袁開(kāi)洪 牛治國(guó)

摘 要：本文簡(jiǎn)要概述了天然氣企業(yè)空壓機(jī)變頻節(jié)能改造的可行性，而后討論風(fēng)冷空壓機(jī)與水冷空壓機(jī)的區(qū)別，分析螺桿空壓機(jī)變頻節(jié)能改造的技術(shù)要點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)改造實(shí)例研究螺桿式空壓機(jī)變頻節(jié)能改造應(yīng)用實(shí)例，為相關(guān)研究人員提供參考。

關(guān)鍵詞：變頻器;螺桿式空壓機(jī);節(jié)能改造

螺桿式空壓機(jī)是目前廣泛應(yīng)用的空氣壓縮機(jī)，具有工作效率高和噪聲小等方面的優(yōu)勢(shì)。在天然氣企業(yè)中，空壓機(jī)主要應(yīng)用于天然氣空壓站?？諌簷C(jī)應(yīng)用過(guò)程中存在較大的能源消耗，采用新型變頻技術(shù)對(duì)其進(jìn)行節(jié)能改造，有利于節(jié)約電能，并提高工作效率。

1 空壓機(jī)變頻節(jié)能改造的可行性

空壓機(jī)主要作用是為天然氣的生產(chǎn)過(guò)程提供動(dòng)力能源，在天然氣生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。在其工作過(guò)程中，空氣在進(jìn)入壓縮機(jī)組后經(jīng)過(guò)壓縮處理進(jìn)入緩沖罐，而后進(jìn)行干燥和凈化等處理，最終進(jìn)入空氣儲(chǔ)罐，用于儀表風(fēng)和氮?dú)庵脫Q用氣?？諝鈮嚎s機(jī)在其中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，螺桿式空壓機(jī)在目前的天然氣處理廠中應(yīng)用較廣，具體類型包括無(wú)油螺桿壓縮機(jī)、微油螺桿壓縮機(jī)等。同時(shí)，空壓機(jī)也是一種高能耗設(shè)備，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)當(dāng)前的全國(guó)發(fā)電量中，空壓機(jī)能耗占有10%左右，用氣企業(yè)的用電量中，空壓機(jī)耗電量占有15%-35%，并且空壓機(jī)能耗中66%的負(fù)荷在于其自身的能耗，說(shuō)明能源利用效率較低。

在以往的空壓機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，以下問(wèn)題較為明顯：空壓機(jī)在啟動(dòng)時(shí)加載閥未工作，機(jī)頭進(jìn)氣口處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)為空載啟動(dòng)。在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行之后，低于下限設(shè)定壓力時(shí)加載閥開(kāi)始工作，而后壓縮機(jī)負(fù)載工作。氣壓達(dá)到卸載壓力后加載閥關(guān)閉，壓縮機(jī)此時(shí)為卸載狀態(tài)運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)也在運(yùn)行狀態(tài)，能耗為滿載狀態(tài)的30%-50%[1]。因此能夠看出，空壓機(jī)長(zhǎng)時(shí)間空載運(yùn)行是電能消耗的一項(xiàng)重要因素，而通過(guò)變頻改造，既能有效解決空載運(yùn)行問(wèn)題，也能夠通過(guò)軟起與軟停，防止瞬時(shí)啟停時(shí)電壓波動(dòng)對(duì)設(shè)備與電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，延長(zhǎng)壓縮機(jī)使用壽命。通過(guò)對(duì)空壓機(jī)變頻節(jié)能改造，能夠使電機(jī)在啟動(dòng)與加載過(guò)程中電流增長(zhǎng)更為平穩(wěn)，減少電流波動(dòng)，并對(duì)供氣管路氣體壓力起到監(jiān)測(cè)作用，使輸出壓力保持穩(wěn)定。同時(shí)也有利于減少設(shè)備的磨損，降低檢修維護(hù)工作量。

2 風(fēng)冷空壓機(jī)與水冷空壓機(jī)的區(qū)別

空壓機(jī)的分類可以總體分為風(fēng)冷空壓機(jī)與水冷空壓機(jī)兩類。風(fēng)冷型螺桿空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)為機(jī)油冷卻器和壓縮空氣后冷卻器一體結(jié)構(gòu)，工作原理是熱油和高溫（80℃左右）氣體在各自管道內(nèi)流動(dòng)，電機(jī)拖動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，冷風(fēng)垂直吹過(guò)載有熱油和高溫氣體的管道從而實(shí)現(xiàn)熱交換。水冷型螺桿機(jī)一般采用管式散熱器，水在管內(nèi)流動(dòng)，熱油在管外流動(dòng)，完成熱交換后冷水溫度升高。冷水需要進(jìn)行不斷循環(huán)。因此在水冷空壓機(jī)應(yīng)用過(guò)程中必須另建冷卻塔，把熱交換后的熱水冷卻以便參與下次循環(huán)，水質(zhì)對(duì)散熱器影響較大，成本也相對(duì)風(fēng)冷空壓機(jī)較高。因此目前風(fēng)冷式空壓機(jī)的應(yīng)用更為廣泛。

在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，風(fēng)冷空壓機(jī)具有成本較低、維護(hù)簡(jiǎn)單和節(jié)約能源等優(yōu)勢(shì)，適用于水資源較為缺乏地區(qū)。目前常用的風(fēng)冷空壓機(jī)包括富達(dá)LU75-8GP空壓機(jī)、壽力AS7508 AC VSD變頻空壓機(jī)等。水冷空壓機(jī)包括LU910-75WAI等型號(hào)。比如LU75-8GP空壓機(jī)是一種運(yùn)行可靠的空壓機(jī)設(shè)備，具有節(jié)能、噪聲小和應(yīng)用范圍廣的優(yōu)勢(shì)。其功率為75kW，壓力8bar，比功率為6.5kW/（m3/min），達(dá)到國(guó)家1級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限定值，具有很強(qiáng)的節(jié)能效果。在用氣量14m3/min，每年加載時(shí)間為6000h，電費(fèi)1元/度的情況下，該型號(hào)空壓機(jī)每年能夠節(jié)省電費(fèi)58800元。

3 螺桿空壓機(jī)變頻節(jié)能改造的技術(shù)要點(diǎn)

螺桿空壓機(jī)變頻節(jié)能改造的原理是利用壓力變送器，對(duì)管網(wǎng)壓力值及其設(shè)定值進(jìn)行比較，而后利用PID調(diào)節(jié)器對(duì)變頻器在異步電動(dòng)機(jī)的頻率值作出計(jì)算，變頻器輸出一定頻率與幅值的交流電，使電動(dòng)機(jī)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速，此狀態(tài)下空壓機(jī)能夠根據(jù)其用氣量合理控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。空壓機(jī)變頻控制系統(tǒng)的組成部分包括電動(dòng)機(jī)、PID、空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐與測(cè)量裝置等。在對(duì)螺桿空壓機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造過(guò)程中，應(yīng)按照以下技術(shù)要點(diǎn)開(kāi)展改造工作：

第一，進(jìn)行節(jié)能改造時(shí)，需要事先對(duì)變頻機(jī)工作頻率作出合理確定，包括頻率最高值與最低值兩方面。根據(jù)相關(guān)研究，在頻率降低到額定功率20%時(shí)系統(tǒng)工作效率下降較為明顯。在工作頻率的確定上，對(duì)于75kW螺桿空壓機(jī)，一般應(yīng)將工作頻率調(diào)整為額定功率20%-100%，75kW以上的螺桿空壓機(jī)的頻率范圍調(diào)整上，一般在額定功率的30%-100%[2]。

第二，進(jìn)行節(jié)能改造時(shí)，要合理選擇控制線路，在原有線路的基礎(chǔ)上采取變頻、工頻2種控制線路。同時(shí)要具備開(kāi)環(huán)及閉環(huán)兩種控制方式，在正常運(yùn)行狀態(tài)下采用閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)化控制。在系統(tǒng)運(yùn)行及負(fù)荷傳感器發(fā)生問(wèn)題的情況下采取開(kāi)環(huán)控制，可以手動(dòng)設(shè)置空壓機(jī)轉(zhuǎn)速、供氣速度等。

第三，在變頻器輸入端需要采取一定措施減少電磁干擾，從而防止非正弦波對(duì)空壓機(jī)管理器的影響。還應(yīng)確保電動(dòng)機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)作能力。

第四，改造過(guò)程中，需要重新設(shè)定下限運(yùn)行頻率。在下限運(yùn)行頻率設(shè)置不當(dāng)?shù)那闆r下容易造成油氣難以分離，引起潤(rùn)滑油浪費(fèi)問(wèn)題。設(shè)定數(shù)值時(shí)應(yīng)考慮空壓機(jī)的具體型號(hào)。

第五，在電動(dòng)機(jī)的工作頻率較低時(shí)，需要確保證電機(jī)的繞組氣溫及噪聲在規(guī)定范圍內(nèi)。在變頻平臺(tái)控制不同的空壓機(jī)進(jìn)行工作時(shí)，可以采用回差控制的方法，有利于實(shí)現(xiàn)順利切換。在一臺(tái)變頻器同時(shí)控制多臺(tái)空壓機(jī)的情況下，可以有效利用轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，在其中某臺(tái)空壓機(jī)需要更換時(shí)可以快速切換為另一臺(tái)空壓機(jī)。

4 螺桿空壓機(jī)變頻節(jié)能改造應(yīng)用實(shí)例

4.1 變頻節(jié)能改造方法

某生產(chǎn)單位原有壓縮空氣的供應(yīng)來(lái)源為6臺(tái)螺桿式空壓機(jī)，其中包括2臺(tái)75kW螺桿空壓機(jī)、1臺(tái)37kW螺桿空壓機(jī)以及3臺(tái)132kW螺桿空壓機(jī)。其中兩臺(tái)75kW螺桿空壓機(jī)一臺(tái)開(kāi)啟另一臺(tái)備用，3臺(tái)132kW螺桿空壓機(jī)一臺(tái)開(kāi)啟其余2臺(tái)備用。上述空壓機(jī)設(shè)備在正常生產(chǎn)狀態(tài)下每天運(yùn)行24h，平均每天消耗電能5500kWh。

在利用變頻器進(jìn)行節(jié)能改造工作時(shí)，改造范圍為其中3臺(tái)132kW螺桿空壓機(jī)，改造方法如下：在準(zhǔn)備改造的每臺(tái)空壓機(jī)主回路上連接1臺(tái)變頻器，原有空壓機(jī)采用星--三角啟動(dòng)方式進(jìn)行啟動(dòng)，改造過(guò)程中保留其主回路接觸器，并將其作為電動(dòng)機(jī)繞組連接回路。電動(dòng)機(jī)繞組進(jìn)行星--三轉(zhuǎn)換完畢后，通過(guò)變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)。空壓機(jī)當(dāng)中的控制回路保持原有狀態(tài)，但對(duì)原有電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流檢測(cè)互感器CT1進(jìn)行移動(dòng)，將其放置于變頻器輸入電源之前，主要發(fā)揮過(guò)載保護(hù)檢測(cè)的作用。對(duì)于其中的角形接法接觸器，將其中一處常開(kāi)輔助觸點(diǎn)與變頻器中的2個(gè)端子相連接，發(fā)揮控制變頻器啟動(dòng)的作用。2個(gè)端子分別為FWD與CM端子。而后修改空壓機(jī)設(shè)備中的特定參數(shù)，修改方法為將星角延時(shí)從原先的6s改成3s;對(duì)于加載延時(shí)時(shí)間，從2s改成15s;主機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間從8s改成20s。

與此同時(shí)，對(duì)儲(chǔ)氣罐增添了相應(yīng)的壓力傳感器，每個(gè)儲(chǔ)氣罐安裝1臺(tái)壓力傳感器，起到監(jiān)測(cè)供氣管網(wǎng)壓力的作用。將壓力傳感器與變頻器的模擬輸入端子GND以及AI2相連接。能夠?qū)Ρ茸冾l器PID參數(shù)當(dāng)中對(duì)壓力的預(yù)設(shè)值，并利用變頻器PID功能對(duì)交流電的輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而調(diào)控電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，發(fā)揮供氣壓力調(diào)節(jié)作用。根據(jù)該生產(chǎn)單位實(shí)際情況，生產(chǎn)過(guò)程中通常使用2臺(tái)132kW空壓機(jī)，在某臺(tái)空壓機(jī)變頻器損壞的情況下可以直接使用備用空壓機(jī)，因此改造過(guò)程中未進(jìn)行工頻旁路線路設(shè)置。

4.2 變頻節(jié)能改造效果

該單位改造成效較為明顯，3個(gè)月運(yùn)行時(shí)間中，空壓機(jī)此前每天消耗電能平均在5500kWh左右，改造后降低為平均4500kWh。降低電能消耗大約18%。同時(shí)提升了供氣質(zhì)量，減少了進(jìn)氣閥開(kāi)閉次數(shù)。

5 結(jié)論

變頻器應(yīng)用于螺桿式空壓機(jī)節(jié)能改造中，對(duì)于降低能耗、提高生產(chǎn)效率、減少維護(hù)費(fèi)用具有顯著效果。對(duì)于天然氣企業(yè)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況合理應(yīng)用變頻器進(jìn)行螺桿式空壓機(jī)的節(jié)能改造。

參考文獻(xiàn)：

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