驅(qū)動往復壓縮機用同步電動機選型建議

歷 銳

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002)

1 引言

隨著煉油企業(yè)精制、改質(zhì)、催化、裂化等項目的增加，1250 kN及150 kN活塞力的往復壓縮機應(yīng)用也越來越多，驅(qū)動用低轉(zhuǎn)速同步電動機的功率也突破了10000 kW，考慮到系統(tǒng)節(jié)能，無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)越來越多的投入使用，但隨著裝置運行數(shù)量及所使用負荷范圍的增加，很多前期被忽視或不存在的問題逐漸的顯現(xiàn)出來。本文介紹了該系統(tǒng)運行的基本原理，并通過實際發(fā)生的事件，對驅(qū)動往復壓縮機用同步電動機的選型給出幾點建議。

2 壓縮機新型節(jié)能技術(shù)的工作原理

近年來，隨著能源意識的逐漸加強，對于節(jié)能減排的要求越來越高，在不同的領(lǐng)域一些新的節(jié)能技術(shù)被推廣應(yīng)用，在節(jié)能上取得一定成績的同時，也帶來了一些新的技術(shù)問題。無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)是近年來被廣泛推崇的壓縮機組節(jié)能技術(shù)，該系統(tǒng)基于延遲氣閥關(guān)閉，通過外力強制頂開進氣閥片控制進氣閥的打開時間，從而實現(xiàn)壓縮工藝所需的氣量需求，在系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下的壓縮機軸功率與排氣量成正比，達到了降低電能消耗的目的。

如圖1所示，壓縮機正常工作循環(huán)中，1個氣缸內(nèi)活塞的運動一般包括以下幾個階段：氣缸內(nèi)剩余氣體的膨脹過程，壓縮機的吸氣過程，在吸氣體積達到氣缸100%時對氣體開始進行壓縮，在氣體達到排氣壓力時進行排氣過程，這4個階段對應(yīng)圖1中AB、BC、CD、和DA這4段曲線。壓縮機在未采用無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)時，吸氣過程中進氣閥開啟將需要壓縮的氣體吸入氣缸，進氣閥關(guān)閉，對氣體進行壓縮，壓縮到所需壓力時，排氣閥打開氣體排出，此時壓縮機在壓縮過程中整個氣缸行程內(nèi)均處于做功過程[1-2]。

圖1 往復壓縮機運行工況描述

如圖2所示，采用無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓縮機在吸氣過程中，進氣閥開啟將需要壓縮的氣體吸入氣缸，在壓縮過程中，進氣閥在外力作用下依然保持開啟狀態(tài)，氣缸內(nèi)未經(jīng)壓縮的氣體由進氣管道回流回去，等到某一個點Cr(也就是氣量調(diào)節(jié)要求的排氣量)時撤銷外力，進氣閥在關(guān)閉，然后對剩余氣體進行壓縮，氣體達到排氣壓力時排出，從而達到氣量調(diào)節(jié)和節(jié)省功的目的。

圖2 采用無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的往復壓縮機運行工況

無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過延遲進氣閥的關(guān)閉時間，降低活塞的做功行程，以達到降低壓縮機的功率需求，但在壓縮過程中，負荷的降低量與活塞的行程并不是線性關(guān)系，當進氣閥關(guān)閉時，活塞需要在較短的氣缸行程中，進行氣體壓縮達到所需的排氣壓力，當達到所需壓力時，排氣閥打開氣體排出，而傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式(旁路調(diào)節(jié)、余隙調(diào)節(jié)等[3])在調(diào)節(jié)過程中壓縮機氣缸在整個運轉(zhuǎn)過程中均是做功的，所以軸功率不發(fā)生變化。

3 節(jié)能系統(tǒng)的應(yīng)用對機組產(chǎn)生的影響

隨著近年來節(jié)能系統(tǒng)的普及，很多問題得以顯現(xiàn)，比如壓縮機小頭瓦研磨、電機轉(zhuǎn)子風扇葉片脫落、轉(zhuǎn)子阻尼繞組斷裂、磁極間引線斷裂等故障頻發(fā)，此類問題直觀上感覺是材料強度或者材料自身的質(zhì)量缺陷造成，最初的解決辦法也都是更換增加強度的零部件，但從結(jié)果上看只能是延長了使用壽命，問題的本身并沒有被挖掘出來。在總結(jié)這些問題時發(fā)現(xiàn)，多數(shù)出現(xiàn)問題的機組都有一個共同點，都使用了無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并且出現(xiàn)問題之前很多都調(diào)低過壓縮機負荷，所以出現(xiàn)的問題并非偶然。

最初對該套系統(tǒng)的認知還不高，因此使用該系統(tǒng)對機組的影響問題咨詢過國際知名往復壓縮機制造商，對于此套系統(tǒng)給與的說明如下：“無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以通過延遲氣閥的開啟時間降低壓縮機的功率。通過這樣做使轉(zhuǎn)矩和時間曲線(曲柄回轉(zhuǎn)力曲線)幅值的變化增加。這對1階和2階諧波力矩不會有很大的影響，但它會放大4階和更高階的諧波力矩(但是這些變化也是處于低的狀態(tài)，僅是共振的原因之一)。隨著負載的變化諧波力矩也會有更大的變化，并且這些變化很難被預(yù)測，即使負載輕微的調(diào)整氣缸十字頭和曲柄卸荷器之間或者氣缸與氣缸之間也會有十分顯著的影響。如果傳動系統(tǒng)在高階諧波力矩下共振這樣會產(chǎn)生十分嚴重的影響。在一個剛性連接的電機上來自于曲柄軸法蘭橫向激勵的高階諧波數(shù)量也將會被影響，并且也會在電機軸上產(chǎn)生橫向和徑向響應(yīng)(沖擊)”。由此可見使用節(jié)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)負荷對機組的影響是十分劇烈的。

目前國內(nèi)一些設(shè)計院所也開始了對此問題的深入研究，并針對不同的往復壓縮機機型給予了單獨的分析總結(jié)，首先就是壓縮機的反向角問題，隨著負荷流量的降低，壓縮機的反向角會減小，負荷越低減小的越為明顯，下表就是壓縮機負荷與反向角的關(guān)系，這一點不論在2D機型(即兩列氣缸的往復式壓縮機，下同)還是在4M機型(即四列氣缸的往復壓縮機，下同)上均有體現(xiàn)。

因此可以得出第一個結(jié)論：在小流量(低負荷)下，在往復壓縮機上存在反向角過小，會導致小頭瓦十字頭潤滑失效。

其次就是轉(zhuǎn)矩變化問題，這是決定整個機組是否能夠長期平穩(wěn)運行的關(guān)鍵，對于2D機型，隨著負荷的降低，機組的轉(zhuǎn)矩變化幅值降低，能量變化也是隨著降低，如圖3所示。

人們的印象中，4M機型的運行穩(wěn)定性是好于2D機型的，但在無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)介入后，壓縮機的轉(zhuǎn)矩變化變趨勢卻與2D機型恰恰相反，如圖4所示為4M機型在30%負荷及100%負荷時的轉(zhuǎn)矩變化情況，結(jié)果是30%負荷時的轉(zhuǎn)矩變化為額定負荷時轉(zhuǎn)矩變化的近3倍。

表1 反向角隨負荷的變化趨勢

壓縮機轉(zhuǎn)矩變化的幅度增加，意味著運行過程中需要更多的能量交換，與此同時，機組的軸功率是下降的，所以更多的能量來源便是機組的飛輪力矩(即轉(zhuǎn)動慣量)，根據(jù)壓縮機飛輪力矩的計算公式

式中 ΔLmax——能量變化

n——額定轉(zhuǎn)速

δ——旋轉(zhuǎn)不均勻度

ωmax——最大角速度

ωmin——最小角速度

ωcp——平均角速度

如果能量變化為額定負荷時的3倍，要保證機組旋轉(zhuǎn)不均勻度維持在設(shè)計值，就需要提供3倍于原設(shè)計值的飛輪力矩維持機組的穩(wěn)定，如果不增加機組的飛輪力矩就只能犧牲機組的旋轉(zhuǎn)不均勻度，對于4M類型的壓縮機，在低負荷下會導致機組的旋轉(zhuǎn)不均勻度成倍的增加，而API618要求，壓縮機組的旋轉(zhuǎn)不均勻度不允許超過1.5%，所以當不能保證機組飛輪力矩足夠的情況下調(diào)低負荷，對機組的影響是非常嚴重的。

與此同時，過大的能量變化將使得電機電流脈動增加，使得電機轉(zhuǎn)子時刻處于加速-減速-加速的過程中，負荷越低、飛輪力矩越小這一現(xiàn)象越明顯，對旋轉(zhuǎn)零部件的沖擊非常巨大，對于某些位置容易出現(xiàn)疲勞損傷，從而出現(xiàn)故障。

轉(zhuǎn)子的速度高于或低于同步速度時，定子氣隙磁場都會在阻尼繞組里感生電勢，由電勢的作用產(chǎn)生了電流，電流和定子氣隙磁場相互作用就產(chǎn)生了阻尼力矩。因此，在采用無級氣量調(diào)節(jié)在負荷較低時，由于轉(zhuǎn)矩幅值變化過大，慣性力矩將無法從根本上調(diào)節(jié)功，使阻尼繞組上產(chǎn)生了沖擊交變力矩，造成了阻尼條發(fā)熱、阻尼條斷裂、固定轉(zhuǎn)子磁極組件損壞等問題的發(fā)生。同時當轉(zhuǎn)子的速度高于或低于同步速度時，定子氣隙磁場也會對靠近磁極極靴部分的磁極繞組的絕緣造成破壞，產(chǎn)生局部放電的現(xiàn)象，損壞磁極繞組的絕緣。

同時，我們采用有限元軟件對負載轉(zhuǎn)矩周期變化時，電磁產(chǎn)生的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩隨負載轉(zhuǎn)矩的變化進行了仿真分析，可以看到由于電動機的特性驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生總是滯后于負載轉(zhuǎn)矩的變化，因此，轉(zhuǎn)矩不足的部分需要慣性力矩去分擔，即要在系統(tǒng)設(shè)計時也要考慮系統(tǒng)的平穩(wěn)性由慣性力矩去承擔較大的負載轉(zhuǎn)矩的變化，降低旋轉(zhuǎn)不均勻度對電機帶來的影響。

對此可以得出第二個結(jié)論：壓縮機(尤其是4M機型)在使用無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)降低負荷時存在飛輪矩不足，不滿足旋轉(zhuǎn)不均勻度要求，易造成機組運行不穩(wěn)定。

在驅(qū)動往復壓縮機用同步電動機選型時，不應(yīng)只考慮額定工況下的機組運行情況，而忽視了低負荷的長期運行，以免導致在低負荷時問題的出現(xiàn)。

4 預(yù)防措施與解決方法

針對往復壓縮機在低負荷運行時潤滑不良的問題，需要在項目前期進行反向角的核算，并結(jié)合已運行機組的實際運行情況，給出機組負荷調(diào)節(jié)的最低限值。

對于驅(qū)動往復壓縮機的電機來說，要保證轉(zhuǎn)子零部件不被破壞，保證電動機的長周期安全穩(wěn)定運行，需要在選型時著重考慮以下幾方面：

(1)增加零部件本身的強度從而間接獲得機組長時間穩(wěn)定，零部件強度的增加可以提高疲勞強度，提高抵抗交變轉(zhuǎn)矩的能力。

(2)從源頭上將壓縮機負荷調(diào)整到所允許的運行區(qū)間能，降低根本上降低能量變化，使作用在電機上的轉(zhuǎn)矩變化幅值盡量減小。

(3)調(diào)整電機自身的飛輪力矩，在電機設(shè)計初期，由壓縮機廠家計算在滿足旋轉(zhuǎn)不均勻度的情況下、在所要求的負荷范圍內(nèi)所需要電動機提供的最大的飛輪力矩值，電動機按最大的飛輪力矩值進行設(shè)計，這樣在所需要的負荷區(qū)間的任何一個工況都可以滿足旋轉(zhuǎn)不均勻度符合要求。

(4)運行時選擇合適的功率因數(shù)。

同步電動機在穩(wěn)定運行時，假定負載轉(zhuǎn)矩是一條平穩(wěn)直線，則同步轉(zhuǎn)矩Me0與負載轉(zhuǎn)矩ML相等，同步電動機的功角為θ0；當負載轉(zhuǎn)矩增加時，功角θ0增大，同步轉(zhuǎn)矩Me0同時增加與負載轉(zhuǎn)矩達成新的平衡；相反當負載轉(zhuǎn)矩減小時，功角為θ0減小，直至同步轉(zhuǎn)矩Me0與負載轉(zhuǎn)矩相等，如圖5(a)所示。

而實際上對于往復壓縮機負載，在每轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)中負載轉(zhuǎn)矩ML是波動的，同步電動機的工作點在功角為附近波動，同步轉(zhuǎn)矩θ0等于平均負載轉(zhuǎn)矩，而瞬時轉(zhuǎn)矩的力學平衡式為

ML=M0+Me+My+Mj

其中M0——空載損耗所引起的力矩

Me——同步電動機電磁力矩

My——同步電動機阻尼繞組所產(chǎn)生的阻尼力矩

Mj——飛輪力矩

同步電動機電磁力矩Me在這個時候也是變化的，當同步轉(zhuǎn)矩M不足以克服負載轉(zhuǎn)矩時，功角會拉大Δθ，Me相應(yīng)加大ΔMe；但實際上由于往復壓縮機的瞬時負載轉(zhuǎn)矩波動的速度很大，而功角的變化本質(zhì)上是電機轉(zhuǎn)子物理位置相對于定子磁場位置的機械角位移；當功率因數(shù)由0.98(超前)調(diào)整到0.9(超前)時，勵磁加大時的轉(zhuǎn)矩關(guān)系由曲線1變?yōu)榍€2，如圖5(b)所示，電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩的平衡點變到了功角θ′0；θ′0<θ0。當功角的變化量同樣為Δθ時，同步轉(zhuǎn)矩的增加量ΔM′e>ΔMe；因此將功率因數(shù)調(diào)整到合適的數(shù)值對動態(tài)轉(zhuǎn)矩變化響應(yīng)變好，調(diào)整功率因數(shù)對于補償瞬時轉(zhuǎn)矩的波動有很大的好處，另外由于同步電機的整步功率Pcx=dPM/dθ，即等于電磁功率對功角的變化率，此數(shù)值越大，電機維持動態(tài)穩(wěn)定的能力越強，當圖中曲線1變?yōu)榍€2時曲線的斜率明顯增加，同步轉(zhuǎn)矩Pcx增大，電機的動態(tài)穩(wěn)定性增強，所以，對于往復壓縮機類典型的不均勻負載，驅(qū)動其運轉(zhuǎn)的同步電機的功率因數(shù)不易太高。

往復壓縮機這種典型的負載類型，對于拖動機來說是一種極為苛刻的負載，在設(shè)計過程中軸徑的選擇、扭振計算、旋轉(zhuǎn)零部件強度設(shè)計等都是需要特殊注意的地方，希望通過本文的介紹，可以對大型往復壓縮機組選擇驅(qū)動同步電動機提供一些參考。