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炼化企业高压变频改造技术方案
选择时应注意的几个问题
吴航英
中油股份公司大庆石化分公司炼油厂黑龙江省大庆市 163714
摘要：文章就目前市场上常见的高压变频器的特点进行了阐述，就石化企业中常见的高压变频改造结合我厂的应用情况提出了确定方案需注意的几个问题。
关键词：高压变频器
改造 方案
变频技术的日臻成熟，为广大石化企业的流量控制提供了前所未有的广阔前景。由于变频控制的快速、高精度及控制灵活性和运行的经济性；操作、维护的简单可靠获得了广大石化企业的广泛认同。随着高电压技术及器件的发展，高压变频器的应用越来越广泛，由于高压电动机功率大，因此实施变频改造后效果明显，因此具有广阔的应用前景。目前市场上较为流行的高压变频器从电源种类分为电压型（电压型变频器又分为：高低高方式、三电平逆变方式、多电平逆变方式）、电流型两种形式。下面简单叙述其各自的特点：
电压源型变频器的优点为：
1.
整流侧功率因数恒定，不受逆变负荷变化的影响，一般较高约为0.92以上。
2.
对逆变侧负荷开路的保护较为完善（电压型的优势）。
3.
对逆变负荷的参数变化无特殊要求，可用一台变频器拖动多个电机运行（成组）。
电压源型变频器的缺点为：
1.
对负荷的动态响应较慢（与电流型相比）。
2.
对电网的电压波动较敏感。逆变器输出电压的峰值取决于输入侧电压的高低。
3.
当逆变负荷降速时，由于其整流侧的限制，只能实现不完全回馈制动，把动能转化为电能存储在其滤波电容之中，造成直流电压的升高。特别是在大幅度降速时，易造成变频器的过压跳车。这时应考虑加装直流过压吸收装置。
电流源型变频器的优点为：
1.
对负荷的动态响应较快，动态性能较好。
2.
对电网电压的波动不敏感。
3.
由于其整流侧的可控方式，可方便的实行回馈制动，在制动时的负荷降速较快，并能把该部分的动能转化为电能回馈给电网。
4.
对逆变侧的负荷短路保护较为完善（电流型的优势）。
电流源型变频器的缺点为：
1.
整流侧功率因数受逆变侧负荷变化的影响较大，特别是在负荷深调速时功率因数较低。
2.
对逆变负荷的参数变化敏感，不适用于一台变频器拖动多个电机运行（成组）的工况。
一、我厂在350万吨/年常减压装置上应用的高压变频器的特点：
1、多电平逆变方式较好的解决了逆变器对电动机的dv/dt冲击过大的问题，由于靠输入隔离变压器的二次连接组别的变化的实现了输入和逆变的多重化控制，可以极大地削减各单元产生的谐波对接入点高压电源的影响，美国罗宾康公司的完美无谐波系列的标准产品为36脉冲变频方式（见图三）。这种方式成功的把低压元件应用于高压变频器之中，并同时解决了电压型变频器dv/dt过高的缺点。为避免大量的使用低压元件而造成的系统可靠性问题，对特别重要的负荷，该厂家同时提供功率单元旁路开关，一旦某功率单元出现故障，可用其自动切除故障功率单元并结合其独创的中性点偏移技术使得逆变器的输出电压在稳定运行时可达额定输出的90%左右，并自动降低变频器的输出功率短时运行，使用户作好切换准备。每个功率单元里没有特殊的、或是要配对的器件，只是常见的低压器件。适用于常规的电机和电缆而无特殊的绝缘要求。在供电电源容量接近变频器容量时，该系列变频器也能满足IEEE519——1992对电压、电流失真最严格的要求。（见图一）
2、电流型的高压变频器市场上只有美国ROCKWELL公司的PowerFlexTM7000，其逆变器件为高压逆变功率元件SGCT（Symmetrical
Gate Commutated Thyristor）——对称门极换流晶闸管SGCT单管耐压已经达到6500V，是真正的高压（6000V）器件，使PowerFlexTM7000的功率元件为目前所有高压变频器中功率元件数量最少；它的可关断性、导电的低损耗、门极驱动器的集成化等优点使其在PowerFlexTM7000变频器中开关频率高达420——540Hz，为在电机侧得到理想的正弦波提供了必要的保证；同时，也大大减小了直流平波电抗器和电机侧滤波电容器的体积。免传感器的直接矢量控制对风机、泵类负荷提供了更加优异的动、静态控制特性；风机、泵类负荷的运行转速一般均超过6Hz（考虑加装测速器以形成完全的矢量控制，满足低转速时电机爬行的闭环控制）。功率机架PowerCageTM的优点是将主要功率器件以紧凑的模块化的形式集成于一体。特别是无需特殊工具便可在5分钟内完成对器件的更换，且不必担心功率器件的夹紧压力是否合适——这点通常是更换器件的关键技术所在。对负载的宽容性PowerFlexTM7000适用于普通电机，无须使用专用变频电机，变频运行时与工频运行相比，没有额外的电机温升及dv/dt对电机绝缘的破坏现象；变频器到电机的电缆长度无任何约束。电机的运行噪音低于工频运行工况。对电网谐波指标要求严格的用户可采用多脉冲方式（如：12脉冲、18脉冲），对更为严格的用户推荐使用PWM脉宽调制式整流方式（现已经有产品投入运行），在满足IEEE-519-1992谐波标准的同时，在调速范围内可保证功率因数恒等于1，从而优化了变频系统的运行性能；也克服了相控整流在深调速时功率因数偏低的缺欠。该PWM整流方式将是今后整流、变频设备的发展方向。这项技术对大容量高压变频改造和电网容量较小（与负荷相比）的场合适用（见图二）。
受限于资金等多方面因素，我厂先后在350万吨/年常减压装置的原料油泵（驱动电机容量630kW）、初馏塔底泵（驱动电机容量450kW）和减压渣油泵（驱动电机容量380kW）三台设备上使用了高压变频器，并一直坚持运行（其中一台已经连续运行了五年；另两台已经运行了一年半时间），获得了良好的效果。
二、对石化工业设备进行变频器改造确定方案时需要注意的几个问题：
1、电网容量对变频器形式选择的限制：
由于变频器的前端整流部分对电网来讲是非线性负荷，因而整流装置对电网而言是谐波电流源，因此其向电网的接入点注入频率较高的谐波电流（相对于基波而言，谐波的频率与整流变压器的连接方式和整流电路的结构有关），因此造成电网电压的波动、功率因数下降、电压波形畸变——主要影响其接入点电网上的电子设备的运行的可靠性（特别是对控制仪表、测量装置、计算机系统等精密仪器）、使继电保护装置动作的准确性下降、对通讯线路造成干扰、使照明产生闪变严重的将不符合国家的相关标准（标准号）、对同电网运行的其它电动机调速装置造成干扰、使正在运行的电动机、发电机出现振动和过热现象并使电网中为改善功率因数而装设的电容器因谐波电流过高而产生过热或过电流烧毁；其含有谐波电流的整流电流可根据富里哀级数分解成下式（对变频整流电路结构一般为6相整流）：
式中：i1——整流变压器的一次电流（假设整流变的变比为1：1，对定性分析无影响）。
Id——整流直流输出电流平均值。
ω——交流电的角频率。
由上式可见，整流变接入点处将出现谐波极为丰富的电流从而对电网造成污染（所含谐波频率越高其幅值就越小），其影响的大小取决于现场变频负荷容量与所接处的电网电源的容量之比是否很大——该问题往往决定所采用变频器的形式（确切地说是整流电路结构和滤波环节的形式），如该比值很大，则应考虑采用多电平形式、PWM整流方式或多重（多脉冲）整流方式的变频器。如比值很小，可考虑采用输入加限流电抗器而不加隔离变压器、整流侧选择六相整流的方式，节省投资，结构简单，可靠性好变频器。而谐波的频率越高其在基波中的所占比例就越小，当把整流脉冲增加到12脉冲时，其谐波为上式所示的11次及以上各次谐波、若把整流脉冲增加到18脉冲时，其谐波为上式所示的17次及以上各次谐波以次类推，就是解决谐波的最主动有效的方法之一（与加装电力滤波器相比）。
石化企业的负荷一般比较平稳，冲击类负荷较少；生产的连续性较强，电网容量与实际负荷相比较大（负荷率较低）；一般装置的满载电负荷低于40%的供电容量。绝大多数的企业大容量的电动机具备直接启动条件，其电网的质量相对较好，因此，在考虑谐波对电网的影响时应从工程实际出发，不要受理论上的束缚。对一般无特殊要求的用电场所，不要盲目追求高的指标，否则将要增加设备投资并可能牺牲一些控制优势来满足高的指标，最好是要满足供电部门的要求下限即可。
2、关于电动机对变频器形式选择的限制：
由于变频器的逆变输出形式均为脉宽调制式（PWM），因此，其输出波形不是标准的正弦波而是一系列占空比可变的梯形脉冲波形（由于逆变电路元件的开关阻抗的限制，其波形不是矩形波）。而该输出波形的幅值等于直流母线上的电压幅值即整流经滤波后的直流电压；以输入电压6KV为例，按电压源型变频器计算其直流母线的电压值约为：8106V）；同时，为了输出波形更加近似正弦波以减少电动机的附加损耗，其逆变开关频率均较高，从而使得输出的dv/dt值很高，对变频器到其驱动电动机之间的连接电缆的长度及电动机的绝缘水平构成严格的限制。因此一般变频器的厂商在提供变频器时应向其咨询相关事宜，以防出现电缆击穿造成短路或电动机绝缘击穿造成事故。
3、关于生产工艺对变频器形式选择的限制：
1）
如工艺要求该负荷经常做大范围的速度调整且对动态指标要求较高时应考虑使用电流型变频器。其动态指标好，并可在不增加设备的情况下实现回馈制动节约电能。
2）如该负荷是群控方式运行——多台电动机同时要用一台变频器进行控制，则应使用电压型变频器。其对负荷的指标变化不敏感。
3）对要求变频器输出频率低于6HZ运行且要求对转速准确控制的负荷要考虑使用外加的测速装置，来满足低频条件下变频器具有足够的输出力矩和低转时转速准确的要求。
4）在设计上首先确认工艺是否具备无扰动切换条件，如无此条件则不应考虑变频器二次到负荷间加装接触器或断路器及对变频器加装旁路接触器或断路器的方案，该方案存在很多问题，如：接触器（断路器）之间的联锁问题、一次投资费用过高、维护不便。
4、关于电动机所拖动设备负载类型对变频器的限制：
特别注意如果电动机所拖动的设备属于恒转矩负荷应注意选用具有矢量控制的变频器以满足其在调速范围内对输出力矩的要求。
石化企业中泵（风机）类负荷占有极大的比例，为了调节泵的流量（或扬程）有两种方法：利用控制阀或节流阀进行节流——改变系统特性曲线；利用调速技术对泵进行调速控制——改变泵运行的特性曲线。
调节泵转速控制流量（扬程）是一个较为理想的控制流量（扬程）的方法,
由于异步电动机的结构简单、维护工作量小，所以工业用的泵类原动机大多为异步电动机，在变频调速技术实现困难时，泵的特性曲线只能是由一条或几条不连续的曲线所组成（由于电机的有级调速限制），泵控系统的流量调节不连续，给长期连续运行的泵类负荷造成流量（压力）波动，变频技术的出现首先解决了泵类负荷的这一问题，使泵的特性曲线变得是一簇连续可调的平滑曲线族，从而使得流量（压力）的调节连续平稳。泵的转速是一个比较敏感的指标，调速对控制流量（扬程）是非常有效的并且对功率的节省是非常显著的。
综上所述，高压变频技术的成熟，大大加快了炼油企业降本增效工作的进程，高压变频在企业降低成本、提高市场竞争能力方面的作用将更加突出。
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