大功率高压变频器在LNG接收站中的研究与应用

【摘要】：LNG接收站内采用了大量的高压电机类设备，包括：LNG罐内低压泵、高压外输泵、海水泵、BOG压缩机等设备，它们的启动与运转直接影响到接收站内配电系统、设备的安全可靠运行及接收站节能、环保的设计目标。本文通过分析LNG接收站BOG压缩机在装设大功率高压变频器后节能运行研究的基础上，阐述了变频器节能控制原理，论证了大功率高压变频器在lng接收站中应用的可行性，为新建LNG接收站的节能设计及已投运的接收站节能改造提供借鉴。

【关键词】：LNG接收站；变频器；BOG压缩机；节能环保

1.引言

随着国内天然气需求的日益增长，在能源日趋紧张的情况下，清洁优质高效的天然气已成为继石油之后最具发展前景的能源和化工原料。LNG（液化天然气）因其本身无毒，燃烧后对环境不产生任何污染，且燃烧性能好，体积仅为气态的1/600，可大大节省运输成本，运输方式也更为灵活等，越来越受到社会的关注。目前，国内正在建设或已建成的LNG接收站有福建LNG接收站、大连LNG接收站、山东LNG接收站、广西LNG接收站等 [1]。与此相对应，随着LNG接收站的投入运行，国内外的学者对LNG接收站如何安全可靠、低碳环保的运行展开了大量的研究。

本文结合国内外LNG接收站实际运行情况及变频器装置的一些研究成果，通过选取LNG接收站内高压大功率电机设备-BOG（蒸发气）压缩机展开研究，分析了采用变频器来实现节能的可行性。

2.变频器

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率电源的电能控制装置，能够实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能；变频器主要由控制电路、整流电路、中间电路、逆变电路等四大部分组成，其控制电路用于完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路[2]。

我国对于电机启动和变频调速控制策略的研究起步较晚，目前在此方面的研究仍然相对落后，因此，推广应用高压变频器的效益和潜力是非常巨大的[3]。国内对于变频器较深研究的大学有：清华大学、沈阳工业大学、浙江大学等。目前，哈尔滨九洲电气股份公司已研制出兆瓦级变频器样品，并推向市场。

目前，国内的LNG接收站电机类设备基本未装设变频器，而国外的LNG接收站，如韩国KOGAS接收站则安装了变频器，节能效果明显，但是价格较为昂贵，产品均需进口。但是随着科技的进步，变频器的国产化将逐渐加快且成本也会更低。

4.BOG压缩机

BOG压缩机是接收站BOG处理的关键设备，其作用是处理储罐内产生的过量的LNG蒸发气，以维持LNG储罐内压力恒定，避免产生翻滚现象，造成重大事故。山东LNG接收站设计有BOG压缩机2台，由瑞士布克哈德设计制造生产，型式为2列立式迷宫密封的往复双作用活塞式、6kV、720KW大功率高压压缩机。直接启动模式下，启动电流一般为额定电流的7-8倍，启动瞬间对电网危害较大，并且对设备使用寿命产生影响；星角启动模式下，启动电流约为额定电流的3-4倍，但是在星角切换过程中将会有约为额定电流4-6倍的尖峰电流冲击，对电网及设备有一定的危害；采用软启动装置的启动模式，其启动电流为额定电流的2-3倍，启动较为平稳，对电网及设备影响较小，但是在压缩机启动结束后，需通过旁路接触器切换到旁路工作且不能调速；变频启动方式具有软启动方式的所有优点，其启动电流约为额定电流的1.5倍，启动更加平稳，对电网及设备几乎没有影响，同时可根据实际负荷实现压缩机的变频调速，从而实现安全、可靠、节能的运行效果。

4.2.变频器的控制器设计

变频器控制器设计，是决定变频器性能的核心部件。而BOG压缩机是属于往复式压缩机，其机械特性具有恒转矩性质，需要有较大的起动转矩，所以其变频器控制器设计须选择带有PID控制的恒转矩类变频器[4]。控制器的设计由以下部分组成：断路器、变频器、PID控制器、控制电路（完成手动起动、遥控起动、软起动及直接起动等功能的选择与运行）。5.节能分析

在不同的启动模式下，启动电流大小不一，如果只有单台或少量的电机设备，则对电网及设备本身的影响可不予考虑，但是在目前已建成的或者是在建的LNG接收站中，高压电机类设备数量较大，因此其对于电网、设备产生的负面影响和能源浪费是巨大的。

6.存在的难点及对策

6.1.经济性考虑，进口大功率高压变频器价格相对昂贵，对于小型LNG接收站或者是输气站而言性价比相对较低，因此亟需大功率高压变频器的国产化。

6.2.技术先进性，由于BOG压缩机属于往复式压缩机，工作时流量大、压缩比较高，用普通变频器来调节，带来的流量波动较大，甚至可能引起联锁跳车，因此变频器在设计时要避免以上现象的发生。

6.3.可行性与必要性，LNG接收站在设计开始时，即对接收站用电设备做出详细的对比分析，合理选择加设节能装置的可行性与必要性。

6.4.可维护性，大功率变频装置及软启动装置的损坏维修，在合理选取变频器或者软起启动装置时要充分考虑其可维护性特别是对于进口品牌的维护周期。

7.结论

本文从LNG接收站安全可靠运行及低碳节能的角度，通过对比分析国内外对于变频器的研究现状，结合国内LNG接收站节能减排的要求，对LNG接收站BOG压缩机设备采用变频器的可行性进行了分析，得出以下结论：

7.1.变频器的使用，对于接收站供配电系统的稳定性及电动设备的长久性具有良好的效果。

7.2.随着科学技术的发展，国内已具备制造大功率优质变频器的能力，因此LNG接收站装设变频器是经济可行的。

7.3.从节能的角度出发，对于要求高的LNG接收站来说，变频器的推广应用价值更优于软启动器。

【参考文献】：

[1] 檀学燕；中国进口液化天然气可持续发展战略[D]；中国地质大学（北京）；2012年.

[2] 徐海，施利春， 变频器原理及应用， 清华大学出版社，2010-9-1.

[3] 张雷，浅谈LNG接收站6KV电机用电质量优化设计.2012年10月.

[4] 王应来，变频调速技术在往复压缩机上的应用，2000年11月《煤气与热力》.

【作者简介】：

张大伟（1983-）男，山东青岛人，硕士研究生，工程师，研究方向为液化天气接收站供配电系统设计，工作于中国石化青岛液化天然气有限责任公司。

毛伟，男，山东青岛人，电气工程师，研究方向为液化天气接收站供配电系统设计，工作于中国石化青岛液化天然气有限责任公司。