祁長春

(中海油服物探事業(yè)部物探采集作業(yè)公司 天津300451)

變頻器調速和恒壓供氣應用在震源空壓機中的節(jié)能解析

祁長春

(中海油服物探事業(yè)部物探采集作業(yè)公司 天津300451)

對震源空壓機的主要能耗問題進行了分析，闡述了應用變頻調速和恒壓供氣的震源空壓機的原理、技術特點，并對比了沒有應用變頻調速的震源空壓機的節(jié)能效果。針對以往震源空壓機在供氣系統(tǒng)中存在的缺點，新型震源空壓機應用PLC與觸摸屏組合作為可視化控制系統(tǒng)與變頻器調速相結合的自動恒壓供氣系統(tǒng)，使震源空壓機電動機組可以根據(jù)外部負載的變化調節(jié)轉速，震源空壓機實現(xiàn)軟啟動，減少了設備損耗，保障了電網使用安全，有效節(jié)約了電能。

震源空壓機 變頻器 恒壓供氣 能耗 節(jié)能 魚式閥 工頻模式 變頻模式

震源空壓機作為石油勘探中最常用的震源提供設備，負責提供氣源，是地震采集過程中的關鍵性設備，故其運行的好壞直接影響到地震采集資料的精確度。同時，作為長期運轉設備，其每年的電能消耗也相當大。針對公司節(jié)能減排的需求，結合變頻器的諸多優(yōu)點，當前應用到中海油田服務股份有限公司的是最新一代具有自動調速與恒壓供氣相結合的震源空壓機，由1臺螺桿機、1臺往復式活塞機和1臺大功率變頻電機組成。螺桿機將輸出的壓縮空氣(1級)壓送到活塞機，活塞機再將1級壓縮空氣逐級壓縮(2級→3級→4級)至2,000/3,000,psi作為輸出壓力，最終輸送給震源槍陣作為地震數(shù)據(jù)采集的動力源。

1 震源空壓機能耗分析

震源空壓機工作的最基本條件是氣體的流量和壓力，供氣壓力受船速和震源槍陣工況等因素波動比較頻繁，所以震源空壓機頻繁加載、卸載。在加載、卸載過程中使壓縮氣體的壓力在上限和下限之間來回變化。下限是最低壓力值，它是保證震源槍陣工作狀態(tài)下的最低壓力。一般情況下，Pmax與Pmin之間的關系可以用下式表示：

Pmax＝(1＋δ)Pmin

式中，δ是一個百分數(shù)，其數(shù)值大致在15%,～30%,。

因此震源空壓機的主要能耗集中在加載和卸載過程中。

1.1 加載時的電能消耗

震源空壓機動力來自交流異步電動機，電動機的能量來自電能，電動機與電能的關系可以通過轉速公式了解：

n＝60,f(1－s)/p

式中，n代表電動機轉速；f代表電動機頻率；p代表磁極對數(shù)；s代表轉差率。

加載時電動機經星-三角啟動，從靜態(tài)啟動，十幾秒后才能達到額定轉速的工作狀態(tài)，在啟動過程中，從轉速0,r/min至額定轉速1,470,r/min需時約十幾秒，電動機和啟動開關及導線要承受于電動機近7倍的額定電流。當轉速達到額定轉速，壓力達到工作壓力，即在魚式閥全部關閉狀態(tài)時達到工作壓力，負載率約為66%,，此時，表面上看電流是減小了，實際上無功率在增大，用電量＝有功＋無功；另一方面，考慮到震源空壓機時常在滿負荷的狀態(tài)下長時間運行，因此，在設計電動機拖動功率時余量一般要偏大，其能耗就更不能忽視了。在加壓過程中，一定要向外界釋放更多的熱量，從而導致電能損失；當供氣量多于用氣量時，其多余的氣量經過魚式閥泄到大氣，這一過程同樣是一個耗能過程。

1.2 卸載時的電能消耗(見圖1)

卸載時，震源空壓機通過打開魚式閥，使電動機處于輕載狀態(tài)，同時將油氣分離筒內多余的壓縮氣通過卸載閥放空。這種調節(jié)方法造成很大的能量浪費。經估算，在卸載時間所占比例不大的工況下，震源空壓機卸載時的能耗約占震源空壓機滿載運行時的10%～25%,。換言之，震源空壓機20%,左右的時間處于空載狀態(tài)，在做無用功。

圖1 震源空壓機主要能耗分析圖表Fig.1 Chart of energy consumption of the seismic compressor

2 震源空壓機應用變頻器與恒壓供氣節(jié)能分析

針對震源空壓機主要能耗的兩個方面，采用變頻器控制震源空壓機的轉速從而達到節(jié)能是一種較為科學的節(jié)能控制方式。

震源空壓機采用變頻啟動，此時把管網壓力作為控制對象，即將滿足生產設備要求的最低壓力作為設定壓力值。壓力傳感器將儲氣罐內的壓力轉變?yōu)殡娦盘栞斔徒o魚式閥，魚式閥根據(jù)壓力差值的大小按既定的控制模式進行運算，產生控制信號輸送給變頻器調速，通過變頻器控制電動機的工作頻率和轉速，使實際壓力始終接近設定壓力值，保持了供氣壓力的穩(wěn)定，從而消除震源空壓機的加載、卸載運行，如圖2、3所示。

圖2 震源空壓機變頻器自動調速與恒壓供氣系統(tǒng)圖Fig.2Automatic speed regulation of frequency converter and constant air supply system

圖3 震源空壓機魚式閥原理圖Fig.3Schematic diagram of pressure regulator valve of the seismic compressor

震源空壓機變頻運行時保持儲氣罐壓力穩(wěn)定，壓力波動范圍保持在±0.2,bar之間。由于以往震源空壓機的拖動電機本身不能調速，因此就不能直接使用壓力或流量的變動來實現(xiàn)降速調節(jié)輸出功率的匹配，導致用氣量少的時候電動機仍然要空載運行，電能浪費巨大。由于震源空壓機不能排除在滿負載狀態(tài)下長時間運行的可能性，所以只能按最大需求來決定電動機容量，故電動機設計容量一般偏大。單電動機拖動系統(tǒng)不能根據(jù)負載輕重連續(xù)調節(jié)，造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象。采用變頻調速后，可以方便地進行連續(xù)調節(jié)，同時保持壓力、流量和溫度等參數(shù)的穩(wěn)定，從而大大提高了壓縮機的工作性能，解決了“大馬拉小車”現(xiàn)象。

根據(jù)震源空壓機變頻運行特性，經過理論公式論證：

Q1/Q2＝n1/n2

H1/H2＝(n1/n2)

P1/P2＝(n1/n2)3

式中，Q表示震源空壓機供氣流量；H表示供氣管路壓力；P表示電動機消耗的功率；n表示震源空壓機轉速。

由上式可知，當電動機轉速降至額定轉速的80%,時，則震源空壓機供給管路流量降為(80%)的平方，電動機消耗功率則降為(80%,)的立方，即節(jié)能51.2%,，扣除電動機機械損耗和電動機銅損、鐵損等，其節(jié)能效率在40%,左右。

3 震源空壓機工頻模式和變頻模式對比解析及實例分析

由于每個船隊震源空壓機型號不同，所屬的發(fā)電機型號也不盡相同，所以能耗及節(jié)能沒有同比性，只有類比性(應用與沒應用變頻器機型)。本著震源空壓機能耗分析及節(jié)能效果的科學性、客觀性、準確性，將海洋石油721船隊的震源空壓機在工頻模式和變頻模式工作狀況下做橫向比較，原理如圖4、5所示。其中，工頻模式即震源空壓機頻率恒定、轉速恒定。轉速不隨工作壓力變化而變化，供氣壓力大于工作壓力時，魚式閥打開，多余的氣體泄到大氣中，壓力不夠時備用機組啟動。工頻模式的工作原理和其他型號不是變頻調速的震源空壓機工作原理相同。變頻模式即震源空壓機的轉速隨工作壓力變化成正比變化。

工頻模式即震源空壓機設置為手動模式啟動。啟動后，在15,s內電動機由750轉加速到1,500轉(備注：傳統(tǒng)震源空壓機電動機轉速由0轉速加速到額定轉速)。輸出壓力在幾分鐘內達到設定壓力值138,bar(2,000,Psi)，達到工作壓力后，壓力上下波動靠魚式閥通過管網上的壓力傳感器反饋的信號自動調節(jié)魚翅閥的開度，多余的氣體泄到大氣中。此時電動機恒速運轉，消耗的功率依據(jù)公式得出是931,kW (注：電動機設定啟動時是額定功率的98.6%)。

圖5 變頻模式加載/卸載原理圖Fig.5Schematic diagram of loading/unloading under frequency conversion

變頻模式即震源空壓機設置為自動模式啟動/運轉，啟動后，在15,s內電動機由750轉加速到1,500轉，輸出壓力在幾分鐘內達到設定壓力值138,bar (2,000,Psi)，達到工作壓力后，壓力上下波動，首先魚式閥通過管網上的壓力傳感器反饋的信號100%,關閉魚翅閥的開度，同時變頻器根據(jù)供氣管網上的反饋信號自動調節(jié)轉速，轉速運轉范圍在750～1,500,rpm間隨意切換，如果一臺機組達不到工作壓力，備用機組啟動。此時電動機自動調節(jié)，消耗的功率根據(jù)公式得出為486.4,kW。消耗的功率根據(jù)公式P1/P2＝(n1/n2)3得出理論功率值486.4,kW。

工頻模式下恒定轉速為1,500,rpm，達到工作壓力后魚式閥打開，多余氣體泄到大氣中；變頻模式下，轉速隨負載成正比變化，同時魚式閥保持100%,關閉。工頻模式下，頻率恒定為50,Hz，功率為934.47,kW，與理論值931,kW幾乎一致；而變頻模式下，頻率隨負載成正比變化。

結合以上理論論證和實例解析，應用變頻器調速與恒壓供氣的震源空壓機要比應用魚式閥調節(jié)的震源空壓機節(jié)能。具體變頻模式比工頻模式節(jié)約多少能耗，根據(jù)海洋石油721船主發(fā)電機的油耗推導論證。

主發(fā)電機型號：W9L32；

額定功率：4,500,kW；

額定轉速：750,rpm；

震源空壓機型號：LMF51S/138-207-E50；

變頻器型號：西門子S120/LC-1000-12P；

電動機型號：ABB M3LP450LC4，額定功率為950,kW，額定轉速為1,500,rpm；

魚式閥型號：DVC 6200 FS-67CFR-600。

主發(fā)電機出廠時燃油消耗的試驗數(shù)據(jù)是ISO,15550標準效驗的數(shù)據(jù)，在負荷85%,時的油耗為731,kg/h。

P×85%,＝4,500×85%,＝3,825,kW

每千瓦小時油耗＝731/3,825＝0.191,kg/kW．h

之前得出震源空壓機變頻模式比工頻模式功率節(jié)省40%,，即950×40%＝380,kW；每小時節(jié)省油耗為380×0.191＝72.58,kg/kW·h＝0.072,58,t/kW·h。

圖7 變頻/工頻轉速與時間實效圖Fig.7 Actual effect of rotate speed and time under power frequency mode and frequency conversion mode

圖8 變頻/工頻轉速與功率實效圖Fig.8 Actual effect of rotate speed and power under power frequency mode and frequency conversion mode

圖9 工頻模式和變頻模式能耗對比圖表Fig.9Chart of energy consumption comparison between power frequency mode and frequency conversion mode

綜上所述，應用變頻調速和恒壓供氣的震源空壓機在節(jié)油方面(見圖7、8、9)，每小時大約節(jié)油0.072,58,t，每天平均運轉10,h，每月大約節(jié)省21,t燃油，按目前燃油價格5,000 元/t計，每月節(jié)省大約10.5萬，直接經濟效益相當可觀。間接經濟效益方面，震源空壓機啟動是通過變頻器啟動，實現(xiàn)了軟啟動，啟動、加載時電流上升更加平穩(wěn)，降低了啟動沖擊電流和啟動瞬間給震源空壓機帶來的機械沖擊；震源空壓機根據(jù)用氣量自動調節(jié)電動機轉速，電動機運轉頻率低，機械轉動噪聲變小，軸承磨損相對減小，設備維護量變小，延長了震源空壓機使用壽命，同時也節(jié)約了設備檢修和備件消耗費用，隨之保養(yǎng)成本降低。

4 結 語

當前設備更新?lián)Q代正在加速，先進設備僅僅是提高生產效益、增強競爭能力的一個要素。設備在使用中會遇到許多問題，需要我們平時總結經驗，只有這樣才能將先進的技術設備轉化為強勁的生產力。更好地操作管理系統(tǒng)將帶來管理模式的變化和工作效率的提升，作為管理者和操作者，必須更好、更快地熟悉和掌握它?！?/p>

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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