空壓機控制系統變頻改造技術分析

葉仕生 曾強 陳康成 李寶強 李曉宇

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司 廣東珠海 518101)

1 項目介紹

該項目主要針對某海上天然氣作業平臺的空壓機，其型號為英格索蘭空壓機MH215，所配備的電動機功率偏大，達215 kW。其啟動方法為（Y-△）起動方式。該空壓機的檢測點主要包含壓縮空氣出口壓力、溫度、滑油壓力、滑油溫度。該空壓機具備兩點式控制（加載、卸載控制）和智能控制器集中控制兩種控制方式。在智能控制器啟動之后，線圈KM1、KM3 就會觸點閉合進行運動，電動機Y 形起動，10 s 后KM3 會失電，線圈KM2 觸點閉合，此時空壓機電機由星形轉向三角形運行。斷油電磁閥隨即得電打開，潤滑油在空氣壓力作用下噴入壓縮機機頭，此時的空壓機呈空載運行。如果工藝用戶管網壓力低于設定值，受步進電動機控制的進氣蝶閥會逐漸打開，則空壓機開始由空載運行模式切換至加載運行模式。當工藝用戶管網的壓力高于設定上限時，受步進電動機控制的進氣蝶閥會逐漸打開，保持低流量自循環卸載運行，10 min后如果工藝用戶管網壓力仍未低于設定值則停止運行。

圖1 是以英格索蘭螺桿空壓機MH215 的電控圖，圖中FM為冷卻風扇電機，MM為主機電機。

圖1 原空壓機電控原理圖

該海上天然氣作業平臺的空壓機耗能系統運行效率比較低，總體僅為50%～70%左右，這是因為：（1）項目建造階段空壓機選型時考慮到今后改擴建的需要，選擇了較大用氣裕量，使得空壓機運行時進氣蝶閥常處于關閉狀態（空壓機卸載運行），降低空壓機的運行效率；（2）定頻螺桿空壓機是處于恒速運轉狀態，但是生產系統的氣量需求卻處于變動狀態，當用氣需求減小時，空壓機便會卸載運行。因此，這樣空壓機就會在停機、空載、加載間頻繁切換，且該空壓機的啟動方式Y-△啟動，瞬時加載和卸載，這使啟動電流較大（4～7倍）[1]，不但引起電源電壓波動，而且導致接觸器頻繁開閉，導致觸點出現燒焦等故障，同時也會使壓縮氣源產生波動，加速機組磨損，降低機組使用壽命。

眾所周知，螺桿空壓機的運行狀態調節，主要表現為機組排氣量的調節，而空壓機的排氣量正比于轉速[2]。螺桿空壓機的節能調節歸根結底就是電機的速度調節問題。中小型交流異步電機現階段最佳調速方式就是變頻調速。

2 英格索蘭空壓機MH215機組性能分析

2.1 從壓力關系分析定頻空壓機的能耗

空壓機在加載時對供氣用戶管網供氣，管網壓力上升，而卸載和停機時停止供氣，工藝用戶管網壓力下降，保持其壓力在Pmin～Pmax之間。Pmin是指能保證工藝用戶進行正常工作的最低壓力設定值；Pmax則相反，是最高壓力設定值。此兩者定量關系如下：

式（1）中，δ是一個百分比，一般設定在10%～25%之間。

使用變頻器進行調速，可以對空壓機的供氣量進行持續進行調節，可以保證工藝管網壓力保持在最低壓力設定值Pmin。

現場實驗和測試表明，采用加載、卸載和停機定頻控制模式的空壓機，其能源損耗主要體現在如下兩個方面。

（1）壓縮空氣超過Pmin所損耗的能量。在原采用加載、卸載和停機定頻控制模式的作用下，工藝管網壓力即使達到Pmin后，也會繼續上升直至Pmax。在壓力過度上升必然是一種能力損耗。除此之外，高于Pmax的壓縮空氣只有經過減壓閥減壓后才能真正進入氣動元件發揮功效中，這也是能源的浪費。

（2）卸載調壓的控制模式不合理所造成的能量消耗。在工藝管網壓力達到Pmax后，為了防止空壓機頻繁啟停，空壓機采取以下調節方法進行降壓：先是關閉進氣蝶閥，確保空壓機在運轉而沒有壓力輸出。但這一做法有利也有弊：其利在于避免空壓機頻繁啟停，造成對電網的沖擊以及觸點的損壞；其弊處在于會造成電源過渡損耗、資源浪費。因為，關閉進氣蝶閥后的空壓機仍在轉動，甚至占據了一半以上的時間。

2.2 從流量關系分析定頻空壓機的能耗

在空壓機正常使用范圍內，空壓機的排氣量Q與轉速n成線性正比關系[3]。排量Q隨著轉速n的上升而增加，隨著轉速n下降而減少。當工藝系統用氣量小于額定排量時，其供氣壓力將會上升；當壓力上升至1 MPa 時，控制器關閉進氣碟閥，這時空壓機卸載運行；在進入卸載狀態后，因工藝用戶仍在用氣，公用氣儲罐壓力將會緩慢降低，其壓力下降速率和再次上升速率取決于兩個因素。

（1）工藝系統用氣需求量Q2與空壓機的額定排量Q1的比值。常用λ表示。

式（2）中，λ越小，則儲罐壓力下降越慢，即空壓機卸載/停機狀態時間越長；λ越大，則儲罐壓力下降越快，即空壓機卸載/停機后很快會進入加載狀態；當λ=1時，則空壓機將會直處于加載運行狀態。

（2）公用氣儲罐的容積。公用氣儲罐容積越大，其壓力下降以及壓力再次上升的速率越慢，機組加卸載切換的頻率也越低，則空壓機因頻繁加卸載所帶來的額外功率耗損也能得到降低。

3 變頻化改造后空壓機控制原理分析

電機轉速與電源頻率的關系如下[4]。

式（3）中，f為電源頻率；p為電機繞組極對數；s為電機的轉差率。

對于電機來說p是定值，s不變，因此n和f是線性關系，電機的轉速隨著電源頻率f改變而改變。因為螺桿空壓機的排氣量Q與轉速n是正比，故

式（4）中，Qf為變頻排氣量；Qe為額定排氣量；nf為變頻轉速；ne為額定轉速。

因此，要想改變排氣量，可從改變電源頻率著手，改變電源頻率即可改變空壓機運行轉速達到改變排氣量的目的。工頻螺桿空壓機變頻化改造，就是根據海上作業平臺工藝系統的期望壓力與空壓機供氣系統公用氣罐的實時壓力的差值，利用變頻器進行輸出壓力自動調節。當公用氣罐實時壓力超過用戶工藝系統的期望壓力時，變頻器減少輸出頻率，反之，則增大輸出頻率；而當公用氣罐的實時壓力等于工藝系統期望壓力時，維持變頻器輸出頻率。

4 空壓機變頻改造實施

4.1 變頻改造的技術方案

變頻改造總體方案具體見圖2，利用變頻器輸出可調頻率的電源作為空壓機組的電源，就可以對空壓機輸出轉速進行控制。公用氣罐的壓力信號通過變送器轉變為電信號，輸送給變頻器調節器，與設定壓力值進行作差，根據差值按PID調節控制模式運算，改變變頻器的輸出頻率，控制電機轉速，使得實際供氣壓力維持在設定值附近。

圖2 空壓機變頻調速原理

此外，空壓機變頻改造后，空壓機啟動過程，即從停機到轉速平穩，可實現軟啟動，避免啟動電流過大，產生大電流沖擊。

4.2 變頻器控制原理

變頻器控制原理具體見圖3，根據該海上作業平臺工藝系統實際用氣情況，控制器ICU5000S設定壓力為8 kg/cm2。控制器ICU5000S 通電后，可以通過ON、OFF 接點實現啟動、停止功能；并通過INV-RUN、CM5接點連接、啟動變頻器。

圖3 變頻器控制原理圖

控制器ICU5000S通過+24 V接點提供用戶公用氣罐壓力傳感器電源，壓力傳感器通過IN2 接點傳回用戶公用氣罐壓力的變化（4～20 mA 信號）給控制器ICU5000S；控制器ICU5000S通過運算后從OUT和0V1接點輸出頻率控制信號，亦即改變控制變頻器的頻率輸出，實現壓縮機轉速的改變，使用戶公用氣罐壓力維持恒定。

在變頻控制狀態下，系統異常時，ALM、CM1 接點接通，其故障指示燈亮；變頻器異常也可以通過INV、COM 接點顯示在ICU5000S 面盤上。控制器ICU5000S故障信號可由RESET、COM 接點之間的復位按鈕復位。

4.3 風冷系統的變頻改造

工頻空壓機在變頻改造后，一般都在工頻以下運行，這時空壓機排氣量會低于額定氣量，所得熱負荷也會較之工頻運行時的熱負荷有所降低，如定速風機不進行改造，則空壓機潤滑油可能會過度冷卻，甚至產生冷凝水導致潤滑油發生乳化。

另一方面，從減少能量損耗的角度來分析，對空壓機風冷系統也進行變頻改造，其節能效果也更加顯著。因為根據冷卻風機的負載特性，空壓機風冷系統的冷卻風扇的功率正比于轉速的3 次方，說明風機轉速對電功率的影響更深。

因此，空壓機變頻改造時，應將風冷系統同時進行改造。

4.4 變頻器選擇

選擇主機電機變頻器時，依據空壓機的轉矩特性，則應優先選擇直接轉矩型或者矢量型變頻器，且容量略大于空壓機的軸功率。而風冷系統電機變頻器考慮選擇V/F 型變頻器，并且與機頭溫度變送器構成閉環控制。

此外，應該在變頻器輸出端增加一個電抗器，以改善電機的運行狀況。在公用氣罐安裝壓力變送器，與主變頻器形成壓力閉環控制。

4.5 變頻器輸出頻率上下限

從空壓機的壓縮機的特性來說，當運行頻率低于工頻/額定頻率fe的45%時，其效率下降明顯[5]。

從電機特性來分析，由于電機恒轉矩特性，電機在低于工頻/額定頻率fe在30%以下運行時，其電流并未減少，而是仍然保持在工頻/額定電流附近，甚至可能會更大[6-7]。而且電機轉速過低，電機自身散熱效果也不好。

綜合考慮空壓機的壓縮機和電機兩個方面原因，變頻器輸出頻率的調節區間設定在工頻/額定頻率45%～100%之間較為合理。因此，變頻器設定頻率下限為25 Hz，上限為50 Hz。

5 結語

變頻調速技術是現代設備控制技術的主要發展方向，因其顯著的調速性能、節能效果而得到越來越廣泛的運用。此次空壓機變頻改造還有其他優點。

5.1 延長機組壽命

經過電路優化設計以及參數設置，實時跟蹤工藝用戶系統壓力，持續對電機轉速進行調整，穩定空壓機的輸出壓力。從根本上改善機組的運行狀況，同時減少了負荷變化，延長了主機和進氣系統組件的工作壽命。

5.2 降低能力損耗

空壓機輸出穩定的壓力，減少了機組卸載和停機的時間，從而減少了能源損耗；同時可以適當降低機組的設定壓力，減少因壓力過高而造成的能源損耗。

5.3 實現軟啟動

實現電機軟啟動，使得電機起動電流在額定電流之內，不再像Y-△起動那樣對電氣元件和機械部件具有強大的沖擊，延長了壓縮機壽命及其維保周期，避免空壓機主接觸器頻繁啟閉，防止觸點燒焦，提高了接觸器壽命。

5.4 穩定氣溫油溫

機組排氣壓力較為穩定，溫度趨于恒溫，提高了工藝系統用氣品質。同時，機組的冷卻系統風機也能對油溫的情況進行調速控制，延長了壓縮機油的使用壽命，節省換油成本。

5.5 降低機組噪聲

由于降低了電機轉速，空壓機的噪音較之工頻運行時的噪音明顯減小，同時因為卸載的時間也得到減少，卸載放空的噪音大為降低。

5.6 自診斷功能完善

改造后的變頻控制系統內置直流電抗器，可以降低電源的諧波干擾。且該系統具備較為完善安全保護和故障狀態診斷功能，保證天然氣作業工藝生產的供氣需求。