MVe2系列中壓變頻器在煤制氫隔膜泵上的應用實例

1、煤制氫工藝概述

煤制氫也稱為煤炭氣化制氫氣(H2)，通過渣漿泵將煤漿輸送至反應爐，由煤蒸汽轉(zhuǎn)化制煤氣、煤氣凈化、煤氣變換和變壓吸附(PSA)提純氫氣(H2)四部分組成，煤炭或者焦炭在高溫下與水蒸汽發(fā)生反應，生成主要含有氫氣(H2)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)的煤氣。

化學方程式如下：

C+H2O=CO+H2
CO+H2O=CO2+H2

煤氣再經(jīng)過降溫、除塵和脫硫后，與水蒸汽混合進行變換反應，大部分一氧化碳轉(zhuǎn)化為氫氣(H2)和二氧化碳(CO2)，成為變換氣，然后，變換氣通過變壓吸附(PSA)過程，得到高純度的氫氣(H2)。

2、隔膜泵的工作原理

隔膜泵是一種可以輸送特殊工藝泵，隔膜泵在其兩個對稱的工作腔中，各裝有一塊有彈性的隔膜，形成兩個獨立的腔室。中間軸將兩塊隔膜結成一體，配氣閥控制每個腔室的增壓，壓縮空氣進入配氣閥后，推動一邊隔膜，驅(qū)使聯(lián)桿聯(lián)接的兩塊隔膜同步運動。與此同時，另一工作腔中的流體排出泵外，到達行程終點。配氣閥則自動地將壓縮空氣切換到另一工作腔，推動隔膜朝相反方向運動，這樣形成了兩個隔膜的同步往復運動。

每個工作腔中又設置有兩個單向球閥，隔膜的往復運動，造成工作腔內(nèi)容積的改變，迫使兩個單向球閥交替地開啟和關閉，從而將流體連續(xù)地吸入和排出。GEHO隔膜泵示意圖如圖[1]。

曲柄連桿機構在電動機的驅(qū)動下，帶動曲軸作往復運動，曲軸的運動通過液缸內(nèi)的工作液體(一般為油)而傳到隔膜，使隔膜來回鼓動。氣動隔膜泵缸頭部分主要由一隔膜片將被輸送的液體和工作液體分開，當隔膜片向傳動機構一邊運動，泵缸內(nèi)工作時為負壓而吸入液體，當隔膜片向另一邊運動時，則排出液體。被輸送的液體在泵缸內(nèi)被膜片與工作液體隔開，只與泵缸、吸入閥、排出閥及膜片的泵內(nèi)一側(cè)接觸，而不接觸柱塞以及密封裝置，這就使柱塞等重要零件完全在油介質(zhì)中工作，處于良好的工作狀態(tài)。

3、煤制氫工藝對隔膜泵傳動系統(tǒng)要求

煤制氫現(xiàn)場要求隔膜泵組要求如下：

1， 設備可靠起動，啟動平緩。

2，傳動系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，根據(jù)工藝要求隔膜泵轉(zhuǎn)速可調(diào)整。

3，變頻器可以實現(xiàn)自身和電機保護。

4，隔膜泵滿足三地操作，分別設置在機旁操作柱、變頻器觸摸屏、DCS后臺。隔膜泵的啟動和停止命令可以在機旁進行，也可以通過機旁操作柱切換開關通過DCS控

煤漿流量的調(diào)整是通過隔膜泵變頻調(diào)速來實現(xiàn)的，隔膜泵在煤制氫工藝中極為重要，要求所用高壓變頻器有很高的可靠性和完畢的控制保護功能，最終恒力石化用戶選用TMEIC全新一代MVe2系列中壓變頻器。

TMEIC全新一代MVe2系列中壓變頻器保護功能示意圖如圖[2]：

圖[2] 變頻器保護功能示意

4、MVe2系列中壓變頻器解決方案

MVe2系列中壓變頻器與傳統(tǒng)單元串聯(lián)高壓變頻器相比，在功率單元拓撲和變壓器方面有較大差別。

傳統(tǒng)單元串聯(lián)高壓變頻器功率單元整流器采用二極管整流，因二極管是不可控半導體器件，為了減少變頻器網(wǎng)側(cè)諧波，變頻器進線變壓器需要使用工藝復雜的整流變壓器。

MVe2系列中壓變頻器單元拓撲結構與傳統(tǒng)單元串聯(lián)高壓變頻器有所不同，單元整流器采用IGBT整流器，變頻器進線變壓器無需專用整流變壓器，且可以有效改善變頻器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。由于MVe2中壓變頻器采用IGBT可控制整流器，在大慣量負載且對加速和減速時間有特殊要求的控制中，MVe2中壓變頻器有其獨特的優(yōu)勢。

傳統(tǒng)單元串聯(lián)高壓變頻器每個功率單元逆變器只能輸出2個電平，MVe2系列中壓變頻器每個功率單元逆變器輸出5個電平。在輸出電平數(shù)量相同的情況下，MVe2系列中壓變頻器使用單元數(shù)量更少，變頻器體積更小。在滿足變頻器相同輸出波形的情況下，為用戶節(jié)約安裝空間。

MVe2中壓變頻器主回路及其功率單元拓撲圖如圖[3]：

圖[3]主回路及其功率單元拓撲

MVe2中壓變頻器每個功率單元的逆變器由兩個單橋逆變器組成，每個單橋逆變器可以輸出3個電平，每個MVe2中壓變頻器功率單元可以輸出5個電平。用變頻驅(qū)動同等電壓等級的電動機時，變頻器輸出電平數(shù)量越多其輸出波形越接近正弦波，可以減少電應力對電動機的損傷。MVe2中壓變頻器功率單元單橋逆變器輸出三電平原理如圖[4]：

圖[4]三電平原理

膜泵負載對傳動系統(tǒng)要求較高，隔膜泵在啟動時要求變頻器提供較大的啟動扭矩以便克服隔膜泵靜摩擦力正常啟動。隔膜泵在運行過程中要求變頻器有很高的速度響應特性，以便克服因曲軸旋轉(zhuǎn)過程中電機負載突變導致的失控。

用戶選擇TMEIC全新一代MVe2系列中壓變頻器，此項目中MVe2系列中壓變頻器采用帶編碼器的矢量控制模式，提高了傳動系統(tǒng)的啟動特性和低速控制特性，以滿足隔膜泵的啟動要求。MVe2系列中壓變頻器獨有的自由化功能，可以對各類特殊負載進行變頻器參數(shù)優(yōu)化，極大地提高了調(diào)試便捷性。

5、項目詳情

5.1電機參數(shù)

電機品牌：ABB

電機功率：137-420kW

電機電壓：1098V-3300V

電機電流：90-91A

電機轉(zhuǎn)速：493-1515.9rpm

編碼器型號：LL 729677-02

5.2隔膜泵參數(shù)

隔膜泵品牌：GEHO

隔膜泵型號：ZPM900

隔膜泵流量：120m3/h

隔膜泵壓力：9600kPa

隔膜泵轉(zhuǎn)速：56spm

隔膜泵功率：341kW

5.3變頻器參數(shù)

變頻器品牌：TMEIC

變頻器型號：MVe2

變頻器容量：540KVA

變頻器輸入：10kV

變頻器輸出：0-3300V

5.4變頻器啟動波形如圖[5]

圖[5]變頻器啟動波形

審核編輯：郭婷