變頻電機驅(qū)動往復(fù)壓縮機適應(yīng)性分析

蘭洪強 蒲繼平 葉 樺 吳 巧 高 興 邢 超 楊 亮

1. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中海石油(中國)有限公司天津分公司, 天津 300308

0 前言

目前，天然氣需求日益增長,官方統(tǒng)計近幾年天然氣需求復(fù)合增長率為13.6%;國內(nèi)在天然氣勘探、開采、輸送管網(wǎng)等各個環(huán)節(jié)均投入較大的力度。其中往復(fù)壓縮機在天然氣增壓環(huán)節(jié)使用頻率較大,尤其是高壓比、低流量的工況下,均需要選用往復(fù)壓縮機。

往復(fù)壓縮機實際使用過程中,在流量調(diào)節(jié)方面有余隙調(diào)節(jié)流量(范圍為額定流量85%～100%)、旁路調(diào)節(jié)(范圍為額定流量0%～100%)、卸荷器調(diào)節(jié)流量(多檔位調(diào)節(jié)25%、50%等)、氣閥無級調(diào)節(jié)流量(多檔位調(diào)節(jié)10%～100%等)[1-4]、變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量(范圍為額定流量50%～100%)等多種方法。其中變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量目前爭議較大,雖然工藝條件變化較大時使用變頻機組有一定程度的節(jié)能,但目前實際運用的機組不多,經(jīng)驗不豐富,沒有對變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量的方式進行深入分析,在轉(zhuǎn)速變化同時對驅(qū)動電機、往復(fù)壓縮機本體存在哪些影響也需要進行詳細討論。

1 轉(zhuǎn)速變化對流量適應(yīng)性的影響

1.1 流量適應(yīng)性

以某工程實際選用的往復(fù)壓縮機為例,該壓縮機分別在500、600、700、800、900、1 000 r/min轉(zhuǎn)速下相關(guān)參數(shù)相應(yīng)改變，該機組為4列2級對置式往復(fù)壓縮機[5-9]，具體參數(shù)如下:

末級出口壓力6.5 MPa,一級入口壓力0.6～6 MPa,轉(zhuǎn)速變化范圍500～1 000 r/min,轉(zhuǎn)速級差100 r/min。

通過壓縮機不同進口壓力、不同轉(zhuǎn)速情況下壓縮機所對應(yīng)的流量進行計算,得到曲線簇見圖1。

圖1 往復(fù)壓縮機流量曲線簇圖

因此,對往復(fù)壓縮機通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量,實際是一種被動的流量調(diào)節(jié)方式,即上游工藝參數(shù)實際改變的情況下,進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),這樣往復(fù)壓縮機和上游管網(wǎng)參數(shù)才能互相匹配;而往復(fù)壓縮機的其他流量調(diào)節(jié)方式(余隙調(diào)節(jié)、旁路調(diào)節(jié)、卸荷器調(diào)節(jié)、氣閥無級調(diào)節(jié))均能實現(xiàn)在其他條件不變的情況下進行流量調(diào)節(jié),即實現(xiàn)主動流量調(diào)節(jié)。若在其他參數(shù)不變的情況下,將往復(fù)壓縮機的轉(zhuǎn)速降低,則會出現(xiàn)機組超載情況。

1.2 轉(zhuǎn)速變化對反向角的影響

在往復(fù)壓縮機轉(zhuǎn)速變化過程中,反向角作為保證十字頭銷被充分潤滑的關(guān)鍵參數(shù)[10-13],應(yīng)對其進行分析。

不同工況下分別調(diào)節(jié)往復(fù)壓縮機轉(zhuǎn)速為500、600、700、800、900、1 000 r/min,計算這些轉(zhuǎn)速下的反向角數(shù)值見表1,轉(zhuǎn)速變化對反向角的影響見圖2。

表1 不同轉(zhuǎn)速下反向角數(shù)值表

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)功率/kW入口壓力/MPa一級反向角二級反向角流量/(m3·h-1)1 0001 6601.816417929 9599001 4812.116717629 9598001 3052.417617529 9597001 1102.718017529 9596009113.016417629 9595007613.316415029 959

圖2 轉(zhuǎn)速變化對反向角的影響圖

從圖2可看出,隨著轉(zhuǎn)速從1 000 r/min逐級降低到500 r/min,一級壓縮的兩列機頭反向角有逐步增大趨勢,而二級壓縮的兩列機頭反向角有逐步減小趨勢;其中一級壓縮反向角最小值為164°,二級壓縮反向角最小值為150°,均滿足API Std 618 5 th《石油、化學(xué)、天然氣工業(yè)用往復(fù)式壓縮機》中的“無潤滑槽襯套反向角≥45°”要求。對于功率較小的往復(fù)壓縮機組,轉(zhuǎn)速變化對反向角的影響會更顯著;還應(yīng)該關(guān)注在反向角滿足標準規(guī)范要求的同時是否存在轉(zhuǎn)速降低出現(xiàn)兩段式反向角的情況,這樣即使反向角在數(shù)值上滿足標準規(guī)范要求,也會增加活塞桿疲勞斷裂的風(fēng)險[14-20]。

2 轉(zhuǎn)速變化對驅(qū)動電機的影響

變頻電機驅(qū)動往復(fù)壓縮機調(diào)轉(zhuǎn)速是通過變頻器改變頻率實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的。往復(fù)壓縮機由于自身結(jié)構(gòu)限制,對活塞線速度上限值有要求,活塞線速度過大會降低活塞環(huán)和填料密封的使用壽命，因此往復(fù)壓縮機轉(zhuǎn)速大多控制在1 000 r/min(也有少數(shù)高速往復(fù)機超過該值)。通常情況下基準頻率為50 Hz,變頻電機的基本特性為工作頻率在基準頻率之上為恒功率輸出,工作頻率在基準頻率之下為恒扭矩輸出;所以變頻電機驅(qū)動往復(fù)壓縮機時工作頻率在基準頻率之下,電機的工作方式為恒扭矩輸出，電機扭矩計算公式如下:

(1)

P=U×I

(2)

式中:T為扭矩,N/m;P為功率,W;N為轉(zhuǎn)速,r/min;U為電壓,V;I為電流,A。

將式(2)帶入(1)可得式(3):

(3)

從式(1)可以看出,當恒扭矩輸出時,降低轉(zhuǎn)速功率會隨著降低;而轉(zhuǎn)速降低是通過變頻器改變頻率實現(xiàn)。變頻電機的工作特性為:電機在某一頻率工作下,電流及電壓為I、U,當頻率降低時由于變頻器自身的特點電壓會大幅下降,對應(yīng)的電流及電壓為I0、U0,電壓下降幅度比電流上升幅度大,此時為維持扭矩恒定需要增加電流(非線性關(guān)系),電流增加會使電機運行溫度提高,增加帶載荷停車的風(fēng)險,因此在選用變頻電機驅(qū)動往復(fù)壓縮機時應(yīng)該著重考慮這方面的影響。

3 標準規(guī)范對變轉(zhuǎn)速驅(qū)動往復(fù)機的規(guī)定

目前,國內(nèi)外主流標準對變速驅(qū)動有要求為API Std 618 5 th《石油、化學(xué)、天然氣工業(yè)用往復(fù)式壓縮機》6.1.10節(jié)，即:“為避免扭振、聲學(xué)和機械共振的激發(fā),往復(fù)壓縮機通常宜規(guī)定為恒速運行。使用變頻驅(qū)動時,所有設(shè)備應(yīng)設(shè)計成在跳閘轉(zhuǎn)速前整個運行速度范圍內(nèi)安全運行。對應(yīng)變速驅(qū)動,賣方應(yīng)列出不希望的運行轉(zhuǎn)速表提供給采購方。運行范圍內(nèi)不希望運行轉(zhuǎn)速的出現(xiàn)應(yīng)減到最小。”

從以上內(nèi)容不難看出,變速驅(qū)動對振動分析的要求較定速驅(qū)動高,需要避開全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的所有風(fēng)險點以保證機組安全穩(wěn)定運行。

4 結(jié)論

通過以上分析得出,變頻電機驅(qū)動往復(fù)壓縮機在流量調(diào)節(jié)方面為被動流量調(diào)節(jié),在采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量時,往復(fù)壓縮機組需要與實際管路特性綜合考慮;在轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時其各級反向角也會存在不同程度變化,驅(qū)動電機溫升和振動也是在選用變頻電機驅(qū)動往復(fù)壓縮機應(yīng)注意的問題。由于目前變頻電機驅(qū)動往復(fù)壓縮機使用數(shù)量有限,尤其是大功率機組,因此還需總結(jié)實踐經(jīng)驗,結(jié)合變頻電機驅(qū)動節(jié)能等多方面因素進行綜合分析,保證天然氣增壓環(huán)節(jié)安全穩(wěn)定運行。