甘 捷，姚孝庭，邱天友，朱志強(qiáng)

(國家管網(wǎng)集團(tuán)川氣東送天然氣管道有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

隨著我國未來經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，對能源需求的總量將會(huì)加大，引發(fā)的環(huán)境問題更加突出[1]。天然氣作為清潔能源，它的使用范圍越來越廣泛。天然氣長輸管道在輸送、增壓處理過程中對于離心式壓縮機(jī)組的依賴性越來越強(qiáng)，壓縮機(jī)作為重要的動(dòng)力裝置，主要用來輸送氣體和提高氣體介質(zhì)的壓力[2]，是天然氣長輸管道高耗能設(shè)備。目前，國內(nèi)對于離心式壓縮機(jī)組的能耗分析偏重于理論計(jì)算分析，卻對于離心式壓縮機(jī)組在天然氣長輸管道上實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生的能耗分析研究較少?，F(xiàn)階段，離心式壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置有電動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)，針對天然氣長輸管道使用的大型離心式壓縮機(jī)組，電動(dòng)機(jī)是主要的驅(qū)動(dòng)裝置，往往采用的是變頻調(diào)速系統(tǒng)，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能目的。在天然氣長輸管道實(shí)際生產(chǎn)中，由于壓縮機(jī)運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況之間往往存在一定的差異，很多管道的運(yùn)行參數(shù)僅憑經(jīng)驗(yàn)確定，從而導(dǎo)致能耗過高[3-5]，同時(shí)，在電動(dòng)機(jī)裝置選型方面，由于不同廠家的電動(dòng)機(jī)裝置在管道運(yùn)行使用上產(chǎn)生的能耗不同，節(jié)能方面還有挖掘空間。針對管道輸氣工況，在單臺(tái)機(jī)組或雙臺(tái)機(jī)組運(yùn)行方式選取上的不同，產(chǎn)生的能耗也會(huì)有所不同，這些都是可以開展壓縮機(jī)節(jié)能降耗的研究方向。對此，從壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置入手進(jìn)行實(shí)際分析，運(yùn)用類比法，對各個(gè)壓縮機(jī)性能進(jìn)行比較，計(jì)算和預(yù)測壓縮機(jī)的實(shí)際能耗，通過現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，以此為提高壓縮機(jī)的管理水平和實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗提供參考依據(jù)[6-7]。

1 某壓氣站壓縮機(jī)組特征

離心式壓縮機(jī)利用高速回轉(zhuǎn)的葉輪對氣體做功，使氣體的動(dòng)能大為增加，同時(shí)，氣體在離心慣性力和在葉輪氣道中降速的共同作用下，其靜壓能也得到大幅度提高，在葉輪后面的擴(kuò)張流道中部分氣體動(dòng)能又轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，而使氣體壓力進(jìn)一步提高，經(jīng)過多級(jí)壓縮后，被壓縮的氣體排出，實(shí)現(xiàn)對氣體的增壓、輸送的目的。某壓氣站共有4臺(tái)離心式壓縮機(jī)組，壓縮機(jī)本體都是GE公司生產(chǎn)的PCL503，轉(zhuǎn)子通徑為DN500，葉輪3個(gè)，其中3臺(tái)壓縮機(jī)組的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是西門子電機(jī)，2×4.16 kV/7 200 kW，變頻器為西門子變頻器GM150，齒輪箱變速比為4.55；1臺(tái)新建的壓縮機(jī)組的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是ABB電機(jī)，6.6 kV/7 200 kW，變頻器為ABB變頻器ACS5000，齒輪箱變速比為3.77。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子是相同的，額定轉(zhuǎn)速都是6 820 rpm，但驅(qū)動(dòng)電機(jī)及配套變頻裝置不一樣，機(jī)組運(yùn)行中產(chǎn)生的能耗肯定也會(huì)有所不同，由此，可以對比分析在相同工況運(yùn)行條件下，不同變頻驅(qū)動(dòng)裝置的壓縮機(jī)能耗特點(diǎn)。

從電機(jī)的特性曲線進(jìn)行考慮，將電機(jī)的理論計(jì)算驅(qū)動(dòng)功率和壓縮機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電機(jī)輸出功率在直角坐標(biāo)系中以曲線的形式表示出來(圖1)，可以得到電機(jī)的特性曲線，從曲線圖中可以看出，電機(jī)在實(shí)際帶載運(yùn)行中的輸出功率與理論計(jì)算驅(qū)動(dòng)功率存在較大差異，這就給壓縮機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中采取一些方法降低電機(jī)的輸出功率提供了依據(jù)。

圖1 電機(jī)特性曲線圖

2 兩種不同驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)際能耗

首先，我們從這新、老機(jī)組電機(jī)驅(qū)動(dòng)的變頻器調(diào)速原理進(jìn)行分析，由于西門子變頻器的機(jī)組為恒扭矩控制，ABB變頻器機(jī)組為恒功率控制(也稱弱磁調(diào)速)，在相同的轉(zhuǎn)速下，輸出力矩不一樣，輸出功率也就不一樣。西門子變頻器采用在基頻以下調(diào)速，基頻頻率FN為50 Hz，采用的調(diào)速方式為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，西門子變頻器在基頻以下調(diào)速的時(shí)候，能夠保證恒定的輸出轉(zhuǎn)矩,而ABB變頻器采用恒功率控制，也就是弱磁調(diào)速，ABB變頻器在基頻以上調(diào)速的時(shí)候，也就是如圖2所示：F>FN之后，實(shí)際上是個(gè)弱磁調(diào)速狀態(tài)，由于電壓U不變，只有降低磁通量Φm進(jìn)行調(diào)速，對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩Tm有所下降，但是對應(yīng)的速度和轉(zhuǎn)矩的乘積是不變的，速度和轉(zhuǎn)矩的乘積代表電動(dòng)機(jī)輸出功率，因此在基頻以上的可以稱之為恒功率調(diào)速。

圖2 變頻器弱磁調(diào)速控制圖

P=(N*T)/9 550

式中T——轉(zhuǎn)矩/N·m;

P——輸出功率/kW;

N——電機(jī)轉(zhuǎn)速/r·min-1。

可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速N上升，輸出功率P恒定，轉(zhuǎn)矩T下降，輸出功率一定，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩成反比。由此可以推出，西門子電機(jī)輸出力矩大，帶載能力強(qiáng)；ABB變頻器輸出力矩小，帶載能力弱。對于滿負(fù)荷工況運(yùn)行的情況，從生產(chǎn)需要來看，西門子電機(jī)更顯優(yōu)勢，帶載能力更強(qiáng)。

為了更好地得出兩種變頻器裝置能耗不同，我們將其中1臺(tái)老機(jī)組西門子變頻器的機(jī)組命名為1#機(jī)組，ABB變頻器的機(jī)組命名為4#機(jī)組，將這兩種變頻器的機(jī)組在相同工況同時(shí)運(yùn)行，在相同的轉(zhuǎn)速下，壓縮機(jī)的進(jìn)出口壓力一致的情況下，我們先從瞬時(shí)電量進(jìn)行分析，根據(jù)變電所后臺(tái)監(jiān)控的變頻器10 kV隔離變運(yùn)行時(shí)的瞬時(shí)電流值，計(jì)算1#機(jī)組變頻器和4#機(jī)組變頻器在相同工況下的瞬時(shí)功率

③但是，如果從及物系統(tǒng)過程類的角度講，[2a]和[2b]是不同過程間的語法隱喻；而就“baby”這個(gè)詞而言，它在[2a]和[2c]分屬不同的參與者成分，也可看作是語法隱喻。

P1-P2=6 207.141 6-5 634.438 48=572.703 12 kW；

在相同運(yùn)行工況下，從這兩臺(tái)機(jī)組的瞬時(shí)功率來看，4#機(jī)組比1#機(jī)組更為節(jié)能，但瞬時(shí)電流只能作為一個(gè)參考，無法準(zhǔn)確的計(jì)算壓縮機(jī)組真實(shí)消耗的電量，我們將在同一工況條件下，對西門子機(jī)組和ABB機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行3天，根據(jù)實(shí)際耗電量進(jìn)行計(jì)算。

由于機(jī)組運(yùn)行時(shí)的能耗跟壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速與進(jìn)口流量存在關(guān)聯(lián)，對此，我們在壓縮機(jī)組進(jìn)出口壓力一致的情況下，分別從機(jī)組運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速和流量進(jìn)行對比分析。

2.1 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速相同

在10月25日到10月27日，并聯(lián)同時(shí)運(yùn)行壓縮機(jī)1#、4#機(jī)組，由于是在同一管網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，1#、4#機(jī)組的進(jìn)出口壓力一致，將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整為相同，在每日的同一時(shí)刻記錄1#、4#機(jī)組在72 h內(nèi)運(yùn)行時(shí)的瞬時(shí)流量、瞬時(shí)功率和當(dāng)日消耗電量，從記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析(表1)。

表1 相同轉(zhuǎn)速下西門子電機(jī)與ABB電機(jī)運(yùn)行參數(shù)表

在測試中，1#、4#機(jī)組的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速一致，進(jìn)出口壓力相同的情況下，1#機(jī)組的進(jìn)口流量是40.7萬Nm3/h，4#機(jī)組的進(jìn)口流量是43萬Nm3/h，1#機(jī)組的電機(jī)運(yùn)行功率是3 647 kW，4#機(jī)組的電機(jī)運(yùn)行功率是3 515 kW，4#機(jī)組的進(jìn)口流量明顯比1#機(jī)組多2.3萬Nm3/h，但電機(jī)功率比1#機(jī)組低，同一時(shí)間段消耗的電量，4#機(jī)組比1#機(jī)組低。

2.2 進(jìn)口流量相同

在10月28日到10月30日，對并聯(lián)同時(shí)運(yùn)行壓縮機(jī)1#、4#機(jī)組的進(jìn)出口壓力保持一致，將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，保持兩臺(tái)機(jī)組的進(jìn)口流量一致，在每日的同一時(shí)刻記錄1#、4#機(jī)組在72 h內(nèi)運(yùn)行時(shí)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、瞬時(shí)功率和當(dāng)日消耗電量，從記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析(表2)。

表2 相同流量下西門子電機(jī)與ABB電機(jī)運(yùn)行參數(shù)表

1#、4#機(jī)組的運(yùn)行工況基本一致，進(jìn)口流量基本相同，進(jìn)出口壓力也是一致，1#機(jī)組壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為5 720 rpm，4#機(jī)組壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為5 586 rpm；1#機(jī)組的電機(jī)功率為4 260 kW，4#機(jī)組電機(jī)功率為3 840 kW，可以得出，在機(jī)組進(jìn)出口壓力、進(jìn)口流量相同的情況下，4#機(jī)組的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速要求低一些，對應(yīng)的電機(jī)功率也低，消耗的電量也低。

從以上兩臺(tái)機(jī)組的流量、轉(zhuǎn)速對比分析，我們可以得出，4#機(jī)組相比1#機(jī)組運(yùn)行，消耗的電量低，也就是在同等工況運(yùn)行條件下，4#機(jī)組比1#機(jī)組更為節(jié)能。因此，對機(jī)組的運(yùn)行工況方式研究是壓縮機(jī)能耗管理的重要一項(xiàng)內(nèi)容，深度優(yōu)化機(jī)組的負(fù)荷運(yùn)行控制策略，從而提升機(jī)組經(jīng)濟(jì)性能并解決機(jī)組協(xié)調(diào)控制問題[8-10]。

3 單臺(tái)與雙臺(tái)機(jī)組實(shí)際能耗

為了更好地對比分析單臺(tái)機(jī)組與雙臺(tái)機(jī)組運(yùn)行情況，我們選取驅(qū)動(dòng)電機(jī)都為西門子電機(jī)進(jìn)行比較，將其命名為2#、3#機(jī)組。

3.1 單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行

當(dāng)3#機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，我們選取3月25日、3月26日、3月27日的同一時(shí)刻運(yùn)行時(shí)的參數(shù)進(jìn)行比較(表3)。

表3 單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)表

3.2 兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行

在2#、3#兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，我們選取4月11日、4月12日、4月13日的同一時(shí)刻運(yùn)行時(shí)的參數(shù)進(jìn)行比較(表4)。

表4 兩臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行參數(shù)表

從以上數(shù)據(jù)對比，我們可以得出，單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，3#機(jī)組進(jìn)口平均壓力為6.71 MPa，出口平均壓力為8.27 MPa；兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，3#機(jī)組進(jìn)口平均壓力為6.38 MPa，出口平均壓力為9.0 MPa。兩臺(tái)機(jī)組加載運(yùn)行時(shí)，進(jìn)口壓力由6.72 MPa降低到6.38 MPa，比單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行降低了0.34 MPa左右，降低了5.06%；出口壓力由8.22 MPa升高至9.06 MPa，升高了0.84 MPa左右，升高了10.21%；進(jìn)口流量由單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行的70萬Nm3/h增加至兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行的86萬Nm3/h，增加了18萬Nm3/h左右，增加了26.5%。其中由于管道工況輸氣量的影響，兩臺(tái)機(jī)組在同時(shí)運(yùn)行時(shí)，防喘振閥不能全關(guān)，處于一定開度打回流的流量合計(jì)約18萬Nm3/h，根據(jù)進(jìn)口總流量，按防喘振閥開度比例大致計(jì)算2#機(jī)組回流量約43×32%=13.7萬Nm3/h，3#機(jī)組的回流量約42×10%=4.2萬Nm3/h，合計(jì)17.9萬Nm3/h。由此可得出，實(shí)際上兩臺(tái)壓縮機(jī)同時(shí)運(yùn)行的輸氣量與單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行相比較，變化不大，單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行也可以完全滿足生產(chǎn)需要。

另外，單臺(tái)機(jī)組加載運(yùn)行時(shí)的機(jī)組防喘閥都處于全關(guān)位置，不會(huì)出現(xiàn)壓縮機(jī)出口氣體回流的情況，而兩臺(tái)機(jī)組加載運(yùn)行時(shí)，受管道氣量不足影響，兩臺(tái)運(yùn)行的壓縮機(jī)進(jìn)口流量較低，防喘振閥處于一定的開度，通過打回流來增加壓縮機(jī)進(jìn)口流量，額外造成壓縮機(jī)的能耗損失。對此，這樣雙臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行模式效率更低，穩(wěn)定性更差，當(dāng)兩臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)工作時(shí)，總的流量表面上增加了，但每臺(tái)壓縮機(jī)本身的實(shí)際做功流量要比單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)減少了，工況點(diǎn)落入到喘振區(qū)的可能性也增加了[ 11]，如果壓縮機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)長期在喘振線附近運(yùn)行，就會(huì)存在進(jìn)口流量波動(dòng)導(dǎo)致壓縮機(jī)發(fā)生喘振的風(fēng)險(xiǎn)，從而給壓縮機(jī)組造成了一定的運(yùn)行隱患。

4 結(jié)論

(1)壓縮機(jī)本體型號(hào)一致時(shí)，當(dāng)選取不同型號(hào)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及變頻器時(shí)，由于其工作原理的不同，在機(jī)組運(yùn)行中產(chǎn)生的能耗也是不同的，在機(jī)組節(jié)能方面從設(shè)計(jì)選型方面入手是最直接的節(jié)能方式。

(2)在特定的運(yùn)行工況下，兩臺(tái)機(jī)組加載運(yùn)行時(shí)比單臺(tái)機(jī)組加載運(yùn)行時(shí)的能耗有較高程度的增加，但是壓縮機(jī)的增壓能力未有相應(yīng)程度的提高，管道輸氣量幾乎沒有增加，在管道氣量不充足的情況下，建議采納單臺(tái)機(jī)組加載運(yùn)行的方式，以達(dá)到優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行模式、降低機(jī)組運(yùn)行能耗的效果。

(3)通過對不同工況下的壓縮機(jī)各個(gè)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行比較，利用實(shí)際產(chǎn)生的電量數(shù)據(jù)得到壓縮機(jī)在運(yùn)行中的實(shí)際能耗，對壓縮機(jī)的能耗管理有一定的的參考作用。