联合站空压机节能技术应用

冀旭 （大庆油田有限责任公司第六采油厂机修大队）

联合站空压机节能技术应用

冀旭 （大庆油田有限责任公司第六采油厂机修大队）

联合站空气压缩机主要用于仪表风及清扫管线。空压机设计容量必须满足生产的最大负荷，而实际运行中大部分时间都不会在满载工作状态，压力达到要求后，空压机还在继续工作；压缩气体需卸压后进行工作，浪费了能量。变频技术和无模控制算法的有机结合，降低了空压机输出功率，取得了一定节能效果。

联合站 空压机 节能

1 空压机运行现状

喇嘛甸油田联合站共有螺杆式空压机22套，空压机的电动机功率为22 kW，出气量为15 m3/h，运行压力在0.6 MPa左右，单台压缩机平均年耗电量13.6×104kWh。空压机设计时必须考虑最大容量，而实际工作中大部分时间不是满负荷运行，清扫管线时间占运行时间10%左右，扫线压力0.7 MPa，仪表风运行压力只需0.15 MPa，无效压力消耗较大。空压机加载时压力在0.6～0.8 MPa之间，压力达到要求后，空压机还在继续工作，直到上限时卸载，造成部分电能浪费；压缩气进入气动元件前需要减压至0.15 MPa左右，造成电能极大浪费；卸载时自动关闭进气阀门，同时打开卸载阀泄压，造成电能浪费；另外由于现场采用直接启动或星角切换启动控制方式，电动机起动电流大，影响电网的稳定及其他用电设备正常运行，频繁的启停还降低了设备使用寿命。

2 螺杆式空压机工作原理

空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备，在工业生产中有着极其广泛的应用，在各种行业中它担负着为工厂中所有气动元件、各种气动阀门提供气源的职责。螺杆式空压机是由一对相互平行啮合的阴阳转子在气缸内转动，使转子齿槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化，空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧，实现螺杆式空压机的吸气、压缩和排气的全过程。空压机的进气口和出气口分别位于壳体的两端，阴转子的槽和阳转子的齿被主电动机驱动而旋转。

3 节能改造情况

目前喇二联合站、喇Ⅲ-1联合站共有4台22 kW螺杆式空压机，用于仪表和扫线气源，采用传统的加、卸载供气控制方式。针对喇二联合站、喇Ⅲ-1联合站运行特点，编制一组自适应无模型控制算法。无模型控制算法是一种全新的控制算法，它与传统的控制算法最大的不同就是无需建立被控对象的数学模型，即不依据被控对象的数学模型，而是依据被控对象对控制律的控制功能的需求。它完全打破了PID线性组合的框架，应用功能模块组合的思想，所形成的无模型控制器是一个非线性控制器[1]。

空压机自己带有一个控制器（用来加/卸载），一般的变频改造用其输出的信号做闭环。该信号是压力上/下限值的输出，不是实时压力的输出。因为模/数转换要消费时间，控制器计算上/下限也要消费时间，所以数据交换慢。我们的改造不用这个输出，直接取传感器的压力信号（4～20 mA），采用R485通讯方式传输，提高控制响应速度。R-485接口信号电平比R-232的低，就不易损坏接口电路的芯片，R-485的数据最高传输速率为10 Mbps，RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模能力增强，即抗噪声干扰性好。数据交换较一般方式快5～10倍，保证控制响应速度。

3.1 无速度传感器矢量控制技术

矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量。采用矢量控制技术，使电动机在低速运转时提供更大的转矩。通过调整电动机转速来调整气体流量，电动机输出的功率与流量需求基本上成正比关系，始终保持电动机高效工作。矢量控制精度达到0.2%，保证闭环控制运行的精确度。

3.2 设定空压机工作压力范围

使压力区间保持在0.02 MPa之内，近乎恒压运行，当用气量减小时，空压机自动降低输出功率，加载幅度灵活控制。降低了电动机输入功率，节约了电能，达到了既满足生产运行需求，又实现节能的目的[2]。

4 改造效果分析

目前喇二联合站、喇Ⅲ-1联合站4台22 kW螺杆式空压机安装NAD-K-220L型空压机优化节能装置。改造后，压缩机组的供气量与系统所需量动态匹配，压缩机电动机转速会随着系统用气量的不同而进行调节，避免了电动机空转以及频繁的加卸载所带来的能量损耗，使电动机的输入功率大大降低，节电效果显著。从目前运行情况来看，空压机优化节能装置在工频、变频运行的情况下均能顺利启动，装置提供的各项功能可以正常使用。安装后，我们对空压机的运行情况进行了跟踪测试。测量数据见表1、表2。

表1 喇二联合站空压机测试数据

表2 喇Ⅲ-1联合站空压机测试数据

1）变频控制系统具有精确的压力控制能力。通过使空压机的空气压力输出与用户空气系统所需的气量相匹配，可以使管网的系统压力保持恒定，有效地提高了供气的质量。输出频率精确到0.01 Hz，能够精确地响应实际压力的变化，压力控制精度达到0.01 MPa。高精度的控制系统可减少电能损耗。

2）减少空压机的启动次数并且降低启动电流，运行电流降低30%，延长设备的使用寿命。

3）压力传感器与控制器的传输方式采用R485通讯方式，数据交换比常规A/D转换方式快5～10倍。

4）变频器有软启动功能，可减少起动时对压缩机和机械部件所造成的冲击，增强了系统可靠性，延长了压缩机使用寿命并减少了空压机启动对电网的冲击[3]。

5 结语

1）变频技术和无模型控制算法的组合应用，优化了空压机的各项运行参数，降低了空压机输出功率，取得一定节能效果。

2）无模型控制技术是一类兼有现代控制理论与经典PID的优点，不依赖被控对象的数学模型，彻底解决了普通变频改造存在的问题，螺杆式空压机无模型控制控制效果良好，系统运行稳定。

3）空压机节能改造符合当前节能减排的需要，实现了精细节能，挖掘了设备的节能潜力。

[1]周华生.空气机供风系统节能改造[J].机械工程师,2009(5).

[2]张艳君,王晓慧.浅谈空气压缩机的选择及节能措施[J].甘肃科技,2008.24(8).

[3]尚云莉,涂怀鹏,孙今朝.螺杆式空压机在西气东输压气站场的应用[J].油气储运,2010(4).

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.07.008

冀旭，助理工程师，现从事生产管理工作，E-mail：qiaojinpeng@petrochina.com.cn，地址：大庆油田有限责任公司第六采油厂机修大队,163114。