張 旭 東 胡 貞 朱 延 良 王 鵬 馬德龍

（1.中國石油北京天然氣管道有限公司；2.大慶油田工程有限公司；3.中國石油管道公司秦皇島輸油氣分公司）

空壓機(jī)變頻節(jié)能技術(shù)在輸氣管道中的應(yīng)用

張 旭 東1胡 貞1朱 延 良2王 鵬3馬德龍3

（1.中國石油北京天然氣管道有限公司；2.大慶油田工程有限公司；3.中國石油管道公司秦皇島輸油氣分公司）

輸氣管道空壓機(jī)是重點(diǎn)耗能設(shè)備。從節(jié)能角度出發(fā)，分析了空壓機(jī)變頻技術(shù)原理、變頻器特點(diǎn)、改造的必要性、變頻改造的主要內(nèi)容和改造前后的節(jié)能效益對(duì)比分析。以某一壓氣站為例，根據(jù)空壓機(jī)的型號(hào)選擇相應(yīng)的變頻器，在空壓機(jī)房進(jìn)行安裝。改造后空壓機(jī)運(yùn)行噪音下降，啟動(dòng)平穩(wěn)，壓力控制精度提高。通過72h工變頻試驗(yàn)，節(jié)電效果明顯，具有非常好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和安全生產(chǎn)效益，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

輸氣管道 空壓機(jī) 變頻器 節(jié)能

壓縮空氣作為工業(yè)領(lǐng)域第四能源，在各行業(yè)均有著廣泛的應(yīng)用。空氣壓縮機(jī)（簡(jiǎn)稱空壓機(jī)）在長(zhǎng)輸管道輸氣壓氣站、儲(chǔ)氣庫均有應(yīng)用，并且直接關(guān)系到壓氣站、儲(chǔ)氣庫的安全運(yùn)行。

1 空壓機(jī)變頻技術(shù)原理

壓氣站和儲(chǔ)氣庫的空壓機(jī)系統(tǒng)主要為阿特拉斯GA22P 型空壓機(jī)和英格索蘭 ML45D 型空壓機(jī)，大部分為一開一備，24h運(yùn)行。變頻器的型號(hào)分別為英格索蘭的 IR5000-22-II、IR5000-45-II、IR5000-132-II，主要根據(jù)空壓機(jī)的功率進(jìn)行選擇。

空 壓 機(jī) 變 頻 器 的 工 作 原 理[1]如 下 ： 空 壓 機(jī) 與 高效節(jié)能控制系統(tǒng)組合后，空壓機(jī)發(fā)給變頻器起停信號(hào)、加載信號(hào) （PID 調(diào)節(jié)信號(hào)）、變頻器返回空壓機(jī)的故障信號(hào)，同時(shí)通過壓力變送器從壓縮空氣系統(tǒng)中采集壓力信號(hào)輸入到變頻器中，作為空壓機(jī)加載 PID 調(diào)節(jié)參考的外部壓力模擬反饋。高效節(jié)能控制系統(tǒng)通過對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行變頻控制，幫助用戶實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能控制。

IR5000 會(huì)根據(jù)實(shí)際的用氣量，自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以達(dá)到穩(wěn)定輸出壓力的目的，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。除此之外，使用VFD 還能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)、減少電動(dòng)機(jī)的頻繁加卸載、降低電動(dòng)機(jī)噪音等功能。

VFD 的運(yùn)作可以大致分為兩個(gè)步驟：

1） 當(dāng)空壓機(jī)卸載運(yùn)行時(shí)，變頻驅(qū)動(dòng)會(huì)以最小轉(zhuǎn) 速 （ fmin=27Hz） 恒 速 運(yùn) 轉(zhuǎn) 。

2） 當(dāng)空壓機(jī)加載運(yùn)行時(shí)，變頻驅(qū)動(dòng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定壓力。

IR5000 型高效節(jié)能控制系統(tǒng)為一拖二型變頻控制系統(tǒng)，所謂一拖二型即通過 IR5000 可以進(jìn)行兩臺(tái)空壓機(jī)的工/變頻模式的選擇切換。這樣保證了兩臺(tái)空壓機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能空間，提高了整個(gè)空壓機(jī)系統(tǒng)的可靠性。

IR5000 系統(tǒng)主要由兩大部分組成：ACS550 型VFD 是該系統(tǒng)組成的主要部件，是 ABB 公司的產(chǎn)品；一拖二工變頻控制柜，用來實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)空壓機(jī)的工/變頻運(yùn)行模式切換及變頻器的故障輸出。兩部分成套在一個(gè)柜體，中間隔板分開，VFD和控制部分為獨(dú)立的安裝空間。

2 變頻器的特點(diǎn)

1）變頻器控制壓縮機(jī)與傳統(tǒng)控制的壓縮機(jī)比較，能源節(jié)約是最有實(shí)際意義的，根據(jù)用氣量需求來供給的壓縮機(jī)工況是經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)。

2）提高壓力控制精度。變頻控制系統(tǒng)具有精確的壓力控制能力。使壓縮機(jī)的空氣壓力輸出與用戶空氣系統(tǒng)所需的氣量相匹配。變頻控制壓縮機(jī)的輸出氣量隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變，有效地提高了工況的質(zhì)量。

3）延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命。變頻器從低頻起動(dòng)壓縮機(jī)，它的起動(dòng)加速時(shí)間可以調(diào)整，從而減少起動(dòng)時(shí)對(duì)壓縮機(jī)的電器部件和機(jī)械部件所造成的沖擊，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，使壓縮機(jī)的使用壽命延長(zhǎng)。

此外，變頻控制能夠減少機(jī)組起動(dòng)時(shí)電流波動(dòng)，這一波動(dòng)電流會(huì)影響電網(wǎng)和其它設(shè)備的用電，變頻器能夠有效的將起動(dòng)電流的峰值減少到最低程度。

3 變頻改造

改造的 必 要 性[2]如 下 ：

1） 由于采用工頻電動(dòng)機(jī)，出力不隨機(jī)組負(fù)荷的調(diào)整而發(fā)生改變，機(jī)組在正常運(yùn)行和熱備工況下運(yùn)行均存在頻繁加卸載現(xiàn)象，機(jī)組的加載利用率相對(duì)較低，造成機(jī)組存在頻繁起停現(xiàn)象，有 20%～40%的節(jié)能潛力。

2） 該系統(tǒng)的用氣壓力波動(dòng)大 （最大壓差達(dá)到1.9Bar）。

在空壓機(jī)房?jī)?nèi)增設(shè) 1拖2變頻器控制柜，型號(hào)分別為 IR5000-22-II、IR5000-45-II、IR5000-132-II， 落地 安裝。前后設(shè)檢修維 護(hù)通 道。變頻器控制柜由變頻器和一拖二工變頻控制系統(tǒng)兩部分組成。

改造的主要內(nèi)容包括：

1） 在空壓機(jī)內(nèi)控制系統(tǒng)中加裝了電器元件（包括風(fēng)機(jī)電源接觸器、繼電器等），當(dāng)空壓機(jī)切換到工頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)保留原有的星/三角啟動(dòng)。

2） 壓力傳感器安裝在儲(chǔ)氣罐預(yù)留的帶截止閥的壓力取樣點(diǎn)上。壓力信號(hào)采用兩芯屏蔽線（廠家配套供貨）穿熱鍍鋅鋼管沿地面、電纜槽敷設(shè)至變頻器控制柜。

3） 配電改造。變頻器控制柜至空壓機(jī)內(nèi)風(fēng)扇和控制電源的動(dòng)力電纜及至空壓機(jī)的控制電纜均沿電纜槽敷設(shè)，局部穿鋼管沿地面明敷。

4） 主電纜沿線槽敷設(shè)，新建線槽與原建線槽通過直角三通相連，裝高相同。線槽內(nèi)設(shè)熱鍍鋅接地扁鋼，保證了設(shè)備的良好接地。

4 改造前后效益對(duì)比分析

為了驗(yàn)證變頻改造的節(jié)電效果，在空壓機(jī)變頻改造時(shí)均加裝了電度表，并在一個(gè)壓氣站和兩個(gè)儲(chǔ)氣庫后進(jìn)行了工變頻測(cè)試試驗(yàn)：根據(jù)在壓氣站、儲(chǔ)氣庫進(jìn)行的 72h 工變頻電量對(duì)比 （見表1），在 72h內(nèi)，采用變頻運(yùn)行的用電量較采用工頻運(yùn)行的用電量 分別減少 32% 、 18.4% 和 18.3% 。 根 據(jù) 各 站的運(yùn)行時(shí)間推算，每年大約減少用電 55×104kWh，節(jié)省 電費(fèi)約 39.8× 104元，節(jié)能 67.6t標(biāo)煤，減 少二 氧化 碳 排 放 量 168.5t。 6 臺(tái) 變 頻 器投資共 79 余 萬 元 ，投資回收期為 1.76 年。

表1 工頻與變頻運(yùn)行耗電量對(duì)比

5 結(jié)論

空壓機(jī)變頻器投入運(yùn)行后，運(yùn)行良好，具體優(yōu)點(diǎn)如下：

1）調(diào)節(jié)平穩(wěn)，運(yùn)行電流明顯下降，調(diào)節(jié)范圍寬泛，具有明顯的節(jié)電效能，達(dá)到了預(yù)期的收益。

2） 可以實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)一臺(tái)工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，一臺(tái)變頻運(yùn)轉(zhuǎn)，并且可以進(jìn)行變工頻切換，也可以兩臺(tái)同時(shí)工頻運(yùn)轉(zhuǎn)（不可以同時(shí)變頻運(yùn)轉(zhuǎn)）；這樣滿足了兩臺(tái)空壓機(jī)多種情況下的安全備機(jī)要求，并最大程度地節(jié)省了能耗。

3）恒壓控制，高效節(jié)能控制系統(tǒng)具有精確的壓力控制能力，根據(jù)用戶系統(tǒng)壓力的反饋，自動(dòng)控制空壓機(jī)主機(jī)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，提供穩(wěn)定的壓力輸出；使空壓機(jī)輸出壓力與需求壓力相匹配；輸出氣量隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)而改變。

4） 變頻控制的空壓機(jī)的頻率調(diào)節(jié)范圍是 27 ～50Hz，大大降低了空壓機(jī)的能耗，同時(shí)也降低了生產(chǎn)成本。

5）因啟動(dòng)平穩(wěn)，空壓機(jī)噪音下降，改善了工作環(huán)境，空壓機(jī)頻繁啟動(dòng)減少，故障率降低，具有非常好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和安全生產(chǎn)效益。

[1]劉國豪.變頻技術(shù)在長(zhǎng)輸管道輸油泵機(jī)組上的應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2012,31(7):543-545.

[2]任衛(wèi)東.電動(dòng)機(jī)變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用總結(jié)[J].科學(xué)決策，2008(11).

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.009.006

2013-06-28）

張旭東，工程師，2005年碩士畢業(yè)于中國石油大學(xué)（油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)），從事天然氣長(zhǎng)輸管道的節(jié)能與計(jì)量管理，E-mail： zhangxudong2@petrochina.com.cn，地址 ：北京 市朝陽 區(qū)大屯路9號(hào)，100101。