GR200W型螺桿機(jī)進(jìn)氣控制節(jié)能改造

龍 濤，馬 鵬，袁宗澤

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心技術(shù)勤務(wù)站，四川綿陽(yáng) 62100）

0 引言

壓縮機(jī)是石化行業(yè)能源消耗大戶，節(jié)能減排是該行業(yè)重要關(guān)注點(diǎn)之一。隨著石油化工設(shè)備向大型化發(fā)展，大功率壓縮機(jī)也普遍應(yīng)用于石油化工系統(tǒng)工藝流程中。一般情況下，生產(chǎn)負(fù)荷往往會(huì)在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，壓縮機(jī)的功率相對(duì)于生產(chǎn)負(fù)荷也會(huì)有一定的余量，并可能出現(xiàn)在一段時(shí)間內(nèi)余量較大的情況。某壓縮空氣系統(tǒng)中，2臺(tái)GR200W螺桿機(jī)同時(shí)為1臺(tái)CFA34活塞機(jī)提供進(jìn)氣氣源，經(jīng)過(guò)活塞機(jī)的4級(jí)壓縮后得到22 MPa壓縮空氣。通過(guò)改變GR200W螺桿機(jī)進(jìn)氣控制方式及增加電機(jī)變頻器，達(dá)到調(diào)節(jié)余量，節(jié)約能源的目的。

1 GR200W螺桿機(jī)控制原理及系統(tǒng)存在的問(wèn)題

1.1 進(jìn)氣系統(tǒng)控制原理

GR200W螺桿機(jī)系統(tǒng)主要構(gòu)成包括空氣過(guò)濾器、卸荷閥、單向閥、電磁閥、螺桿機(jī)頭、油氣分離器、最小壓力閥、溫控閥、油過(guò)濾器、冷卻器、回油止回閥及壓力開(kāi)關(guān)。

（1）壓縮空氣流向通道?？諝馔ㄟ^(guò)空氣過(guò)濾器以及卸荷閥進(jìn)入壓縮機(jī)頭，在此被壓縮成油氣混合氣體。油氣混合氣體經(jīng)單向閥流入分離器，使得油被分離。分離后的壓縮氣體由最小壓力閥流入空氣冷卻器。冷卻后經(jīng)液態(tài)水分離器，干凈空氣排向活塞式壓縮機(jī)進(jìn)氣口。

（2）潤(rùn)滑油通道。潤(rùn)滑油在空氣壓力的推動(dòng)下，經(jīng)過(guò)冷卻器、過(guò)濾器和斷油閥，到達(dá)螺桿機(jī)壓縮機(jī)頭以及各個(gè)需要潤(rùn)滑的位置。油和壓縮空氣一起進(jìn)入油氣分離器，油被分離。溫控閥會(huì)自動(dòng)判別輸出的油溫從而決定油是否需要經(jīng)過(guò)冷卻?；赜椭够亻y，可以防止停機(jī)時(shí)仍向壓縮機(jī)頭噴油。

（3）進(jìn)氣控制通道。GR200W螺桿機(jī)采用彈簧式卸荷閥與電磁閥組合方式控制進(jìn)氣的加/卸載。當(dāng)PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）檢測(cè)壓力達(dá)到設(shè)定上限時(shí)，電磁閥斷電,卸荷閥氣腔的控制壓力通過(guò)放氣通道泄放掉，卸荷閥柱塞通過(guò)彈簧力關(guān)閉進(jìn)氣通道；當(dāng)壓力降到設(shè)定下限時(shí)，電磁閥上電，電磁閥開(kāi)啟，控制壓力進(jìn)入卸荷閥腔室，卸荷閥克服彈簧力打開(kāi)。

1.2 存在的問(wèn)題

壓縮空氣系統(tǒng)由2臺(tái)GR200W螺桿機(jī)、1臺(tái)CFA34活塞機(jī)、1臺(tái)干燥器組成。螺桿機(jī)設(shè)計(jì)最大排氣壓力2 MPa，2臺(tái)GR200W螺桿機(jī)同時(shí)為CFA34活塞機(jī)提供進(jìn)氣氣源，經(jīng)過(guò)活塞機(jī)4級(jí)壓縮，干燥后得到22 MPa成品壓縮空氣。由于2臺(tái)GR200W螺桿機(jī)產(chǎn)氣量略大于CFA34活塞機(jī)的進(jìn)氣需求，隨著CFA34活塞機(jī)活塞環(huán)的長(zhǎng)時(shí)間磨損，活塞機(jī)流量不斷下降，所需進(jìn)氣量隨之減小，造成2臺(tái)螺桿機(jī)反復(fù)加卸載，損失部分能耗。

分析GR200W螺桿機(jī)進(jìn)氣控制可知，其流量及壓力主要通過(guò)PLC、電磁閥控制卸荷閥的開(kāi)閉調(diào)節(jié)流量及壓力。因活塞機(jī)本身流量設(shè)計(jì)以及工況變化引起所需氣量減小，導(dǎo)致2臺(tái)GR200W提供的進(jìn)氣量大于活塞機(jī)需求的進(jìn)氣量，從而引起GR200W螺桿機(jī)頻繁加卸載，造成能量損耗和易損件的沖擊損壞。對(duì)此，將GR200W螺桿式壓縮機(jī)原加卸載模式改為連續(xù)氣量調(diào)節(jié)模式。

2 改造方案

2.1 智能蝶閥控制方式

智能型AC220蝶閥，通入220 V電源后電機(jī)不動(dòng)，但內(nèi)部控制電路板可以工作。輸入（4～20）mA電流時(shí)，蝶閥做相應(yīng)動(dòng)作，在4 mA時(shí)關(guān)閉，20 mA時(shí)開(kāi)啟。（4～20）mA模擬反饋信號(hào)反映閥門開(kāi)度的大小，控制電流與蝶閥開(kāi)關(guān)量成線性關(guān)系。

改進(jìn)方法：把原彈簧式卸荷閥，改為智能型蝶閥+止回閥方式。螺桿機(jī)最終管網(wǎng)排氣壓力由傳感器反饋到PLC，PLC通過(guò)反饋來(lái)的壓力變量編程輸出（4～20）mA電流給蝶閥控制器，控制蝶閥開(kāi)度。PLC每隔（0.1～0.5）s檢測(cè)一次最終管網(wǎng)排氣壓力P當(dāng)前，并與設(shè)定壓力值P設(shè)進(jìn)行比較。若P當(dāng)前約P設(shè)，增加對(duì)閥門控制電流輸入；若P當(dāng)前=P設(shè)，保持現(xiàn)有控制電流，閥門無(wú)動(dòng)作；若P當(dāng)前>P設(shè)，減小對(duì)閥門控制電流的輸入。

對(duì)△i（電流增加/減少量）的確定，由最大偏差壓力△P和最大偏差電流△imax（20～4）mA確定。系統(tǒng)螺桿機(jī)設(shè)計(jì)壓力2 MPa，額定工作壓力1.9 MPa，最大偏差壓力△Pmax=1.9 MPa。當(dāng)偏差壓力△P越大,增加的控制電流△i越大，控制電流超過(guò)20 mA時(shí)取值20 mA；偏差壓力△P越小，增加的控制電流越小。I目標(biāo)=I當(dāng)前+16/1.9（P設(shè)-P當(dāng)前）簡(jiǎn)化得：I目標(biāo)=I當(dāng)前+16/1.9△P，I目標(biāo)約約20 mA。

而當(dāng)偏差壓力△P無(wú)限接近于零時(shí)，增加或減少的控制電流會(huì)越來(lái)越小，此時(shí)閥門會(huì)小幅度頻繁動(dòng)作，需要設(shè)置靜差量C（被調(diào)參數(shù)穩(wěn)定在給定值附近，穩(wěn)定值與給定值之差稱為靜差），當(dāng)被調(diào)壓力參數(shù)穩(wěn)定在給定壓力值附近時(shí)，即無(wú)需增加或減少控制電流。在設(shè)定靜差時(shí)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整，靜差值設(shè)定過(guò)大會(huì)使偏差壓力△P變大從而影響閥門調(diào)節(jié)品質(zhì)，設(shè)定過(guò)小會(huì)使閥門頻繁動(dòng)作。停車時(shí)，由于機(jī)頭內(nèi)氣體有回頂壓力以及配重塊有回復(fù)關(guān)閉力，使止回閥迅速關(guān)閉，阻止壓縮機(jī)停車時(shí)向外噴油。

當(dāng)機(jī)組需要卸載時(shí)，PLC輸出信號(hào)關(guān)閉進(jìn)氣蝶閥，加卸載電磁閥開(kāi)啟油氣分離器放氣通道。進(jìn)氣蝶閥閥芯板設(shè)進(jìn)氣小孔，啟動(dòng)或卸載時(shí)保證能有少量氣流量進(jìn)入油氣分離器，保證螺桿機(jī)內(nèi)部循環(huán)所需，以及向螺桿機(jī)內(nèi)部螺桿噴油的最低壓力和冷卻潤(rùn)滑油的自循環(huán)。當(dāng)機(jī)組需要重新加載時(shí)，PLC輸出信號(hào)開(kāi)啟進(jìn)氣蝶閥，加卸載電磁閥關(guān)閉油氣分離器放氣通道，螺桿機(jī)進(jìn)入加載狀態(tài)。

智能蝶閥控制方式由PLC作邏輯判斷，根據(jù)管網(wǎng)壓力輸出控制信號(hào)調(diào)節(jié)蝶閥開(kāi)度。蝶閥開(kāi)啟時(shí)，空氣均勻吸入，不存在明顯的阻力和拐彎，因此阻力?。煌＼嚂r(shí)止回閥迅速關(guān)閉，防止停機(jī)噴油。該控制方式對(duì)壓力傳感器及PLC可靠性要求高，傳感器故障容易造成整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)的崩潰。且該控制方式進(jìn)氣節(jié)流時(shí)壓力比持續(xù)增加，會(huì)使排氣溫度逐漸升高，因此必須限制容積流量的調(diào)節(jié)范圍（100%～80%）。

2.2 反比例閥調(diào)節(jié)控制方式

HKP型反比例閥工作原理如圖1所示，它在低于設(shè)定壓力值時(shí)，輸入壓力能滿足卸荷閥內(nèi)部滑閥全開(kāi)；高于設(shè)定壓力值時(shí)，卸荷閥開(kāi)度隨活塞機(jī)用氣需求變化。

低于設(shè)定壓力值時(shí)，壓力P產(chǎn)生的作用在膜片上的力F小于大彈簧的反推力，使得下部錐閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，則P與P1壓力相當(dāng)。輸出壓力P1一路進(jìn)入卸荷閥的氣腔，控制卸荷閥全開(kāi)，另一路通過(guò)反比例閥上一小節(jié)流孔向大氣泄放壓力，以穩(wěn)定該壓力。隨著P的增大，P1也跟著增大，但若P高于設(shè)定壓力值時(shí)，力F大于大彈簧的反推力使得錐閥不斷上升，閥口逐漸減小，則流入右腔的流量減少，同時(shí)小節(jié)流孔放空導(dǎo)致P1降低。即壓力P越高時(shí)，錐閥開(kāi)度越小，輸出P1就越低。因此，壓力P1隨壓力P的升高而成反比例的降低，使后端卸荷閥開(kāi)度成反比例的減小，實(shí)現(xiàn)氣量連續(xù)調(diào)節(jié)功能。

反比例閥上部的調(diào)節(jié)桿設(shè)定壓力值，扭松調(diào)節(jié)桿固定螺帽順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)桿使設(shè)定壓力提高，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)則設(shè)定壓力降低。

在原彈簧式卸荷閥基礎(chǔ)上增加反比例閥+卸載閥及通道式進(jìn)氣控制系統(tǒng)，見(jiàn)圖2。機(jī)組加載時(shí)，油氣分離器空氣通過(guò)通道5及反比例閥進(jìn)入卸荷閥氣腔兩端推動(dòng)卸荷閥克服彈簧阻力實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟。當(dāng)螺桿機(jī)加載時(shí)的壓力與反比例閥設(shè)定壓力值相當(dāng)時(shí)，反比例閥輸出控制壓力隨著系統(tǒng)油氣分離器壓力的升高而成反比例降低，使卸荷閥開(kāi)度隨用氣量大小在0～100%實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)功能。當(dāng)機(jī)組卸載時(shí)，由PLC控制卸載電磁閥通過(guò)通道6，7分別排放油氣分離器以及滑閥氣腔內(nèi)壓力，卸荷閥在彈簧力的作用下關(guān)閉進(jìn)氣通道。少量的氣會(huì)通過(guò)預(yù)留小孔進(jìn)入壓縮機(jī)頭，以滿足螺桿機(jī)內(nèi)部循環(huán)所需，以及向螺桿機(jī)內(nèi)部螺桿噴油的最低壓力和冷卻潤(rùn)滑油的自循環(huán)。

增加反比例閥控制方式，在保留原卸荷閥基礎(chǔ)上增加反比例閥及控制通道，以氣動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)卸荷閥的連續(xù)調(diào)節(jié)。該方式可靠性高、操作性強(qiáng)、易實(shí)現(xiàn)，未有電控改進(jìn)環(huán)節(jié)，維護(hù)維護(hù)方便。但該控制方式與智能蝶閥控制方式一樣，是對(duì)螺桿機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行節(jié)流，節(jié)流時(shí)壓力比持續(xù)增加，會(huì)使排氣溫度逐漸升高，故必須限制容積流量的調(diào)節(jié)范圍（100%～80%）。

圖1 HKP型反比例閥工作原理

2.3 變頻器調(diào)節(jié)控制方式

變頻器控制系統(tǒng)是一個(gè)壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要包括變頻器、壓力變送器、電機(jī)、螺桿機(jī)轉(zhuǎn)子等部分，控制原理如圖3所示。

變頻器控制系統(tǒng)有一個(gè)設(shè)定壓力值，通過(guò)管網(wǎng)壓力傳感器提供的實(shí)時(shí)壓力與設(shè)定壓力值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果，利用PID（Pro-portion Integration Differentiation，比例積分微分）控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，使實(shí)時(shí)壓力維持在設(shè)定的壓力值。即活塞機(jī)用氣需求量增加，螺桿機(jī)的實(shí)時(shí)壓力低于設(shè)定壓力值時(shí)，由PID調(diào)節(jié)使變頻器輸出頻率升高，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速；若活塞機(jī)用氣需求量減少，螺桿機(jī)的實(shí)時(shí)壓力出現(xiàn)高于設(shè)定壓力值時(shí)，PID調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率降低，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖2 改進(jìn)后進(jìn)氣控制系統(tǒng)原理

圖3 變頻器控制系統(tǒng)工作原理

變頻器內(nèi)置PID功能，可以直接由壓力傳感器輸入壓力信號(hào)（4～20）mA。PID進(jìn)行邏輯判斷后輸出控制信號(hào)給變頻器，變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，從而引起螺桿機(jī)實(shí)時(shí)壓力變大變小，使得其維持在設(shè)定壓力值。變頻器的輸出頻率一般控制在（20～50）Hz。如果電機(jī)低頻工作而發(fā)熱量不高時(shí)，為節(jié)約能源可以將輸出頻率設(shè)置的更低一些，但需要確保電機(jī)溫度臆80℃，并設(shè)置變頻器頻率過(guò)低保護(hù)。增加電機(jī)溫度控制器以保護(hù)電機(jī)，改造后電機(jī)溫度受到電機(jī)轉(zhuǎn)速影響需要檢測(cè)保護(hù)。變頻器控制系統(tǒng)是在原有工頻控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加的一套系統(tǒng)，變頻器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可手動(dòng)切換到原工頻控制系統(tǒng)，保證生產(chǎn)的連續(xù)性。

變頻器控制系統(tǒng)能夠根據(jù)螺桿機(jī)實(shí)時(shí)壓力精準(zhǔn)的控制電機(jī)速度，使實(shí)時(shí)壓力維持在設(shè)定壓力值，即與活塞機(jī)進(jìn)氣需求壓力相匹配，節(jié)約能源并提高工況。但變頻改造后電機(jī)溫度受到電機(jī)轉(zhuǎn)速和輔助風(fēng)機(jī)影響，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控，防止溫度過(guò)高燒壞電機(jī)。

3 結(jié)束語(yǔ)

3種改造方式都能實(shí)現(xiàn)螺桿機(jī)的連續(xù)氣量調(diào)節(jié)，避免重復(fù)加卸載，使管網(wǎng)上下壓力穩(wěn)定，可以降低甚至消除壓力波動(dòng)，使下游活塞機(jī)進(jìn)氣壓力穩(wěn)定。方案一通過(guò)PLC編程控制智能蝶閥開(kāi)度實(shí)現(xiàn)連續(xù)氣量調(diào)節(jié)；方案二通過(guò)反比例閥輸出氣源控制卸荷閥開(kāi)度以實(shí)現(xiàn)連續(xù)氣量調(diào)節(jié)。這2種方式都是調(diào)節(jié)螺桿機(jī)的進(jìn)氣通道開(kāi)度實(shí)現(xiàn)輸出氣量調(diào)節(jié)，但即使在活塞機(jī)進(jìn)氣需求量很小的工況下，電機(jī)的運(yùn)行功率得不到有效降低，因此，節(jié)能效果不顯著。

變頻器控制方式是在不改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩的情況下，改變電機(jī)頻率從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)氣量調(diào)節(jié)。由于螺桿機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速與其實(shí)際功率消耗成線性關(guān)系，因此，低轉(zhuǎn)速時(shí)，螺桿機(jī)的功率消耗較少。對(duì)比分析：當(dāng)活塞機(jī)用氣需求量較少時(shí)，通過(guò)變頻器可以降低螺桿機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，降低功耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，且噪聲更低。一般來(lái)說(shuō)，空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行成本包括3個(gè)部分，即初始采購(gòu)成本、維護(hù)成本和能源成本，其中能源成本占總成本的77%，而變頻器控制能降低能源成本20%～40%，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看變頻控制方式節(jié)能效果更好。