变频器调速和恒压供气应用在震源空压机中的节能解析

祁长春

(中海油服物探事业部物探采集作业公司 天津300451)

变频器调速和恒压供气应用在震源空压机中的节能解析

祁长春

(中海油服物探事业部物探采集作业公司 天津300451)

对震源空压机的主要能耗问题进行了分析，阐述了应用变频调速和恒压供气的震源空压机的原理、技术特点，并对比了没有应用变频调速的震源空压机的节能效果。针对以往震源空压机在供气系统中存在的缺点，新型震源空压机应用PLC与触摸屏组合作为可视化控制系统与变频器调速相结合的自动恒压供气系统，使震源空压机电动机组可以根据外部负载的变化调节转速，震源空压机实现软启动，减少了设备损耗，保障了电网使用安全，有效节约了电能。

震源空压机 变频器 恒压供气 能耗 节能 鱼式阀 工频模式 变频模式

震源空压机作为石油勘探中最常用的震源提供设备，负责提供气源，是地震采集过程中的关键性设备，故其运行的好坏直接影响到地震采集资料的精确度。同时，作为长期运转设备，其每年的电能消耗也相当大。针对公司节能减排的需求，结合变频器的诸多优点，当前应用到中海油田服务股份有限公司的是最新一代具有自动调速与恒压供气相结合的震源空压机，由1台螺杆机、1台往复式活塞机和1台大功率变频电机组成。螺杆机将输出的压缩空气(1级)压送到活塞机，活塞机再将1级压缩空气逐级压缩(2级→3级→4级)至2,000/3,000,psi作为输出压力，最终输送给震源枪阵作为地震数据采集的动力源。

1 震源空压机能耗分析

震源空压机工作的最基本条件是气体的流量和压力，供气压力受船速和震源枪阵工况等因素波动比较频繁，所以震源空压机频繁加载、卸载。在加载、卸载过程中使压缩气体的压力在上限和下限之间来回变化。下限是最低压力值，它是保证震源枪阵工作状态下的最低压力。一般情况下，Pmax与Pmin之间的关系可以用下式表示：

Pmax＝(1＋δ)Pmin

式中，δ是一个百分数，其数值大致在15%,～30%,。

因此震源空压机的主要能耗集中在加载和卸载过程中。

1.1 加载时的电能消耗

震源空压机动力来自交流异步电动机，电动机的能量来自电能，电动机与电能的关系可以通过转速公式了解：

n＝60,f(1－s)/p

式中，n代表电动机转速；f代表电动机频率；p代表磁极对数；s代表转差率。

加载时电动机经星-三角启动，从静态启动，十几秒后才能达到额定转速的工作状态，在启动过程中，从转速0,r/min至额定转速1,470,r/min需时约十几秒，电动机和启动开关及导线要承受于电动机近7倍的额定电流。当转速达到额定转速，压力达到工作压力，即在鱼式阀全部关闭状态时达到工作压力，负载率约为66%,，此时，表面上看电流是减小了，实际上无功率在增大，用电量＝有功＋无功；另一方面，考虑到震源空压机时常在满负荷的状态下长时间运行，因此，在设计电动机拖动功率时余量一般要偏大，其能耗就更不能忽视了。在加压过程中，一定要向外界释放更多的热量，从而导致电能损失；当供气量多于用气量时，其多余的气量经过鱼式阀泄到大气，这一过程同样是一个耗能过程。

1.2 卸载时的电能消耗(见图1)

卸载时，震源空压机通过打开鱼式阀，使电动机处于轻载状态，同时将油气分离筒内多余的压缩气通过卸载阀放空。这种调节方法造成很大的能量浪费。经估算，在卸载时间所占比例不大的工况下，震源空压机卸载时的能耗约占震源空压机满载运行时的10%～25%,。换言之，震源空压机20%,左右的时间处于空载状态，在做无用功。

图1 震源空压机主要能耗分析图表Fig.1 Chart of energy consumption of the seismic compressor

2 震源空压机应用变频器与恒压供气节能分析

针对震源空压机主要能耗的两个方面，采用变频器控制震源空压机的转速从而达到节能是一种较为科学的节能控制方式。

震源空压机采用变频启动，此时把管网压力作为控制对象，即将满足生产设备要求的最低压力作为设定压力值。压力传感器将储气罐内的压力转变为电信号输送给鱼式阀，鱼式阀根据压力差值的大小按既定的控制模式进行运算，产生控制信号输送给变频器调速，通过变频器控制电动机的工作频率和转速，使实际压力始终接近设定压力值，保持了供气压力的稳定，从而消除震源空压机的加载、卸载运行，如图2、3所示。

图2 震源空压机变频器自动调速与恒压供气系统图Fig.2Automatic speed regulation of frequency converter and constant air supply system

图3 震源空压机鱼式阀原理图Fig.3Schematic diagram of pressure regulator valve of the seismic compressor

震源空压机变频运行时保持储气罐压力稳定，压力波动范围保持在±0.2,bar之间。由于以往震源空压机的拖动电机本身不能调速，因此就不能直接使用压力或流量的变动来实现降速调节输出功率的匹配，导致用气量少的时候电动机仍然要空载运行，电能浪费巨大。由于震源空压机不能排除在满负载状态下长时间运行的可能性，所以只能按最大需求来决定电动机容量，故电动机设计容量一般偏大。单电动机拖动系统不能根据负载轻重连续调节，造成“大马拉小车”的现象。采用变频调速后，可以方便地进行连续调节，同时保持压力、流量和温度等参数的稳定，从而大大提高了压缩机的工作性能，解决了“大马拉小车”现象。

根据震源空压机变频运行特性，经过理论公式论证：

Q1/Q2＝n1/n2

H1/H2＝(n1/n2)

P1/P2＝(n1/n2)³

式中，Q表示震源空压机供气流量；H表示供气管路压力；P表示电动机消耗的功率；n表示震源空压机转速。

由上式可知，当电动机转速降至额定转速的80%,时，则震源空压机供给管路流量降为(80%)的平方，电动机消耗功率则降为(80%,)的立方，即节能51.2%,，扣除电动机机械损耗和电动机铜损、铁损等，其节能效率在40%,左右。

3 震源空压机工频模式和变频模式对比解析及实例分析

由于每个船队震源空压机型号不同，所属的发电机型号也不尽相同，所以能耗及节能没有同比性，只有类比性(应用与没应用变频器机型)。本着震源空压机能耗分析及节能效果的科学性、客观性、准确性，将海洋石油721船队的震源空压机在工频模式和变频模式工作状况下做横向比较，原理如图4、5所示。其中，工频模式即震源空压机频率恒定、转速恒定。转速不随工作压力变化而变化，供气压力大于工作压力时，鱼式阀打开，多余的气体泄到大气中，压力不够时备用机组启动。工频模式的工作原理和其他型号不是变频调速的震源空压机工作原理相同。变频模式即震源空压机的转速随工作压力变化成正比变化。

工频模式即震源空压机设置为手动模式启动。启动后，在15,s内电动机由750转加速到1,500转(备注：传统震源空压机电动机转速由0转速加速到额定转速)。输出压力在几分钟内达到设定压力值138,bar(2,000,Psi)，达到工作压力后，压力上下波动靠鱼式阀通过管网上的压力传感器反馈的信号自动调节鱼翅阀的开度，多余的气体泄到大气中。此时电动机恒速运转，消耗的功率依据公式得出是931,kW (注：电动机设定启动时是额定功率的98.6%)。

图5 变频模式加载/卸载原理图Fig.5Schematic diagram of loading/unloading under frequency conversion

变频模式即震源空压机设置为自动模式启动/运转，启动后，在15,s内电动机由750转加速到1,500转，输出压力在几分钟内达到设定压力值138,bar (2,000,Psi)，达到工作压力后，压力上下波动，首先鱼式阀通过管网上的压力传感器反馈的信号100%,关闭鱼翅阀的开度，同时变频器根据供气管网上的反馈信号自动调节转速，转速运转范围在750～1,500,rpm间随意切换，如果一台机组达不到工作压力，备用机组启动。此时电动机自动调节，消耗的功率根据公式得出为486.4,kW。消耗的功率根据公式P1/P2＝(n1/n2)³得出理论功率值486.4,kW。

工频模式下恒定转速为1,500,rpm，达到工作压力后鱼式阀打开，多余气体泄到大气中；变频模式下，转速随负载成正比变化，同时鱼式阀保持100%,关闭。工频模式下，频率恒定为50,Hz，功率为934.47,kW，与理论值931,kW几乎一致；而变频模式下，频率随负载成正比变化。

结合以上理论论证和实例解析，应用变频器调速与恒压供气的震源空压机要比应用鱼式阀调节的震源空压机节能。具体变频模式比工频模式节约多少能耗，根据海洋石油721船主发电机的油耗推导论证。

主发电机型号：W9L32；

额定功率：4,500,kW；

额定转速：750,rpm；

震源空压机型号：LMF51S/138-207-E50；

变频器型号：西门子S120/LC-1000-12P；

电动机型号：ABB M3LP450LC4，额定功率为950,kW，额定转速为1,500,rpm；

鱼式阀型号：DVC 6200 FS-67CFR-600。

主发电机出厂时燃油消耗的试验数据是ISO,15550标准效验的数据，在负荷85%,时的油耗为731,kg/h。

P×85%,＝4,500×85%,＝3,825,kW

每千瓦小时油耗＝731/3,825＝0.191,kg/kW．h

之前得出震源空压机变频模式比工频模式功率节省40%,，即950×40%＝380,kW；每小时节省油耗为380×0.191＝72.58,kg/kW·h＝0.072,58,t/kW·h。

图7 变频/工频转速与时间实效图Fig.7 Actual effect of rotate speed and time under power frequency mode and frequency conversion mode

图8 变频/工频转速与功率实效图Fig.8 Actual effect of rotate speed and power under power frequency mode and frequency conversion mode

图9 工频模式和变频模式能耗对比图表Fig.9Chart of energy consumption comparison between power frequency mode and frequency conversion mode

综上所述，应用变频调速和恒压供气的震源空压机在节油方面(见图7、8、9)，每小时大约节油0.072,58,t，每天平均运转10,h，每月大约节省21,t燃油，按目前燃油价格5,000 元/t计，每月节省大约10.5万，直接经济效益相当可观。间接经济效益方面，震源空压机启动是通过变频器启动，实现了软启动，启动、加载时电流上升更加平稳，降低了启动冲击电流和启动瞬间给震源空压机带来的机械冲击；震源空压机根据用气量自动调节电动机转速，电动机运转频率低，机械转动噪声变小，轴承磨损相对减小，设备维护量变小，延长了震源空压机使用寿命，同时也节约了设备检修和备件消耗费用，随之保养成本降低。

4 结 语

当前设备更新换代正在加速，先进设备仅仅是提高生产效益、增强竞争能力的一个要素。设备在使用中会遇到许多问题，需要我们平时总结经验，只有这样才能将先进的技术设备转化为强劲的生产力。更好地操作管理系统将带来管理模式的变化和工作效率的提升，作为管理者和操作者，必须更好、更快地熟悉和掌握它。■

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The Energy-saving Analysis of Seismic Compressor in Application of Variable Frequency and Constant Pressure Air Supply

QI Changchun
(Geophysical Department of COSL，Tianjin 300451，China)

The paper mainly focuses on major energy consumption of seismic air compressors．It elaborates the principles and technical characteristics during the application of frequency control in motor speed adjustment and the constant pressure air supply mode of the compressors．It also makes comparison with the traditional method．Being different from the traditional model，the new model adopts frequency control mode which is a kind of motor speed control system and gives out a constant pressure air supply for the seismic survey regardless the weather is rough or not．With a soft start，it reduces the running time of the parts of all compressors；ensures the security of the power grid，gives the most effective way on the usage of electricity．The effect of economizing energy after the application of variable frequency regulating velocity was appraised with the normal statistic data.

seismic compressor；frequency converter；constant pressure air feeding；energy consumption；energysaving；pressure regulator valve；power frequency mode；variable frequency mode

P624

：A

：1006-8945(2016)10-0099-04

2016-09-02