一、引言

氣壓機(jī)和空壓機(jī)在石化行業(yè)應(yīng)用十分普遍。氣壓機(jī)是將煉化過程中產(chǎn)生的石油氣加壓液化回收，空壓機(jī)則為企業(yè)提供生產(chǎn)用氣。由于石化企業(yè)的生產(chǎn)是連續(xù)不間斷的，因此要求氣壓機(jī)和空壓機(jī)常年連續(xù)運(yùn)行，如果停止運(yùn)行，輕則影響生產(chǎn)，重則造成設(shè)備及人身事故。

在設(shè)計(jì)選用氣壓機(jī)和空壓機(jī)的電動(dòng)機(jī)容量時(shí)，通常是按設(shè)備滿負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行來選擇的，故設(shè)計(jì)容量一般都偏大。在實(shí)際運(yùn)行中電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率偏低，且輕載運(yùn)行的時(shí)間所占比例很大。如采用變頻調(diào)速運(yùn)行，則可大大提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能的效果，并可減小機(jī)械的磨損，延長(zhǎng)設(shè)備的壽命。

對(duì)于氣壓機(jī)，為了防止入口壓力過低造成氣壓機(jī)喘振，一般通過反飛動(dòng)閥向入口側(cè)反送氣，造成重復(fù)作功而浪費(fèi)大量電能。采用變頻調(diào)速后，可以通過調(diào)整氣壓機(jī)的轉(zhuǎn)速來保持入口壓力恒定在設(shè)定的范圍內(nèi)運(yùn)行，不開火炬閥和反飛動(dòng)閥，保證最佳的節(jié)能效果。

對(duì)于空壓機(jī)，一般采用調(diào)整出口門開度來調(diào)整出口壓力，當(dāng)出口門開度減小時(shí)，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率減小并不多，空壓機(jī)運(yùn)行在低效狀態(tài)，同樣造成大量電能浪費(fèi)。如果用變頻器調(diào)速，則可根據(jù)需要的用氣量動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)空壓機(jī)的出口壓力恒定，提高了空壓機(jī)的運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能的目的。

二、空壓機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能改造

寧夏寶塔石化集團(tuán)公司一廠有活塞式空壓機(jī)三臺(tái)，制氣量為40m3/h和20m3/h；電動(dòng)機(jī)功率分別為250kW一臺(tái)，130kW兩臺(tái)。每臺(tái)空壓機(jī)出口有氣壓罐，通過閥門連接到總氣管上。氣壓罐上裝有自動(dòng)放氣閥，在氣壓過高時(shí)可自動(dòng)開啟放氣閥以保證空壓機(jī)的安全。要求出口壓力不小于0.45MPa，大于0.5MPa時(shí)自動(dòng)排空。根據(jù)生產(chǎn)用氣量的變化，一般運(yùn)行一臺(tái)大機(jī)或運(yùn)行兩臺(tái)小機(jī)即可滿足生產(chǎn)用氣的需要；在用氣高峰期，短時(shí)運(yùn)行一大一小兩臺(tái)空壓機(jī)。

在空壓機(jī)的運(yùn)行中有四大問題是用戶一直致力解決的：

(1) 如何提高供氣質(zhì)量              (2) 如何節(jié)約高額的電費(fèi)開支

(3) 如何降低工作環(huán)境的噪音    (4) 如何延長(zhǎng)空壓機(jī)的使用壽命（檢修周期）

2.1 原空壓機(jī)電控系統(tǒng)的缺點(diǎn)

1.空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)采用星/三角起動(dòng)方式，起動(dòng)電流大，對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)的沖擊大

2.供氣壓力主要靠增減空壓機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)來調(diào)整，供氣質(zhì)量差。為了避免氣壓機(jī)的頻繁起停，當(dāng)少開一臺(tái)空壓機(jī)時(shí)，供氣壓力偏低，不能滿足生產(chǎn)用氣的要求；多開一臺(tái)時(shí)，供氣壓力又偏高，電耗高，供氣成本高。

3.由于空壓機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，且要用出口閥門調(diào)整供氣壓力，造成空壓機(jī)房噪聲大。

4.系統(tǒng)排氣壓力高，管徑的配置達(dá)不到空壓機(jī)氣體的流速要求，造成管路壓降偏高，減荷能耗大。

2.2 變頻恒壓供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工作原理

通過對(duì)三臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造，能夠穩(wěn)定供氣管網(wǎng)的壓力，達(dá)到恒壓供氣的目的。既降低了供氣能耗，又降低了空壓機(jī)房的噪音，也延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

每臺(tái)空壓機(jī)采用一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)，采用一拖一帶工頻旁路設(shè)計(jì)方案。當(dāng)變頻器故障時(shí)，空壓機(jī)可切換到工頻旁路運(yùn)行，以保證供氣系統(tǒng)的可靠性。

恒壓供氣控制由系統(tǒng)DCS完成：由儲(chǔ)氣罐壓力傳感器向DCS提供壓力信號(hào)，與控制臺(tái)的壓力設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比較后經(jīng)PID運(yùn)算，向變頻器送出頻率指令信號(hào)，控制變頻器的輸出頻率，從而控制空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到恒壓供氣的目的。DCS系統(tǒng)送出的頻率指令信號(hào)為4~20mA電流信號(hào)，相對(duì)于0~100%調(diào)速范圍。由于變頻器電流信號(hào)輸入端子的阻抗為250Ω，若將三臺(tái)變頻器的信號(hào)端子串聯(lián)，總阻抗為750Ω，超出了DCS輸出信號(hào)的負(fù)載能力，所以采用一只500Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻，將4~20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成2~10V電壓信號(hào)，再并聯(lián)接到三臺(tái)變頻器的電壓信號(hào)輸入端子VG，讓三臺(tái)變頻器同步運(yùn)行，且任何一臺(tái)都可以隨時(shí)投入和退出運(yùn)行。

2.3 變頻恒壓供氣系統(tǒng)功能和節(jié)能效果

1、三臺(tái)空壓機(jī)全部采用變頻驅(qū)動(dòng)，且同步運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能效果；

2、根據(jù)儲(chǔ)氣罐壓力，DCS系統(tǒng)自動(dòng)判斷開停空壓機(jī)的臺(tái)數(shù)和大小，并自動(dòng)開停機(jī)；

3、全部機(jī)組實(shí)現(xiàn)了軟起停，大大減小了起動(dòng)電流，避免了對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命；

4、每臺(tái)機(jī)組具備變頻和工頻運(yùn)行雙功能，當(dāng)變頻器故障時(shí)可以切換到工頻運(yùn)行，保證供氣的可靠性；

5、供氣壓力設(shè)定值可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況由用戶隨時(shí)在DCS操作臺(tái)上修改，操作簡(jiǎn)單；

6、恒壓氣確保管網(wǎng)不受壓力突變的沖擊，延長(zhǎng)了管網(wǎng)的使用壽命，降低了維修成本；

7、具有完善的保護(hù)措施（過流、過壓、過載、過熱及電機(jī)相間和對(duì)地短路等），且變頻器具有自診斷功能，使系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)率和可靠性大大提高；

8、變頻空壓機(jī)一般運(yùn)行頻率為35~40Hz之間，其節(jié)能率在20~30%之間。

2.4 空壓機(jī)變頻調(diào)速改造過程中應(yīng)注意的問題

1、由于活塞式空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大（帶有大飛輪），在選用變頻器時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行電流和具體的運(yùn)行工況條件來確定變頻器的容量，且應(yīng)根據(jù)空壓機(jī)的負(fù)載性質(zhì)選用G型（通用型）變頻器。

2、應(yīng)考慮壓力傳感器的安裝位置，應(yīng)在滿足生產(chǎn)用氣需要的前提下，實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能效果；壓力傳感器和頻率指令應(yīng)采用4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)線要采用雙芯屏蔽電纜；

3、變頻器的控制系統(tǒng)在應(yīng)設(shè)有開環(huán)和閉環(huán)兩種控制模式，以便于在調(diào)試和特殊情況下使用；

4、在活塞式空氣壓縮機(jī)的調(diào)試中應(yīng)嚴(yán)格注意電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，應(yīng)脫開離合器先驗(yàn)證在變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向，使其按規(guī)定的方向旋轉(zhuǎn)，嚴(yán)禁電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，避免造成主機(jī)設(shè)備的重大損失；

5、由于空氣壓縮機(jī)不允許長(zhǎng)期在低速狀態(tài)工作，在低速下運(yùn)行不僅穩(wěn)定性差，容易發(fā)生喘振；另一方面，如果轉(zhuǎn)速過低，潤(rùn)滑油壓過低（<0.2MPa），會(huì)使缸體的磨損加快，同時(shí)要保證足夠的出口壓力，故應(yīng)在正式投運(yùn)前設(shè)定合理的、安全的工作頻率下限值。

三、氣壓機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能改造

寧夏寶塔石化集團(tuán)公司石化一廠有活塞式氣壓機(jī)三臺(tái)，電動(dòng)機(jī)功率均無160kW。其作用是將煉化過程中產(chǎn)生的石油氣加壓液化回收。一般運(yùn)行兩臺(tái)氣壓機(jī)已能滿足生產(chǎn)的需要，另一臺(tái)維修備用。

由于煉化過程中產(chǎn)生的石油氣的數(shù)量是變化的，因而氣壓機(jī)的入口壓力PT1也是變化的。為了防止因入口壓力過低而引起氣壓機(jī)喘振，一般通過反飛動(dòng)閥PV2從出口側(cè)向入口側(cè)反送氣，造成重復(fù)作功而浪費(fèi)大量的電能。當(dāng)入口壓力過高時(shí)則要打開火炬閥PV1排空燃燒，以保證設(shè)備的安全，但也造成了能源的浪費(fèi)。采用變頻調(diào)速以后，可以通過調(diào)整氣壓機(jī)的轉(zhuǎn)速來維持入口壓力的恒定，關(guān)閉反飛動(dòng)閥，并盡量避免開火炬閥，以實(shí)現(xiàn)最佳的節(jié)效果。

3.1 氣壓機(jī)運(yùn)行工藝要求

PT1=0.03~0.08MPa工作正常，通過調(diào)整反飛動(dòng)閥的開度調(diào)節(jié)入口壓力

PT1<0.03MPa　　　 　開反飛動(dòng)閥

PT1>0.08MPa　　　　 打開火炬閥

PT2=0.9~1.6MPa　　　工作正常

3.2 氣壓機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能改造方案

考慮到三臺(tái)氣壓機(jī)平時(shí)二用一備，為了節(jié)省投資，所以采用兩臺(tái)變頻器對(duì)氣壓機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，主回路采用二拖三控制方案：如下圖

1、 T1，T2，T3為原控制柜空開，保留不變

2、 T4，T5為新增兩臺(tái)變頻器隔離開關(guān)

3、 1ZJ，2ZJ為新增兩臺(tái)變頻器自動(dòng)開關(guān)，當(dāng)變頻器故障時(shí)可跳此開關(guān)

4、 K1，K2為新增兩臺(tái)變頻器輸出手動(dòng)切換開關(guān)(雙擲開關(guān)) K1，K2并且要在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖 (應(yīng)可解鎖)

1、當(dāng)K1在位置1時(shí)，K2可在位置1、2、3

2、當(dāng)K1在位置2時(shí)，K2可在位置2、3

3、當(dāng)K2在位置2時(shí)，K1可在位置1、2

4、當(dāng)K2在位置3時(shí)，K2可在位置1、2、3 氣壓機(jī)變頻運(yùn)行組：1、2；2、3；1、3 

5、當(dāng)1#變頻器故障時(shí)，除了聯(lián)跳變頻器電源自動(dòng)開關(guān)1ZJ外，隔離開關(guān)T4也應(yīng)打掉，并且輸出切換開關(guān)應(yīng)在位置2，變頻器2只能帶3#氣壓機(jī)工作，1#、2#氣壓機(jī)可投工頻運(yùn)行。

6、當(dāng)2#變頻器故障時(shí)，操作同5款

7、當(dāng)K1、K2手動(dòng)切換開關(guān)，應(yīng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械互鎖，但也可以開鎖，以便實(shí)現(xiàn)靈活的控制功能

8、當(dāng)氣壓機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，手動(dòng)回路的隔離開關(guān)T1，T2，T3均應(yīng)處于斷開狀態(tài)

但是這個(gè)方案有個(gè)缺點(diǎn)：當(dāng)一臺(tái)變頻器因故障退出運(yùn)行時(shí)，另一臺(tái)變頻器也要退出運(yùn)行。因?yàn)闅鈮簷C(jī)變、定并列工作時(shí)不好匹配，容易出現(xiàn)搶風(fēng)和回流現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起氣壓機(jī)喘振，不象水泵裝有逆止閥可以防止回流。

最佳方案是每臺(tái)氣壓機(jī)配一臺(tái)變頻器，均采用一拖一帶工頻備用的結(jié)線方案。這樣，無論是某一臺(tái)氣壓機(jī)故障，或某一臺(tái)變頻器故障，都能保證有兩臺(tái)氣壓機(jī)變頻運(yùn)行，收到最好的節(jié)能改造效果。

3.3 氣壓機(jī)變頻調(diào)速控制原理

氣壓機(jī)的閉環(huán)控制由DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，以氣壓機(jī)的入口壓力PT1作為主調(diào)節(jié)參數(shù)，保證PT1在0.03~0.08MPa范圍內(nèi)，使系統(tǒng)能正常工作，不開火炬閥和反飛動(dòng)閥，保證實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能效果。同時(shí)兼顧PT2在0.9~1.6MPa范圍之內(nèi)（由最低限制頻率保證）。變頻器接受DCS系統(tǒng)誤差送出的頻率指令信號(hào)（4~20mA），采用電流信號(hào)（IG）輸入方式，兩臺(tái)變頻器串聯(lián)。

變頻氣壓機(jī)必須同步運(yùn)行（相同的轉(zhuǎn)速），以保證出口壓力一致，才能避免氣壓機(jī)的搶風(fēng)和回流現(xiàn)象發(fā)生，以防止氣壓機(jī)喘振。

3.4 氣壓機(jī)變頻調(diào)速改造過程中應(yīng)注意的問題

氣壓機(jī)在變頻調(diào)速節(jié)能改造過程中除了有空壓機(jī)相同的問題需要注意外，要進(jìn)行變頻器最低工作頻率的試驗(yàn)設(shè)定時(shí)，除了滿足氣壓機(jī)潤(rùn)滑油壓的要求外，還要滿足氣壓機(jī)出口壓力PT2不小于0.9MPa的要求。

（注意：試驗(yàn)應(yīng)在兩臺(tái)氣壓機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)進(jìn)行）

當(dāng)兩臺(tái)氣壓機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，其工作頻率在35~40Hz之間已能滿足生產(chǎn)要求，節(jié)電率在20~30%。

四、結(jié)語

實(shí)踐證明，微能大功率變頻器用于石化行業(yè)壓力變化范圍大的氣壓機(jī)和多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行恒壓供氣的空壓機(jī)的節(jié)能改造是非常理想的，也是十分成功的，取得了良好的節(jié)能效果。隨著用戶對(duì)變頻器的使用經(jīng)驗(yàn)和接受程度的提高，變頻器在石化行業(yè)有著更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。