空压机变频节能技术在输气管道中的应用

张 旭 东 胡 贞 朱 延 良 王 鹏 马德龙

（1.中国石油北京天然气管道有限公司；2.大庆油田工程有限公司；3.中国石油管道公司秦皇岛输油气分公司）

空压机变频节能技术在输气管道中的应用

张 旭 东1胡 贞1朱 延 良2王 鹏3马德龙3

（1.中国石油北京天然气管道有限公司；2.大庆油田工程有限公司；3.中国石油管道公司秦皇岛输油气分公司）

输气管道空压机是重点耗能设备。从节能角度出发，分析了空压机变频技术原理、变频器特点、改造的必要性、变频改造的主要内容和改造前后的节能效益对比分析。以某一压气站为例，根据空压机的型号选择相应的变频器，在空压机房进行安装。改造后空压机运行噪音下降，启动平稳，压力控制精度提高。通过72h工变频试验，节电效果明显，具有非常好的社会效益、经济效益和安全生产效益，具有推广应用价值。

输气管道 空压机 变频器 节能

压缩空气作为工业领域第四能源，在各行业均有着广泛的应用。空气压缩机（简称空压机）在长输管道输气压气站、储气库均有应用，并且直接关系到压气站、储气库的安全运行。

1 空压机变频技术原理

压气站和储气库的空压机系统主要为阿特拉斯GA22P 型空压机和英格索兰 ML45D 型空压机，大部分为一开一备，24h运行。变频器的型号分别为英格索兰的 IR5000-22-II、IR5000-45-II、IR5000-132-II，主要根据空压机的功率进行选择。

空 压 机 变 频 器 的 工 作 原 理[1]如 下 ： 空 压 机 与 高效节能控制系统组合后，空压机发给变频器起停信号、加载信号 （PID 调节信号）、变频器返回空压机的故障信号，同时通过压力变送器从压缩空气系统中采集压力信号输入到变频器中，作为空压机加载 PID 调节参考的外部压力模拟反馈。高效节能控制系统通过对空压机进行变频控制，帮助用户实现系统的节能控制。

IR5000 会根据实际的用气量，自动调节电动机的转速以达到稳定输出压力的目的，实现节能。除此之外，使用VFD 还能实现电动机软启动、减少电动机的频繁加卸载、降低电动机噪音等功能。

VFD 的运作可以大致分为两个步骤：

1） 当空压机卸载运行时，变频驱动会以最小转 速 （ fmin=27Hz） 恒 速 运 转 。

2） 当空压机加载运行时，变频驱动会自动调节转速，稳定压力。

IR5000 型高效节能控制系统为一拖二型变频控制系统，所谓一拖二型即通过 IR5000 可以进行两台空压机的工/变频模式的选择切换。这样保证了两台空压机系统的节能空间，提高了整个空压机系统的可靠性。

IR5000 系统主要由两大部分组成：ACS550 型VFD 是该系统组成的主要部件，是 ABB 公司的产品；一拖二工变频控制柜，用来实现两台空压机的工/变频运行模式切换及变频器的故障输出。两部分成套在一个柜体，中间隔板分开，VFD和控制部分为独立的安装空间。

2 变频器的特点

1）变频器控制压缩机与传统控制的压缩机比较，能源节约是最有实际意义的，根据用气量需求来供给的压缩机工况是经济的运行状态。

2）提高压力控制精度。变频控制系统具有精确的压力控制能力。使压缩机的空气压力输出与用户空气系统所需的气量相匹配。变频控制压缩机的输出气量随着电动机转速的改变而改变，有效地提高了工况的质量。

3）延长压缩机的使用寿命。变频器从低频起动压缩机，它的起动加速时间可以调整，从而减少起动时对压缩机的电器部件和机械部件所造成的冲击，增强系统的可靠性，使压缩机的使用寿命延长。

此外，变频控制能够减少机组起动时电流波动，这一波动电流会影响电网和其它设备的用电，变频器能够有效的将起动电流的峰值减少到最低程度。

3 变频改造

改造的 必 要 性[2]如 下 ：

1） 由于采用工频电动机，出力不随机组负荷的调整而发生改变，机组在正常运行和热备工况下运行均存在频繁加卸载现象，机组的加载利用率相对较低，造成机组存在频繁起停现象，有 20%～40%的节能潜力。

2） 该系统的用气压力波动大 （最大压差达到1.9Bar）。

在空压机房内增设 1拖2变频器控制柜，型号分别为 IR5000-22-II、IR5000-45-II、IR5000-132-II， 落地 安装。前后设检修维 护通 道。变频器控制柜由变频器和一拖二工变频控制系统两部分组成。

改造的主要内容包括：

1） 在空压机内控制系统中加装了电器元件（包括风机电源接触器、继电器等），当空压机切换到工频运转时保留原有的星/三角启动。

2） 压力传感器安装在储气罐预留的带截止阀的压力取样点上。压力信号采用两芯屏蔽线（厂家配套供货）穿热镀锌钢管沿地面、电缆槽敷设至变频器控制柜。

3） 配电改造。变频器控制柜至空压机内风扇和控制电源的动力电缆及至空压机的控制电缆均沿电缆槽敷设，局部穿钢管沿地面明敷。

4） 主电缆沿线槽敷设，新建线槽与原建线槽通过直角三通相连，装高相同。线槽内设热镀锌接地扁钢，保证了设备的良好接地。

4 改造前后效益对比分析

为了验证变频改造的节电效果，在空压机变频改造时均加装了电度表，并在一个压气站和两个储气库后进行了工变频测试试验：根据在压气站、储气库进行的 72h 工变频电量对比 （见表1），在 72h内，采用变频运行的用电量较采用工频运行的用电量 分别减少 32% 、 18.4% 和 18.3% 。 根 据 各 站的运行时间推算，每年大约减少用电 55×104kWh，节省 电费约 39.8× 104元，节能 67.6t标煤，减 少二 氧化 碳 排 放 量 168.5t。 6 台 变 频 器投资共 79 余 万 元 ，投资回收期为 1.76 年。

表1 工频与变频运行耗电量对比

5 结论

空压机变频器投入运行后，运行良好，具体优点如下：

1）调节平稳，运行电流明显下降，调节范围宽泛，具有明显的节电效能，达到了预期的收益。

2） 可以实现空压机一台工频运转，一台变频运转，并且可以进行变工频切换，也可以两台同时工频运转（不可以同时变频运转）；这样满足了两台空压机多种情况下的安全备机要求，并最大程度地节省了能耗。

3）恒压控制，高效节能控制系统具有精确的压力控制能力，根据用户系统压力的反馈，自动控制空压机主机马达的转速，提供稳定的压力输出；使空压机输出压力与需求压力相匹配；输出气量随电动机转速调节而改变。

4） 变频控制的空压机的频率调节范围是 27 ～50Hz，大大降低了空压机的能耗，同时也降低了生产成本。

5）因启动平稳，空压机噪音下降，改善了工作环境，空压机频繁启动减少，故障率降低，具有非常好的社会效益、经济效益和安全生产效益。

[1]刘国豪.变频技术在长输管道输油泵机组上的应用[J].油气储运,2012,31(7):543-545.

[2]任卫东.电动机变频节能技术应用总结[J].科学决策，2008(11).

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.009.006

2013-06-28）

张旭东，工程师，2005年硕士毕业于中国石油大学（油气储运工程专业），从事天然气长输管道的节能与计量管理，E-mail： zhangxudong2@petrochina.com.cn，地址 ：北京 市朝阳 区大屯路9号，100101。