空压机控制系统变频改造技术分析

叶仕生 曾强 陈康成 李宝强 李晓宇

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司 广东珠海 518101)

1 项目介绍

该项目主要针对某海上天然气作业平台的空压机，其型号为英格索兰空压机MH215，所配备的电动机功率偏大，达215 kW。其启动方法为（Y-△）起动方式。该空压机的检测点主要包含压缩空气出口压力、温度、滑油压力、滑油温度。该空压机具备两点式控制（加载、卸载控制）和智能控制器集中控制两种控制方式。在智能控制器启动之后，线圈KM1、KM3 就会触点闭合进行运动，电动机Y 形起动，10 s 后KM3 会失电，线圈KM2 触点闭合，此时空压机电机由星形转向三角形运行。断油电磁阀随即得电打开，润滑油在空气压力作用下喷入压缩机机头，此时的空压机呈空载运行。如果工艺用户管网压力低于设定值，受步进电动机控制的进气蝶阀会逐渐打开，则空压机开始由空载运行模式切换至加载运行模式。当工艺用户管网的压力高于设定上限时，受步进电动机控制的进气蝶阀会逐渐打开，保持低流量自循环卸载运行，10 min后如果工艺用户管网压力仍未低于设定值则停止运行。

图1 是以英格索兰螺杆空压机MH215 的电控图，图中FM为冷却风扇电机，MM为主机电机。

图1 原空压机电控原理图

该海上天然气作业平台的空压机耗能系统运行效率比较低，总体仅为50%～70%左右，这是因为：（1）项目建造阶段空压机选型时考虑到今后改扩建的需要，选择了较大用气裕量，使得空压机运行时进气蝶阀常处于关闭状态（空压机卸载运行），降低空压机的运行效率；（2）定频螺杆空压机是处于恒速运转状态，但是生产系统的气量需求却处于变动状态，当用气需求减小时，空压机便会卸载运行。因此，这样空压机就会在停机、空载、加载间频繁切换，且该空压机的启动方式Y-△启动，瞬时加载和卸载，这使启动电流较大（4～7倍）[1]，不但引起电源电压波动，而且导致接触器频繁开闭，导致触点出现烧焦等故障，同时也会使压缩气源产生波动，加速机组磨损，降低机组使用寿命。

众所周知，螺杆空压机的运行状态调节，主要表现为机组排气量的调节，而空压机的排气量正比于转速[2]。螺杆空压机的节能调节归根结底就是电机的速度调节问题。中小型交流异步电机现阶段最佳调速方式就是变频调速。

2 英格索兰空压机MH215机组性能分析

2.1 从压力关系分析定频空压机的能耗

空压机在加载时对供气用户管网供气，管网压力上升，而卸载和停机时停止供气，工艺用户管网压力下降，保持其压力在Pmin～Pmax之间。Pmin是指能保证工艺用户进行正常工作的最低压力设定值；Pmax则相反，是最高压力设定值。此两者定量关系如下：

式（1）中，δ是一个百分比，一般设定在10%～25%之间。

使用变频器进行调速，可以对空压机的供气量进行持续进行调节，可以保证工艺管网压力保持在最低压力设定值Pmin。

现场实验和测试表明，采用加载、卸载和停机定频控制模式的空压机，其能源损耗主要体现在如下两个方面。

（1）压缩空气超过Pmin所损耗的能量。在原采用加载、卸载和停机定频控制模式的作用下，工艺管网压力即使达到Pmin后，也会继续上升直至Pmax。在压力过度上升必然是一种能力损耗。除此之外，高于Pmax的压缩空气只有经过减压阀减压后才能真正进入气动元件发挥功效中，这也是能源的浪费。

（2）卸载调压的控制模式不合理所造成的能量消耗。在工艺管网压力达到Pmax后，为了防止空压机频繁启停，空压机采取以下调节方法进行降压：先是关闭进气蝶阀，确保空压机在运转而没有压力输出。但这一做法有利也有弊：其利在于避免空压机频繁启停，造成对电网的冲击以及触点的损坏；其弊处在于会造成电源过渡损耗、资源浪费。因为，关闭进气蝶阀后的空压机仍在转动，甚至占据了一半以上的时间。

2.2 从流量关系分析定频空压机的能耗

在空压机正常使用范围内，空压机的排气量Q与转速n成线性正比关系[3]。排量Q随着转速n的上升而增加，随着转速n下降而减少。当工艺系统用气量小于额定排量时，其供气压力将会上升；当压力上升至1 MPa 时，控制器关闭进气碟阀，这时空压机卸载运行；在进入卸载状态后，因工艺用户仍在用气，公用气储罐压力将会缓慢降低，其压力下降速率和再次上升速率取决于两个因素。

（1）工艺系统用气需求量Q2与空压机的额定排量Q1的比值。常用λ表示。

式（2）中，λ越小，则储罐压力下降越慢，即空压机卸载/停机状态时间越长；λ越大，则储罐压力下降越快，即空压机卸载/停机后很快会进入加载状态；当λ=1时，则空压机将会直处于加载运行状态。

（2）公用气储罐的容积。公用气储罐容积越大，其压力下降以及压力再次上升的速率越慢，机组加卸载切换的频率也越低，则空压机因频繁加卸载所带来的额外功率耗损也能得到降低。

3 变频化改造后空压机控制原理分析

电机转速与电源频率的关系如下[4]。

式（3）中，f为电源频率；p为电机绕组极对数；s为电机的转差率。

对于电机来说p是定值，s不变，因此n和f是线性关系，电机的转速随着电源频率f改变而改变。因为螺杆空压机的排气量Q与转速n是正比，故

式（4）中，Qf为变频排气量；Qe为额定排气量；nf为变频转速；ne为额定转速。

因此，要想改变排气量，可从改变电源频率着手，改变电源频率即可改变空压机运行转速达到改变排气量的目的。工频螺杆空压机变频化改造，就是根据海上作业平台工艺系统的期望压力与空压机供气系统公用气罐的实时压力的差值，利用变频器进行输出压力自动调节。当公用气罐实时压力超过用户工艺系统的期望压力时，变频器减少输出频率，反之，则增大输出频率；而当公用气罐的实时压力等于工艺系统期望压力时，维持变频器输出频率。

4 空压机变频改造实施

4.1 变频改造的技术方案

变频改造总体方案具体见图2，利用变频器输出可调频率的电源作为空压机组的电源，就可以对空压机输出转速进行控制。公用气罐的压力信号通过变送器转变为电信号，输送给变频器调节器，与设定压力值进行作差，根据差值按PID调节控制模式运算，改变变频器的输出频率，控制电机转速，使得实际供气压力维持在设定值附近。

图2 空压机变频调速原理

此外，空压机变频改造后，空压机启动过程，即从停机到转速平稳，可实现软启动，避免启动电流过大，产生大电流冲击。

4.2 变频器控制原理

变频器控制原理具体见图3，根据该海上作业平台工艺系统实际用气情况，控制器ICU5000S设定压力为8 kg/cm2。控制器ICU5000S 通电后，可以通过ON、OFF 接点实现启动、停止功能；并通过INV-RUN、CM5接点连接、启动变频器。

图3 变频器控制原理图

控制器ICU5000S通过+24 V接点提供用户公用气罐压力传感器电源，压力传感器通过IN2 接点传回用户公用气罐压力的变化（4～20 mA 信号）给控制器ICU5000S；控制器ICU5000S通过运算后从OUT和0V1接点输出频率控制信号，亦即改变控制变频器的频率输出，实现压缩机转速的改变，使用户公用气罐压力维持恒定。

在变频控制状态下，系统异常时，ALM、CM1 接点接通，其故障指示灯亮；变频器异常也可以通过INV、COM 接点显示在ICU5000S 面盘上。控制器ICU5000S故障信号可由RESET、COM 接点之间的复位按钮复位。

4.3 风冷系统的变频改造

工频空压机在变频改造后，一般都在工频以下运行，这时空压机排气量会低于额定气量，所得热负荷也会较之工频运行时的热负荷有所降低，如定速风机不进行改造，则空压机润滑油可能会过度冷却，甚至产生冷凝水导致润滑油发生乳化。

另一方面，从减少能量损耗的角度来分析，对空压机风冷系统也进行变频改造，其节能效果也更加显著。因为根据冷却风机的负载特性，空压机风冷系统的冷却风扇的功率正比于转速的3 次方，说明风机转速对电功率的影响更深。

因此，空压机变频改造时，应将风冷系统同时进行改造。

4.4 变频器选择

选择主机电机变频器时，依据空压机的转矩特性，则应优先选择直接转矩型或者矢量型变频器，且容量略大于空压机的轴功率。而风冷系统电机变频器考虑选择V/F 型变频器，并且与机头温度变送器构成闭环控制。

此外，应该在变频器输出端增加一个电抗器，以改善电机的运行状况。在公用气罐安装压力变送器，与主变频器形成压力闭环控制。

4.5 变频器输出频率上下限

从空压机的压缩机的特性来说，当运行频率低于工频/额定频率fe的45%时，其效率下降明显[5]。

从电机特性来分析，由于电机恒转矩特性，电机在低于工频/额定频率fe在30%以下运行时，其电流并未减少，而是仍然保持在工频/额定电流附近，甚至可能会更大[6-7]。而且电机转速过低，电机自身散热效果也不好。

综合考虑空压机的压缩机和电机两个方面原因，变频器输出频率的调节区间设定在工频/额定频率45%～100%之间较为合理。因此，变频器设定频率下限为25 Hz，上限为50 Hz。

5 结语

变频调速技术是现代设备控制技术的主要发展方向，因其显著的调速性能、节能效果而得到越来越广泛的运用。此次空压机变频改造还有其他优点。

5.1 延长机组寿命

经过电路优化设计以及参数设置，实时跟踪工艺用户系统压力，持续对电机转速进行调整，稳定空压机的输出压力。从根本上改善机组的运行状况，同时减少了负荷变化，延长了主机和进气系统组件的工作寿命。

5.2 降低能力损耗

空压机输出稳定的压力，减少了机组卸载和停机的时间，从而减少了能源损耗；同时可以适当降低机组的设定压力，减少因压力过高而造成的能源损耗。

5.3 实现软启动

实现电机软启动，使得电机起动电流在额定电流之内，不再像Y-△起动那样对电气元件和机械部件具有强大的冲击，延长了压缩机寿命及其维保周期，避免空压机主接触器频繁启闭，防止触点烧焦，提高了接触器寿命。

5.4 稳定气温油温

机组排气压力较为稳定，温度趋于恒温，提高了工艺系统用气品质。同时，机组的冷却系统风机也能对油温的情况进行调速控制，延长了压缩机油的使用寿命，节省换油成本。

5.5 降低机组噪声

由于降低了电机转速，空压机的噪音较之工频运行时的噪音明显减小，同时因为卸载的时间也得到减少，卸载放空的噪音大为降低。

5.6 自诊断功能完善

改造后的变频控制系统内置直流电抗器，可以降低电源的谐波干扰。且该系统具备较为完善安全保护和故障状态诊断功能，保证天然气作业工艺生产的供气需求。