聯(lián)合站空壓機(jī)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

冀旭 （大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠機(jī)修大隊(duì)）

聯(lián)合站空壓機(jī)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

冀旭 （大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠機(jī)修大隊(duì)）

聯(lián)合站空氣壓縮機(jī)主要用于儀表風(fēng)及清掃管線?？諌簷C(jī)設(shè)計(jì)容量必須滿足生產(chǎn)的最大負(fù)荷，而實(shí)際運(yùn)行中大部分時(shí)間都不會(huì)在滿載工作狀態(tài)，壓力達(dá)到要求后，空壓機(jī)還在繼續(xù)工作；壓縮氣體需卸壓后進(jìn)行工作，浪費(fèi)了能量。變頻技術(shù)和無模控制算法的有機(jī)結(jié)合，降低了空壓機(jī)輸出功率，取得了一定節(jié)能效果。

聯(lián)合站 空壓機(jī) 節(jié)能

1 空壓機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀

喇嘛甸油田聯(lián)合站共有螺桿式空壓機(jī)22套，空壓機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率為22 kW，出氣量為15 m3/h，運(yùn)行壓力在0.6 MPa左右，單臺壓縮機(jī)平均年耗電量13.6×104kWh?？諌簷C(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮最大容量，而實(shí)際工作中大部分時(shí)間不是滿負(fù)荷運(yùn)行，清掃管線時(shí)間占運(yùn)行時(shí)間10%左右，掃線壓力0.7 MPa，儀表風(fēng)運(yùn)行壓力只需0.15 MPa，無效壓力消耗較大?？諌簷C(jī)加載時(shí)壓力在0.6～0.8 MPa之間，壓力達(dá)到要求后，空壓機(jī)還在繼續(xù)工作，直到上限時(shí)卸載，造成部分電能浪費(fèi)；壓縮氣進(jìn)入氣動(dòng)元件前需要減壓至0.15 MPa左右，造成電能極大浪費(fèi)；卸載時(shí)自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)氣閥門，同時(shí)打開卸載閥泄壓，造成電能浪費(fèi)；另外由于現(xiàn)場采用直接啟動(dòng)或星角切換啟動(dòng)控制方式，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定及其他用電設(shè)備正常運(yùn)行，頻繁的啟停還降低了設(shè)備使用壽命。

2 螺桿式空壓機(jī)工作原理

空氣壓縮機(jī)是一種利用電動(dòng)機(jī)將氣體在壓縮腔內(nèi)進(jìn)行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)中有著極其廣泛的應(yīng)用，在各種行業(yè)中它擔(dān)負(fù)著為工廠中所有氣動(dòng)元件、各種氣動(dòng)閥門提供氣源的職責(zé)。螺桿式空壓機(jī)是由一對相互平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子齒槽之間的空氣不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，空氣則沿著轉(zhuǎn)子軸線由吸入側(cè)輸送至輸出側(cè)，實(shí)現(xiàn)螺桿式空壓機(jī)的吸氣、壓縮和排氣的全過程?？諌簷C(jī)的進(jìn)氣口和出氣口分別位于殼體的兩端，陰轉(zhuǎn)子的槽和陽轉(zhuǎn)子的齒被主電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。

3 節(jié)能改造情況

目前喇二聯(lián)合站、喇Ⅲ-1聯(lián)合站共有4臺22 kW螺桿式空壓機(jī)，用于儀表和掃線氣源，采用傳統(tǒng)的加、卸載供氣控制方式。針對喇二聯(lián)合站、喇Ⅲ-1聯(lián)合站運(yùn)行特點(diǎn)，編制一組自適應(yīng)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(tǒng)的控制算法最大的不同就是無需建立被控對象的數(shù)學(xué)模型，即不依據(jù)被控對象的數(shù)學(xué)模型，而是依據(jù)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(yīng)用功能模塊組合的思想，所形成的無模型控制器是一個(gè)非線性控制器[1]。

空壓機(jī)自己帶有一個(gè)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(huán)。該信號是壓力上/下限值的輸出，不是實(shí)時(shí)壓力的輸出。因?yàn)槟?數(shù)轉(zhuǎn)換要消費(fèi)時(shí)間，控制器計(jì)算上/下限也要消費(fèi)時(shí)間，所以數(shù)據(jù)交換慢。我們的改造不用這個(gè)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(yīng)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(shù)據(jù)最高傳輸速率為10 Mbps，RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。數(shù)據(jù)交換較一般方式快5～10倍，保證控制響應(yīng)速度。

3.1 無速度傳感器矢量控制技術(shù)

矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵(lì)磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）分別加以控制，并同時(shí)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(shù)，使電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)提供更大的轉(zhuǎn)矩。通過調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整氣體流量，電動(dòng)機(jī)輸出的功率與流量需求基本上成正比關(guān)系，始終保持電動(dòng)機(jī)高效工作。矢量控制精度達(dá)到0.2%，保證閉環(huán)控制運(yùn)行的精確度。

3.2 設(shè)定空壓機(jī)工作壓力范圍

使壓力區(qū)間保持在0.02 MPa之內(nèi)，近乎恒壓運(yùn)行，當(dāng)用氣量減小時(shí)，空壓機(jī)自動(dòng)降低輸出功率，加載幅度靈活控制。降低了電動(dòng)機(jī)輸入功率，節(jié)約了電能，達(dá)到了既滿足生產(chǎn)運(yùn)行需求，又實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的[2]。

4 改造效果分析

目前喇二聯(lián)合站、喇Ⅲ-1聯(lián)合站4臺22 kW螺桿式空壓機(jī)安裝NAD-K-220L型空壓機(jī)優(yōu)化節(jié)能裝置。改造后，壓縮機(jī)組的供氣量與系統(tǒng)所需量動(dòng)態(tài)匹配，壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)隨著系統(tǒng)用氣量的不同而進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免了電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)以及頻繁的加卸載所帶來的能量損耗，使電動(dòng)機(jī)的輸入功率大大降低，節(jié)電效果顯著。從目前運(yùn)行情況來看，空壓機(jī)優(yōu)化節(jié)能裝置在工頻、變頻運(yùn)行的情況下均能順利啟動(dòng)，裝置提供的各項(xiàng)功能可以正常使用。安裝后，我們對空壓機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行了跟蹤測試。測量數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 喇二聯(lián)合站空壓機(jī)測試數(shù)據(jù)

表2 喇Ⅲ-1聯(lián)合站空壓機(jī)測試數(shù)據(jù)

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

2）減少空壓機(jī)的啟動(dòng)次數(shù)并且降低啟動(dòng)電流，運(yùn)行電流降低30%，延長設(shè)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(shù)據(jù)交換比常規(guī)A/D轉(zhuǎn)換方式快5～10倍。

4）變頻器有軟啟動(dòng)功能，可減少起動(dòng)時(shí)對壓縮機(jī)和機(jī)械部件所造成的沖擊，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性，延長了壓縮機(jī)使用壽命并減少了空壓機(jī)啟動(dòng)對電網(wǎng)的沖擊[3]。

5 結(jié)語

1）變頻技術(shù)和無模型控制算法的組合應(yīng)用，優(yōu)化了空壓機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，降低了空壓機(jī)輸出功率，取得一定節(jié)能效果。

2）無模型控制技術(shù)是一類兼有現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典PID的優(yōu)點(diǎn)，不依賴被控對象的數(shù)學(xué)模型，徹底解決了普通變頻改造存在的問題，螺桿式空壓機(jī)無模型控制控制效果良好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

3）空壓機(jī)節(jié)能改造符合當(dāng)前節(jié)能減排的需要，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)節(jié)能，挖掘了設(shè)備的節(jié)能潛力。

[1]周華生.空氣機(jī)供風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能改造[J].機(jī)械工程師,2009(5).

[2]張艷君,王曉慧.淺談空氣壓縮機(jī)的選擇及節(jié)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(jī)在西氣東輸壓氣站場的應(yīng)用[J].油氣儲運(yùn),2010(4).

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.07.008

冀旭，助理工程師，現(xiàn)從事生產(chǎn)管理工作，E-mail：qiaojinpeng@petrochina.com.cn，地址：大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠機(jī)修大隊(duì),163114。