驱动配置的经济比较。
表 2 电动机变速驱动(10MW)配置的经济比较
|
驱动机 |
价格（百万欧元） |
操作费用 |
可靠性 |
存在问题 |
|
同步电动机 + 齿轮变速（ RKM 型 ) |
1.35 |
低速运行较高 |
十分高 |
|
|
同步电动机 + 变速行星齿轮 |
1.60 |
低 |
十分高 |
|
|
变频驱动 + 同步电动机 + 齿轮箱 |
2.00 |
低 |
低速运行较高 |
矩喘振、谐波、扭转振动、电磁辐射等 |
|
变频驱动 + 高速电动机 |
2.60 |
低 |
低速运行较高 |
转矩喘振、谐波、弯曲临界转速、 扭转振动、电磁辐射等 |
3.2 各项指标比较
两种电动机变速驱动机的选择应考虑以下因素：（1）设备费用；（2）性能和效率；（3）占用空间；（4）工程设计工作量；（5）维护和大修；（6）环境污染及（7）寿命周期费用评价。寿命周期费用评价是选择中一个重要的项目，预计设备 20 年或 30 年寿命，对寿命期间作出真实全面的经济分析，包括投资、 操作、维护、大修等费用。 各项指标的比较见表 3。
表 3 大功率的变频电动机驱动（VFD）和用变速行星齿轮的电动机驱动的比较
|
序号 |
项目 |
变频电动机驱动 (VFD) + 齿轮箱 |
固定转速电动机 / 变速行星齿轮驱动 |
|
1 |
投资费用 |
高 ,200 – 400 US$ /kW |
稍低 ,150-300 US$ / kW |
|
2 |
安装费用 |
较低 |
最低 ,( 所需空间最少 ) |
|
3 |
操作费用 |
较低 |
最低 |
|
4 |
维护费用 |
低 , 10 – 13 US$ / kW / 年 |
最低 , < 5 US$ / kW |
|
5 |
占用空间 |
4 – 6 倍的 VORECON |
0.17-0.25 倍的 VFD |
|
6 |
总效率 |
约 90 % |
约 93 % |
|
7 |
变速装置 |
电子 |
机械 |
|
8 |
备件 |
仅有保险备件 ( 应注意电子 部件的老化 ) |
仅有保险备件 |
|
9 |
环境污染 |
电磁辐射污染 |
无 |
|
10 |
重量 |
～ 5.4 – 6.7 kg / kW |
～ 3 – 5 kg / kW |
|
11 |
典型调速范围 |
70-105%; 0-105% ( 用磁力轴承 ) |
65 – 105 %; 15 - 105 % |
|
12 |
噪声等级 |
80 – 90 dBA |
90 – 100dBA( 带标准隔声罩 < 85 dBA) |
|
13 |
适合无油机组 |
适合 |
不 |
|
14 |
5 年连续操作 |
< 4 年 |
按标准可达 8 年 |
|
15 |
可靠性 |
好 |
更好 ( 可达 99.97%) |
|
16 |
可用性 |
尚好 |
最好 ( 可达 99.83%) |
|
17 |
出厂试验 |
整机试验不行 |
整机试验可以 |
|
18 |
维护 |
仅由有资格的人员进行 |