基于恒温恒压控制的变频螺杆式压缩机在石化行业的应用研究

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第9期 51一基于恒温恒压控制的变频螺杆式压缩机在石化行业的应用研究何明，鲍军(合肥通用机械研究院压缩机技术国家重点实验室，安徽 合肥230088)[摘 要]简述了空压站在石化行业的应用，分析了采用变频调速方式实现螺杆压缩机恒压恒温的原理，以某螺杆压缩机为例说明变频调速的效果及节能意义并提出了使用中注意的问题。

[关键词]空压站；螺杆压缩机；变频；恒压恒温；节能提升石化行业技术装备水平是行业创新的基础。目前，石油和化学工业全行业结构调整正在加快步伐，以适应国内产业升级提出的更高要求。但是，成套技术仍需要系统集成和优化，国产化已获成功的大型设备，在质量和运行稳定性方面与国外先进水平尚存在一定差距。

空气压缩机是石化装置的关键设备，担负着全厂 (站)全部气动调节阀及气动切断阀的仪表用风(净化空气)供给，以及在厂 (站)检修时为设备、管道和地坑等提供吹扫用工厂风(非净化空气)的任务，对整个厂 (站)安全稳定地运行，有着重要的作用。合理设置空压站是保证整个工程安全稳定运行和降低工程投资的重要一环。常用空压机类型包括离心式气体压缩机、往复式气体压缩机、螺杆式气体压缩机等。石化用螺杆空压机在向大型、节能、高可靠性方向发展，技术开发的重点已转到提高产品可靠性和运行效率、降低能耗、改进工艺方法等方面。鉴于石化生产装置大多在高温、高压、易燃、易爆、腐蚀、有毒、长周期连续运行条件下工作，因此要求空压机组必须做到整体性能好、效率高、结构紧凑、占地面积小、运转平稳可靠 ，无故障运转时间达到20000h以上，且可满足各种工况需要。

1目前常见的空压站配置及运行模式国内的空气压缩站经历 了从完全依赖进 口到完全国产化的过程，使用的品牌不下数十种。

早期往复式空压机在石化工业独 占鳌头，其特点是高压力、效率高、结构紧凑、单位能耗低，但噪声较高、排气量受到一定限制。随着时间的推移，空气压缩机类型从早期的单纯大功率活塞式压缩机转变为离心式压缩机、活塞式压缩机和螺杆式压缩机配合使用Ⅲ。

综合考虑排气量和排气压力的需求，目前国内空气压缩站的主流配置是用离心式压缩机或活塞式压缩机完成80％的负荷，剩余需求通过螺杆式压缩机实现。

通常设计 院在确定空气压缩站的总排气量时，按照如下公式参考设计。

Q=∑ 水k{1+(pI+(p2+ 3) (1)式中：O 空气压缩站总排气量的设计容量；∑Q。一用气设备消耗气量之和；k一消耗气量不平均系数，一般取1．2～1．4； 一管道漏损系数，一般取0．1～0．2； ：．用气设备磨损消耗系数，一般取0．15～0．2； ．不可预见的消耗系数，一般取0．1【2】口由此可见，设计容量与用户的实际需求量相比，设计容量大得多，约为实际平均用气量Q。的1．5-2．o倍。因此，对空气压缩站的实际产气量进行实时调节具有十分重要的现实意义。

如果整体负荷在较长时间区间内变化较大，峰谷负荷值之差靠起停一台空压机不能有效调节时，宜设置一台变频空压机，这样可以有效地节约电耗。根据空压机的运行方式，通常选取螺杆空压机作为调节气量的设备。

2基于矢量变频调速螺杆主机的恒压气量调节2．1开关控制的局限性作者简介：何明 (1983一)，男，江苏常州人，硕士，助理工程师。在合肥通用机械研究院压缩机技术国家重点实验室从事压缩机运行状态检测系统及相关节能研究等工作。

一52一 ■技术交流 石油和化工设备 20
13年第1 6卷约定空压机的额定功率、额定排气量和额定排气压力分别表示为N q。、P。，用户实际用气量Qo=0．7Q。。普通空压机的运行过程如图1所示。

P s+APP sNz +△NzzNz，、＼ ／ 一／ ＼／
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／／ ／ tI t 2 t 3图1 通过进气阀及控制压差调节排气量其中，P。为期望压力，对应 的实时功耗为N 。；P 为满足用气需求的最小排气量，即进气阀打开压力值，对应的实时功耗为N ；A P为控制压差，即P +A P为进气阀关闭压力值，对应的实时功耗为N： +△N ；空载时对应的实时功耗为N 2。

由于每升高0．1MPa的排气压力，空压机的功耗会增加5％～6％，且压缩机空载时的功耗N 一般不小于10％ (活塞压缩机甚至达~J25％以上)。

根据空压机轴功率与转矩的关系式 (2)，可以明显看出空压机的功耗随着时间t ～t3在N 和N +△N之间，损失严重。

N ： (2)973．2式中：1．空压机转速；M 一空压机转矩。

2．2变频调速分析空气压缩机常用电机为三相异步电动机，其转速与电源频率问遵循如下关系：60f ／
,／= ? — ———p (卜 )式中：n一电机转速；f-电源频率；P一电机绕组极对数；S一电机转差率。

已知，螺杆空压机的排气量与转子转速成正比。对于确定的异步电机，从式(2)可明显看出电机转速与频率满足正比关系，因此调节电源频率可以实现对 电机转速的控制，进而控制空压机的排气量。

图2是空压机采用变频调速后电机频率与排气压力的关系。可以看到t。时刻空压机进气阀打开，进而升到额定频率 。当排气压力超过P。时，变频输出频率开始下降，使△P’在很小范围得到控制。当排气压力低于P。时，变频输出频率又开始增加，使排气压力再次逼近P。。经过2．3次频率的升降，按照图中t ～t 时段排气压力最终与P。一致，根据实际用气量输出频率f’随机变化。当用气量发生变化时，同样重复上述过程，可以维持排气压力恒定 。

需要强调指出，空压机机头完成的是一个内压缩过程，即无论转子转速如何，在机头制造时排气 口排出气体的压力都是恒定的。因此在采用变频调速进行气量控制时对应的驱动设备应选用矢量型控制，即保证电机在不同转速下输出相同转矩。否则，采用调压调速 (V／F)的驱动器会因为低速时只能有较低的扭矩导致排气压力不足，无法满足供气需求。

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图2 通过变频调速调节排气量3基于V／F调压调速冷却风扇的恒温风量控制当转速发生变化时，风机的特性参数风量Q，风压H，功率N的变化可按下式计算：p Ig r 、 Ⅳ ?、＼。 三
一 =一 ． ～一={一 ～ =．1? l。

Q ’ ’ l ／ Ⅳ’ l＼可见，风机的风量与转速成正比，改变转速可以调整风扇的风量，进而控制散热量。风机的输出功率与转速的三次方成正比，转速降低时输出功率的变化很大。普通的螺杆空压机采用温度开关控制冷却风扇的启停，工作与主机类似，在此不做赘述。当散热需求量小于风机的额定风量时，调节转速可使风扇的风量输出保持合适的大第9期 何明等 基于恒温恒压控制的变频螺杆式压缩机在石化行业的应用研究 一 一小，不仅实现了散热的目的，而且使排气温度更加稳定，延长了润滑油的使用寿命，有着明显的节能效果 。

4某螺杆压缩机现场运行介绍图3为采用恒压恒温控制的某变频螺杆空压机运行时的人机对话界面。该系统以螺杆压缩机本体排气压力作为恒压闭环反馈量，采用了基于单神经元 自适应PID的控制算法，根据用户实时用气量与排气压力的变化率，在线调节主机转速的控制比例参数和积分参数，使用气量随着在不同工艺要求发生改变时，系统完全自主进行参数匹配和优化。每当出现外加扰动时，通过良好的抗干扰性在最快的时间内完成压力恢复。

根据用户使用的润滑油，将最佳排气温度设定在90℃，并确定了启动温度 (85℃)和满载温度 (95。C)。随着用气量的变化，排气 口润滑油的温度也随之变化。对冷却风扇电机进行基于模糊PID的V／F控制，并匹配合适的加减速时间，排气温度在不同工况下均能围绕设定的最佳排气温度控制在±1．5℃以内。

可 以看到供气压力(0．77MPa)与期望压力(O．77MPa)X~等，主机频率小于额定频率，主机处于变频加载状态。排气温度维持在设定的85℃附近 (88．7℃)，风扇电机的转速只有额定转速图3 某螺杆空压机现场恒温恒压运行界面的60％。经计算，主机节能约4％，风扇节能大于50％ 。

5调节过程中需注意的问题5．1电气因素由于变频器属于电源变换装置，在使用过程中产生的高次谐波不可避免地会对电网及周边设备产生电磁干扰。应配置必要的滤波器及电抗器，维护设备现场。此外，由于变频器输出的频率多数情况下不是工频 (50Hz)，在某输出频率下有可能会产生系统共振，在使用时必须考虑这一 因素 。

5．2机械因素由于活塞式压缩机的一阶惯性力与曲轴旋转角速度的平方成正比，因此转速变化对活塞式压缩机会产生很大的惯性力平衡扰动。同时，活塞式压缩机的润滑方式决定了当转速降低时飞溅润滑和注油量的效果会变差。因此，活塞式压缩机的调速范围不宜过大，一般不低于额定转速的70％。离心式压缩机由于运转速度较高，采取调节转速的方式很容易引起喘振，如果控制不好对机器的损害较大，一般不建议采用。

◆参考文献[1】刘庆春，曹严亮．浅析空压站的设计[J]．装备制造技术，201 1，(1)：133—134.

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【3]高相家，何明．空压机变频运行的节能分析及相关问题探讨[c】．201 1压缩机技术学术会议论文集，82—86.

[4]肖芳等．喷油工艺螺杆压缩机的特点及应用分析[J]．现代化工，2012，(10)：87—90.

【5】侯振宇．大型工艺螺杆压缩机振动分析及解决措施【J]．流体机械，2012，4Of7)：22-23.

项目来源合肥通用机械研究院青年科技基金资助项目，201 101 1278