空壓機變頻節能技術在輸氣管道中的應用

張 旭 東 胡 貞 朱 延 良 王 鵬 馬德龍

（1.中國石油北京天然氣管道有限公司；2.大慶油田工程有限公司；3.中國石油管道公司秦皇島輸油氣分公司）

空壓機變頻節能技術在輸氣管道中的應用

張 旭 東1胡 貞1朱 延 良2王 鵬3馬德龍3

（1.中國石油北京天然氣管道有限公司；2.大慶油田工程有限公司；3.中國石油管道公司秦皇島輸油氣分公司）

輸氣管道空壓機是重點耗能設備。從節能角度出發，分析了空壓機變頻技術原理、變頻器特點、改造的必要性、變頻改造的主要內容和改造前后的節能效益對比分析。以某一壓氣站為例，根據空壓機的型號選擇相應的變頻器，在空壓機房進行安裝。改造后空壓機運行噪音下降，啟動平穩，壓力控制精度提高。通過72h工變頻試驗，節電效果明顯，具有非常好的社會效益、經濟效益和安全生產效益，具有推廣應用價值。

輸氣管道 空壓機 變頻器 節能

壓縮空氣作為工業領域第四能源，在各行業均有著廣泛的應用。空氣壓縮機（簡稱空壓機）在長輸管道輸氣壓氣站、儲氣庫均有應用，并且直接關系到壓氣站、儲氣庫的安全運行。

1 空壓機變頻技術原理

壓氣站和儲氣庫的空壓機系統主要為阿特拉斯GA22P 型空壓機和英格索蘭 ML45D 型空壓機，大部分為一開一備，24h運行。變頻器的型號分別為英格索蘭的 IR5000-22-II、IR5000-45-II、IR5000-132-II，主要根據空壓機的功率進行選擇。

空 壓 機 變 頻 器 的 工 作 原 理[1]如 下 ： 空 壓 機 與 高效節能控制系統組合后，空壓機發給變頻器起停信號、加載信號 （PID 調節信號）、變頻器返回空壓機的故障信號，同時通過壓力變送器從壓縮空氣系統中采集壓力信號輸入到變頻器中，作為空壓機加載 PID 調節參考的外部壓力模擬反饋。高效節能控制系統通過對空壓機進行變頻控制，幫助用戶實現系統的節能控制。

IR5000 會根據實際的用氣量，自動調節電動機的轉速以達到穩定輸出壓力的目的，實現節能。除此之外，使用VFD 還能實現電動機軟啟動、減少電動機的頻繁加卸載、降低電動機噪音等功能。

VFD 的運作可以大致分為兩個步驟：

1） 當空壓機卸載運行時，變頻驅動會以最小轉 速 （ fmin=27Hz） 恒 速 運 轉 。

2） 當空壓機加載運行時，變頻驅動會自動調節轉速，穩定壓力。

IR5000 型高效節能控制系統為一拖二型變頻控制系統，所謂一拖二型即通過 IR5000 可以進行兩臺空壓機的工/變頻模式的選擇切換。這樣保證了兩臺空壓機系統的節能空間，提高了整個空壓機系統的可靠性。

IR5000 系統主要由兩大部分組成：ACS550 型VFD 是該系統組成的主要部件，是 ABB 公司的產品；一拖二工變頻控制柜，用來實現兩臺空壓機的工/變頻運行模式切換及變頻器的故障輸出。兩部分成套在一個柜體，中間隔板分開，VFD和控制部分為獨立的安裝空間。

2 變頻器的特點

1）變頻器控制壓縮機與傳統控制的壓縮機比較，能源節約是最有實際意義的，根據用氣量需求來供給的壓縮機工況是經濟的運行狀態。

2）提高壓力控制精度。變頻控制系統具有精確的壓力控制能力。使壓縮機的空氣壓力輸出與用戶空氣系統所需的氣量相匹配。變頻控制壓縮機的輸出氣量隨著電動機轉速的改變而改變，有效地提高了工況的質量。

3）延長壓縮機的使用壽命。變頻器從低頻起動壓縮機，它的起動加速時間可以調整，從而減少起動時對壓縮機的電器部件和機械部件所造成的沖擊，增強系統的可靠性，使壓縮機的使用壽命延長。

此外，變頻控制能夠減少機組起動時電流波動，這一波動電流會影響電網和其它設備的用電，變頻器能夠有效的將起動電流的峰值減少到最低程度。

3 變頻改造

改造的 必 要 性[2]如 下 ：

1） 由于采用工頻電動機，出力不隨機組負荷的調整而發生改變，機組在正常運行和熱備工況下運行均存在頻繁加卸載現象，機組的加載利用率相對較低，造成機組存在頻繁起停現象，有 20%～40%的節能潛力。

2） 該系統的用氣壓力波動大 （最大壓差達到1.9Bar）。

在空壓機房內增設 1拖2變頻器控制柜，型號分別為 IR5000-22-II、IR5000-45-II、IR5000-132-II， 落地 安裝。前后設檢修維 護通 道。變頻器控制柜由變頻器和一拖二工變頻控制系統兩部分組成。

改造的主要內容包括：

1） 在空壓機內控制系統中加裝了電器元件（包括風機電源接觸器、繼電器等），當空壓機切換到工頻運轉時保留原有的星/三角啟動。

2） 壓力傳感器安裝在儲氣罐預留的帶截止閥的壓力取樣點上。壓力信號采用兩芯屏蔽線（廠家配套供貨）穿熱鍍鋅鋼管沿地面、電纜槽敷設至變頻器控制柜。

3） 配電改造。變頻器控制柜至空壓機內風扇和控制電源的動力電纜及至空壓機的控制電纜均沿電纜槽敷設，局部穿鋼管沿地面明敷。

4） 主電纜沿線槽敷設，新建線槽與原建線槽通過直角三通相連，裝高相同。線槽內設熱鍍鋅接地扁鋼，保證了設備的良好接地。

4 改造前后效益對比分析

為了驗證變頻改造的節電效果，在空壓機變頻改造時均加裝了電度表，并在一個壓氣站和兩個儲氣庫后進行了工變頻測試試驗：根據在壓氣站、儲氣庫進行的 72h 工變頻電量對比 （見表1），在 72h內，采用變頻運行的用電量較采用工頻運行的用電量 分別減少 32% 、 18.4% 和 18.3% 。 根 據 各 站的運行時間推算，每年大約減少用電 55×104kWh，節省 電費約 39.8× 104元，節能 67.6t標煤，減 少二 氧化 碳 排 放 量 168.5t。 6 臺 變 頻 器投資共 79 余 萬 元 ，投資回收期為 1.76 年。

表1 工頻與變頻運行耗電量對比

5 結論

空壓機變頻器投入運行后，運行良好，具體優點如下：

1）調節平穩，運行電流明顯下降，調節范圍寬泛，具有明顯的節電效能，達到了預期的收益。

2） 可以實現空壓機一臺工頻運轉，一臺變頻運轉，并且可以進行變工頻切換，也可以兩臺同時工頻運轉（不可以同時變頻運轉）；這樣滿足了兩臺空壓機多種情況下的安全備機要求，并最大程度地節省了能耗。

3）恒壓控制，高效節能控制系統具有精確的壓力控制能力，根據用戶系統壓力的反饋，自動控制空壓機主機馬達的轉速，提供穩定的壓力輸出；使空壓機輸出壓力與需求壓力相匹配；輸出氣量隨電動機轉速調節而改變。

4） 變頻控制的空壓機的頻率調節范圍是 27 ～50Hz，大大降低了空壓機的能耗，同時也降低了生產成本。

5）因啟動平穩，空壓機噪音下降，改善了工作環境，空壓機頻繁啟動減少，故障率降低，具有非常好的社會效益、經濟效益和安全生產效益。

[1]劉國豪.變頻技術在長輸管道輸油泵機組上的應用[J].油氣儲運,2012,31(7):543-545.

[2]任衛東.電動機變頻節能技術應用總結[J].科學決策，2008(11).

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.009.006

2013-06-28）

張旭東，工程師，2005年碩士畢業于中國石油大學（油氣儲運工程專業），從事天然氣長輸管道的節能與計量管理，E-mail： zhangxudong2@petrochina.com.cn，地址 ：北京 市朝陽 區大屯路9號，100101。