空壓機變頻節(jié)能技術(shù)在輸氣管道中的應用

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）

空壓機變頻節(jié)能技術(shù)在輸氣管道中的應用

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）

輸氣管道空壓機是重點耗能設(shè)備。從節(jié)能角度出發(fā)，分析了空壓機變頻技術(shù)原理、變頻器特點、改造的必要性、變頻改造的主要內(nèi)容和改造前后的節(jié)能效益對比分析。以某一壓氣站為例，根據(jù)空壓機的型號選擇相應的變頻器，在空壓機房進行安裝。改造后空壓機運行噪音下降，啟動平穩(wěn)，壓力控制精度提高。通過72h工變頻試驗，節(jié)電效果明顯，具有非常好的社會效益、經(jīng)濟效益和安全生產(chǎn)效益，具有推廣應用價值。

輸氣管道 空壓機 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)均有著廣泛的應用?？諝鈮嚎s機（簡稱空壓機）在長輸管道輸氣壓氣站、儲氣庫均有應用，并且直接關(guān)系到壓氣站、儲氣庫的安全運行。

1 空壓機變頻技術(shù)原理

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

空 壓 機 變 頻 器 的 工 作 原 理[1]如 下 ： 空 壓 機 與 高效節(jié)能控制系統(tǒng)組合后，空壓機發(fā)給變頻器起停信號、加載信號 （PID 調(diào)節(jié)信號）、變頻器返回空壓機的故障信號，同時通過壓力變送器從壓縮空氣系統(tǒng)中采集壓力信號輸入到變頻器中，作為空壓機加載 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)通過對空壓機進行變頻控制，幫助用戶實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能控制。

IR5000 會根據(jù)實際的用氣量，自動調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速以達到穩(wěn)定輸出壓力的目的，實現(xiàn)節(jié)能。除此之外，使用VFD 還能實現(xiàn)電動機軟啟動、減少電動機的頻繁加卸載、降低電動機噪音等功能。

VFD 的運作可以大致分為兩個步驟：

1） 當空壓機卸載運行時，變頻驅(qū)動會以最小轉(zhuǎn) 速 （ fmin=27Hz） 恒 速 運 轉(zhuǎn) 。

2） 當空壓機加載運行時，變頻驅(qū)動會自動調(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 可以進行兩臺空壓機的工/變頻模式的選擇切換。這樣保證了兩臺空壓機系統(tǒng)的節(jié)能空間，提高了整個空壓機系統(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，用來實現(xiàn)兩臺空壓機的工/變頻運行模式切換及變頻器的故障輸出。兩部分成套在一個柜體，中間隔板分開，VFD和控制部分為獨立的安裝空間。

2 變頻器的特點

1）變頻器控制壓縮機與傳統(tǒng)控制的壓縮機比較，能源節(jié)約是最有實際意義的，根據(jù)用氣量需求來供給的壓縮機工況是經(jīng)濟的運行狀態(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。變頻控制壓縮機的輸出氣量隨著電動機轉(zhuǎn)速的改變而改變，有效地提高了工況的質(zhì)量。

3）延長壓縮機的使用壽命。變頻器從低頻起動壓縮機，它的起動加速時間可以調(diào)整，從而減少起動時對壓縮機的電器部件和機械部件所造成的沖擊，增強系統(tǒng)的可靠性，使壓縮機的使用壽命延長。

此外，變頻控制能夠減少機組起動時電流波動，這一波動電流會影響電網(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） 由于采用工頻電動機，出力不隨機組負荷的調(diào)整而發(fā)生改變，機組在正常運行和熱備工況下運行均存在頻繁加卸載現(xiàn)象，機組的加載利用率相對較低，造成機組存在頻繁起?，F(xiàn)象，有 20%～40%的節(jié)能潛力。

2） 該系統(tǒng)的用氣壓力波動大 （最大壓差達到1.9Bar）。

在空壓機房內(nèi)增設(shè) 1拖2變頻器控制柜，型號分別為 IR5000-22-II、IR5000-45-II、IR5000-132-II， 落地 安裝。前后設(shè)檢修維 護通 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） 在空壓機內(nèi)控制系統(tǒng)中加裝了電器元件（包括風機電源接觸器、繼電器等），當空壓機切換到工頻運轉(zhuǎn)時保留原有的星/三角啟動。

2） 壓力傳感器安裝在儲氣罐預留的帶截止閥的壓力取樣點上。壓力信號采用兩芯屏蔽線（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內(nèi)風扇和控制電源的動力電纜及至空壓機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 改造前后效益對比分析

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

表1 工頻與變頻運行耗電量對比

5 結(jié)論

空壓機變頻器投入運行后，運行良好，具體優(yōu)點如下：

1）調(diào)節(jié)平穩(wěn)，運行電流明顯下降，調(diào)節(jié)范圍寬泛，具有明顯的節(jié)電效能，達到了預期的收益。

2） 可以實現(xiàn)空壓機一臺工頻運轉(zhuǎn)，一臺變頻運轉(zhuǎn)，并且可以進行變工頻切換，也可以兩臺同時工頻運轉(zhuǎn)（不可以同時變頻運轉(zhuǎn)）；這樣滿足了兩臺空壓機多種情況下的安全備機要求，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，自動控制空壓機主機馬達的轉(zhuǎn)速，提供穩(wěn)定的壓力輸出；使空壓機輸出壓力與需求壓力相匹配；輸出氣量隨電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)而改變。

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

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

[1]劉國豪.變頻技術(shù)在長輸管道輸油泵機組上的應用[J].油氣儲運,2012,31(7):543-545.

[2]任衛(wèi)東.電動機變頻節(jié)能技術(shù)應用總結(jié)[J].科學決策，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（油氣儲運工程專業(yè)），從事天然氣長輸管道的節(jié)能與計量管理，E-mail： zhangxudong2@petrochina.com.cn，地址 ：北京 市朝陽 區(qū)大屯路9號，100101。