东芝三菱中压变频器在煤制氢隔膜泵上的应用-专业论文-自动化应用案例

东芝三菱中压变频器在煤制氢隔膜泵上的应用

发布日期：2020-08-19 来源：《变频器世界》20-05期作者：路千里邵贤强孙岩浏览次数：15861

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【摘　要】：煤制氢工艺中TMEIC中压变频器在煤浆输送泵中的使用和特点。

关键词：煤制氢；隔膜泵；TMEIC MVe2中压变频器；三电平-二极管中性点钳位；

Abstract ：Application and characteristics of TMEIC medium voltage inverter in coal slurry delivery pump in coal hydrogen production process

Key words: coal to hydrogen; slurry pump; TMEIC MVe2 medium voltage inverter; 3level-NPC；

1 煤制氢工艺概述

煤制氢也称为煤炭气化制氢气(H2)，通过渣浆泵将煤浆输送至反应炉，由煤蒸汽转化制煤气、煤气净化、煤气变换和变压吸附(PSA)提纯氢气(H2)四部分组成，煤炭或者焦炭在高温下与水蒸汽发生反应，生成主要含有氢气(H2)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)的煤气。

化学方程式如下：

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

煤气再经过降温、除尘和脱硫后，与水蒸汽混合进行变换反应，大部分一氧化碳转化为氢气(H2)和二氧化碳(CO2)，成为变换气，然后，变换气通过变压吸附(PSA)过程，得到高纯度的氢气(H2)。

2 隔膜泵的工作原理

隔膜泵是一种可以输送特殊工艺泵，隔膜泵在其两个对称的工作腔中，各装有一块有弹性的隔膜，形成两个独立的腔室。中间轴将两块隔膜结成一体，配气阀控制每个腔室的增压，压缩空气进入配气阀后，推动一边隔膜，驱使联杆联接的两块隔膜同步运动。与此同时，另一工作腔中的流体排出泵外，到达行程终点。配气阀则自动地将压缩空气切换到另一工作腔，推动隔膜朝相反方向运动，这样形成了两个隔膜的同步往复运动。

每个工作腔中又设置有两个单向球阀，隔膜的往复运动，造成工作腔内容积的改变，迫使两个单向球阀交替地开启和关闭，从而将流体连续地吸入和排出。GEHO隔膜泵示意图如图[1]。

图[1] GEHO隔膜泵示意

曲柄连杆机构在电动机的驱动下，带动曲轴作往复运动，曲轴的运动通过液缸内的工作液体(一般为油)而传到隔膜，使隔膜来回鼓动。气动隔膜泵缸头部分主要由一隔膜片将被输送的液体和工作液体分开，当隔膜片向传动机构一边运动，泵缸内工作时为负压而吸入液体，当隔膜片向另一边运动时，则排出液体。被输送的液体在泵缸内被膜片与工作液体隔开，只与泵缸、吸入阀、排出阀及膜片的泵内一侧接触，而不接触柱塞以及密封装置，这就使柱塞等重要零件完全在油介质中工作，处于良好的工作状态。

3 煤制氢工艺对隔膜泵传动系统要求

煤制氢现场要求隔膜泵组要求如下：

1，设备可靠起动，启动平缓。

2，传动系统稳定可靠运行，根据工艺要求隔膜泵转速可调整。

3，变频器可以实现自身和电机保护。

4，隔膜泵满足三地操作，分别设置在机旁操作柱、变频器触摸屏、DCS后台。隔膜泵的启动和停止命令可以在机旁进行，也可以通过机旁操作柱切换开关通过DCS控

煤浆流量的调整是通过隔膜泵变频调速来实现的，隔膜泵在煤制氢工艺中极为重要，要求所用高压变频器有很高的可靠性和完毕的控制保护功能，最终恒力石化用户选用TMEIC全新一代MVe2系列中压变频器。

TMEIC全新一代MVe2系列中压变频器保护功能示意图如图[2]：

图[2] 变频器保护功能示意

4 MVe2系列中压变频器解决方案

MVe2系列中压变频器与传统单元串联高压变频器相比，在功率单元拓扑和变压器方面有较大差别。

传统单元串联高压变频器功率单元整流器采用二极管整流，因二极管是不可控半导体器件，为了减少变频器网侧谐波，变频器进线变压器需要使用工艺复杂的整流变压器。

MVe2系列中压变频器单元拓扑结构与传统单元串联高压变频器有所不同，单元整流器采用IGBT整流器，变频器进线变压器无需专用整流变压器，且可以有效改善变频器网侧功率因数。由于MVe2中压变频器采用IGBT可控制整流器，在大惯量负载且对加速和减速时间有特殊要求的控制中，MVe2中压变频器有其独特的优势。

传统单元串联高压变频器每个功率单元逆变器只能输出2个电平，MVe2系列中压变频器每个功率单元逆变器输出5个电平。在输出电平数量相同的情况下，MVe2系列中压变频器使用单元数量更少，变频器体积更小。在满足变频器相同输出波形的情况下，为用户节约安装空间。

MVe2中压变频器主回路及其功率单元拓扑图如图[3]：

图[3] 主回路及其功率单元拓扑

MVe2中压变频器每个功率单元的逆变器由两个单桥逆变器组成，每个单桥逆变器可以输出3个电平，每个MVe2中压变频器功率单元可以输出5个电平。用变频驱动同等电压等级的电动机时，变频器输出电平数量越多其输出波形越接近正弦波，可以减少电应力对电动机的损伤。MVe2中压变频器功率单元单桥逆变器输出三电平原理如图[4]：