聯合站空壓機節能技術應用

冀旭 （大慶油田有限責任公司第六采油廠機修大隊）

聯合站空壓機節能技術應用

冀旭 （大慶油田有限責任公司第六采油廠機修大隊）

聯合站空氣壓縮機主要用于儀表風及清掃管線。空壓機設計容量必須滿足生產的最大負荷，而實際運行中大部分時間都不會在滿載工作狀態，壓力達到要求后，空壓機還在繼續工作；壓縮氣體需卸壓后進行工作，浪費了能量。變頻技術和無模控制算法的有機結合，降低了空壓機輸出功率，取得了一定節能效果。

聯合站 空壓機 節能

1 空壓機運行現狀

喇嘛甸油田聯合站共有螺桿式空壓機22套，空壓機的電動機功率為22 kW，出氣量為15 m3/h，運行壓力在0.6 MPa左右，單臺壓縮機平均年耗電量13.6×104kWh。空壓機設計時必須考慮最大容量，而實際工作中大部分時間不是滿負荷運行，清掃管線時間占運行時間10%左右，掃線壓力0.7 MPa，儀表風運行壓力只需0.15 MPa，無效壓力消耗較大。空壓機加載時壓力在0.6～0.8 MPa之間，壓力達到要求后，空壓機還在繼續工作，直到上限時卸載，造成部分電能浪費；壓縮氣進入氣動元件前需要減壓至0.15 MPa左右，造成電能極大浪費；卸載時自動關閉進氣閥門，同時打開卸載閥泄壓，造成電能浪費；另外由于現場采用直接啟動或星角切換啟動控制方式，電動機起動電流大，影響電網的穩定及其他用電設備正常運行，頻繁的啟停還降低了設備使用壽命。

2 螺桿式空壓機工作原理

空氣壓縮機是一種利用電動機將氣體在壓縮腔內進行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設備，在工業生產中有著極其廣泛的應用，在各種行業中它擔負著為工廠中所有氣動元件、各種氣動閥門提供氣源的職責。螺桿式空壓機是由一對相互平行嚙合的陰陽轉子在氣缸內轉動，使轉子齒槽之間的空氣不斷地產生周期性的容積變化，空氣則沿著轉子軸線由吸入側輸送至輸出側，實現螺桿式空壓機的吸氣、壓縮和排氣的全過程。空壓機的進氣口和出氣口分別位于殼體的兩端，陰轉子的槽和陽轉子的齒被主電動機驅動而旋轉。

3 節能改造情況

目前喇二聯合站、喇Ⅲ-1聯合站共有4臺22 kW螺桿式空壓機，用于儀表和掃線氣源，采用傳統的加、卸載供氣控制方式。針對喇二聯合站、喇Ⅲ-1聯合站運行特點，編制一組自適應無模型控制算法。無模型控制算法是一種全新的控制算法，它與傳統的控制算法最大的不同就是無需建立被控對象的數學模型，即不依據被控對象的數學模型，而是依據被控對象對控制律的控制功能的需求。它完全打破了PID線性組合的框架，應用功能模塊組合的思想，所形成的無模型控制器是一個非線性控制器[1]。

空壓機自己帶有一個控制器（用來加/卸載），一般的變頻改造用其輸出的信號做閉環。該信號是壓力上/下限值的輸出，不是實時壓力的輸出。因為模/數轉換要消費時間，控制器計算上/下限也要消費時間，所以數據交換慢。我們的改造不用這個輸出，直接取傳感器的壓力信號（4～20 mA），采用R485通訊方式傳輸，提高控制響應速度。R-485接口信號電平比R-232的低，就不易損壞接口電路的芯片，R-485的數據最高傳輸速率為10 Mbps，RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模能力增強，即抗噪聲干擾性好。數據交換較一般方式快5～10倍，保證控制響應速度。

3.1 無速度傳感器矢量控制技術

矢量控制實現的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量（勵磁電流）和產生轉矩的電流分量（轉矩電流）分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量。采用矢量控制技術，使電動機在低速運轉時提供更大的轉矩。通過調整電動機轉速來調整氣體流量，電動機輸出的功率與流量需求基本上成正比關系，始終保持電動機高效工作。矢量控制精度達到0.2%，保證閉環控制運行的精確度。

3.2 設定空壓機工作壓力范圍

使壓力區間保持在0.02 MPa之內，近乎恒壓運行，當用氣量減小時，空壓機自動降低輸出功率，加載幅度靈活控制。降低了電動機輸入功率，節約了電能，達到了既滿足生產運行需求，又實現節能的目的[2]。

4 改造效果分析

目前喇二聯合站、喇Ⅲ-1聯合站4臺22 kW螺桿式空壓機安裝NAD-K-220L型空壓機優化節能裝置。改造后，壓縮機組的供氣量與系統所需量動態匹配，壓縮機電動機轉速會隨著系統用氣量的不同而進行調節，避免了電動機空轉以及頻繁的加卸載所帶來的能量損耗，使電動機的輸入功率大大降低，節電效果顯著。從目前運行情況來看，空壓機優化節能裝置在工頻、變頻運行的情況下均能順利啟動，裝置提供的各項功能可以正常使用。安裝后，我們對空壓機的運行情況進行了跟蹤測試。測量數據見表1、表2。

表1 喇二聯合站空壓機測試數據

表2 喇Ⅲ-1聯合站空壓機測試數據

1）變頻控制系統具有精確的壓力控制能力。通過使空壓機的空氣壓力輸出與用戶空氣系統所需的氣量相匹配，可以使管網的系統壓力保持恒定，有效地提高了供氣的質量。輸出頻率精確到0.01 Hz，能夠精確地響應實際壓力的變化，壓力控制精度達到0.01 MPa。高精度的控制系統可減少電能損耗。

2）減少空壓機的啟動次數并且降低啟動電流，運行電流降低30%，延長設備的使用壽命。

3）壓力傳感器與控制器的傳輸方式采用R485通訊方式，數據交換比常規A/D轉換方式快5～10倍。

4）變頻器有軟啟動功能，可減少起動時對壓縮機和機械部件所造成的沖擊，增強了系統可靠性，延長了壓縮機使用壽命并減少了空壓機啟動對電網的沖擊[3]。

5 結語

1）變頻技術和無模型控制算法的組合應用，優化了空壓機的各項運行參數，降低了空壓機輸出功率，取得一定節能效果。

2）無模型控制技術是一類兼有現代控制理論與經典PID的優點，不依賴被控對象的數學模型，徹底解決了普通變頻改造存在的問題，螺桿式空壓機無模型控制控制效果良好，系統運行穩定。

3）空壓機節能改造符合當前節能減排的需要，實現了精細節能，挖掘了設備的節能潛力。

[1]周華生.空氣機供風系統節能改造[J].機械工程師,2009(5).

[2]張艷君,王曉慧.淺談空氣壓縮機的選擇及節能措施[J].甘肅科技,2008.24(8).

[3]尚云莉,涂懷鵬,孫今朝.螺桿式空壓機在西氣東輸壓氣站場的應用[J].油氣儲運,2010(4).

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.07.008

冀旭，助理工程師，現從事生產管理工作，E-mail：qiaojinpeng@petrochina.com.cn，地址：大慶油田有限責任公司第六采油廠機修大隊,163114。