摘要：微能大功率變頻器在寧夏寶塔石化集團公司石化一廠的氣壓機和空壓機上得到了成功的應用，取得了良好的節能效果。
關鍵詞：氣壓機 空壓機 變頻器 節能運行
一、引言
氣壓機和空壓機在石化行業應用十分普遍。氣壓機是將煉化過程中產生的石油氣加壓液化回收，空壓機則為企業提供生產用氣。由于石化企業的生產是連續不間斷的，因此要求氣壓機和空壓機常年連續運行，如果停止運行，輕則影響生產，重則造成設備及人身事故。
在設計選用氣壓機和空壓機的電動機容量時，通常是按設備滿負荷長時間運行來選擇的，故設計容量一般都偏大。在實際運行中電動機的負載率偏低，且輕載運行的時間所占比例很大。如采用變頻調速運行，則可大大提高電動機的運行效率，達到節能的效果，并可減小機械的磨損，延長設備的壽命。
對于氣壓機，為了防止入口壓力過低造成氣壓機喘振，一般通過反飛動閥向入口側反送氣，造成重復作功而浪費大量電能。采用變頻調速后，可以通過調整氣壓機的轉速來保持入口壓力恒定在設定的范圍內運行，不開火炬閥和反飛動閥，保證最佳的節能效果。
對于空壓機，一般采用調整出口門開度來調整出口壓力，當出口門開度減小時，電動機的運行功率減小并不多，空壓機運行在低效狀態，同樣造成大量電能浪費。如果用變頻器調速，則可根據需要的用氣量動態調節空壓機的出口壓力恒定，提高了空壓機的運行效率，達到節能的目的。
二、空壓機變頻調速節能改造
寧夏寶塔石化集團公司一廠有活塞式空壓機三臺，制氣量為40m3/h和20m3/h；電動機功率分別為250kW一臺，130kW兩臺。每臺空壓機出口有氣壓罐，通過閥門連接到總氣管上。氣壓罐上裝有自動放氣閥，在氣壓過高時可自動開啟放氣閥以保證空壓機的安全。要求出口壓力不小于0.45MPa，大于0.5MPa時自動排空。根據生產用氣量的變化，一般運行一臺大機或運行兩臺小機即可滿足生產用氣的需要；在用氣高峰期，短時運行一大一小兩臺空壓機。
在空壓機的運行中有四大問題是用戶一直致力解決的：
(1) 如何提高供氣質量 (2) 如何節約高額的電費開支 (3) 如何降低工作環境的噪音 (4) 如何延長空壓機的使用壽命（檢修周期）
2.1 原空壓機電控系統的缺點
1、空壓機電動機采用星/三角起動方式，起動電流大，對設備和電網的沖擊大
2、供氣壓力主要靠增減空壓機的運行臺數來調整，供氣質量差。為了避免氣壓機的頻繁起停，當少開一臺空壓機時，供氣壓力偏低，不能滿足生產用氣的要求；多開一臺時，供氣壓力又偏高，電耗高，供氣成本高。
3、由于空壓機全速運轉，且要用出口閥門調整供氣壓力，造成空壓機房噪聲大。
4、系統排氣壓力高，管徑的配置達不到空壓機氣體的流速要求，造成管路壓降偏高，減荷能耗大。
2.2 變頻恒壓供氣系統設計和工作原理
通過對三臺空壓機進行變頻調速節能改造，能夠穩定供氣管網的壓力，達到恒壓供氣的目的。既降低了供氣能耗，又降低了空壓機房的噪音，也延長了設備的使用壽命。
每臺空壓機采用一臺變頻器驅動，采用一拖一帶工頻旁路設計方案。當變頻器故障時，空壓機可切換到工頻旁路運行，以保證供氣系統的可靠性。
恒壓供氣控制由系統DCS完成：由儲氣罐壓力傳感器向DCS提供壓力信號，與控制臺的壓力設定信號進行比較后經PID運算，向變頻器送出頻率指令信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制空壓機的轉速，達到恒壓供氣的目的。DCS系統送出的頻率指令信號為4~20mA電流信號，相對于0~100%調速范圍。由于變頻器電流信號輸入端子的阻抗為250Ω，若將三臺變頻器的信號端子串聯，總阻抗為750Ω，超出了DCS輸出信號的負載能力，所以采用一只500Ω標準電阻，將4~20mA電流信號轉換成2~10V電壓信號，再并聯接到三臺變頻器的電壓信號輸入端子VG，讓三臺變頻器同步運行，且任何一臺都可以隨時投入和退出運行。
2.3 變頻恒壓供氣系統功能和節能效果
1、三臺空壓機全部采用變頻驅動，且同步運行，可實現最大限度的節能效果；
2、根據儲氣罐壓力，DCS系統自動判斷開停空壓機的臺數和大小，并自動開停機；
3、全部機組實現了軟起停，大大減小了起動電流，避免了對電網和設備的沖擊，延長了設備的使用壽命；
4、每臺機組具備變頻和工頻運行雙功能，當變頻器故障時可以切換到工頻運行，保證供氣的可靠性；
5、供氣壓力設定值可根據實際生產情況由用戶隨時在DCS操作臺上修改，操作簡單；
6、恒壓氣確保管網不受壓力突變的沖擊，延長了管網的使用壽命，降低了維修成本；
7、具有完善的保護措施（過流、過壓、過載、過熱及電機相間和對地短路等），且變頻器具有自診斷功能，使系統的運轉率和可靠性大大提高；
8、變頻空壓機一般運行頻率為35~40Hz之間，其節能率在20~30%之間。
2.4 空壓機變頻調速改造過程中應注意的問題
1、由于活塞式空氣壓縮機的轉動慣量大（帶有大飛輪），在選用變頻器時應根據實際運行電流和具體的運行工況條件來確定變頻器的容量，且應根據空壓機的負載性質選用G型（通用型）變頻器。
2、應考慮壓力傳感器的安裝位置，應在滿足生產用氣需要的前提下，實現最大限度的節能效果；壓力傳感器和頻率指令應采用4~20mA標準信號，抗干擾能力強，信號線要采用雙芯屏蔽電纜；
3、變頻器的控制系統在應設有開環和閉環兩種控制模式，以便于在調試和特殊情況下使用；
4、在活塞式空氣壓縮機的調試中應嚴格注意電動機的轉向，應脫開離合器先驗證在變頻器驅動時的電動機轉向，使其按規定的方向旋轉，嚴禁電機反向運轉，避免造成主機設備的重大損失；
5、由于空氣壓縮機不允許長期在低速狀態工作，在低速下運行不僅穩定性差，容易發生喘振；另一方面，如果轉速過低，潤滑油壓過低（<0.2MPa），會使缸體的磨損加快，同時要保證足夠的出口壓力，故應在正式投運前設定合理的、安全的工作頻率下限值。
三、氣壓機變頻調速節能改造
寧夏寶塔石化集團公司石化一廠有活塞式氣壓機三臺，電動機功率均無160kW。其作用是將煉化過程中產生的石油氣加壓液化回收。一般運行兩臺氣壓機已能滿足生產的需要，另一臺維修備用。
由于煉化過程中產生的石油氣的數量是變化的，因而氣壓機的入口壓力PT1也是變化的。為了防止因入口壓力過低而引起氣壓機喘振，一般通過反飛動閥PV2從出口側向入口側反送氣，造成重復作功而浪費大量的電能。當入口壓力過高時則要打開火炬閥PV1排空燃燒，以保證設備的安全，但也造成了能源的浪費。采用變頻調速以后，可以通過調整氣壓機的轉速來維持入口壓力的恒定，關閉反飛動閥，并盡量避免開火炬閥，以實現最佳的節效果。
3.1 氣壓機運行工藝要求
PT1=0.03~0.08MPa工作正常，通過調整反飛動閥的開度調節入口壓力
PT1<0.03MPa 開反飛動閥
PT1>0.08MPa 打開火炬閥
PT2=0.9~1.6MPa 工作正常
3.2 氣壓機變頻調速節能改造方案
考慮到三臺氣壓機平時二用一備，為了節省投資，所以采用兩臺變頻器對氣壓機進行節能改造，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為新增兩臺變頻器隔離開關
3、 1ZJ，2ZJ為新增兩臺變頻器自動開關，當變頻器故障時可跳此開關
4、 K1，K2為新增兩臺變頻器輸出手動切換開關(雙擲開關) K1，K2并且要在機械上實現互鎖 (應可解鎖)
（1） 當K1在位置1時，K2可在位置1、2、3
（2） 當K1在位置2時，K2可在位置2、3
（3） 當K2在位置2時，K1可在位置1、2
（4） 當K2在位置3時，K2可在位置1、2、3 氣壓機變頻運行組：1、2；2、3；1、3
5、 當1#變頻器故障時，除了聯跳變頻器電源自動開關1ZJ外，隔離開關T4也應打掉，并且輸出切換開關應在位置2，變頻器2只能帶3#氣壓機工作，1#、2#氣壓機可投工頻運行。
6、 當2#變頻器故障時，操作同5款
7、 當K1、K2手動切換開關，應可實現機械互鎖，但也可以開鎖，以便實現靈活的控制功能
8、 當氣壓機變頻運行時，手動回路的隔離開關T1，T2，T3均應處于斷開狀態
但是這個方案有個缺點：當一臺變頻器因故障退出運行時，另一臺變頻器也要退出運行。因為氣壓機變、定并列工作時不好匹配，容易出現搶風和回流現象，嚴重時會引起氣壓機喘振，不象水泵裝有逆止閥可以防止回流。
最佳方案是每臺氣壓機配一臺變頻器，均采用一拖一帶工頻備用的結線方案。這樣，無論是某一臺氣壓機故障，或某一臺變頻器故障，都能保證有兩臺氣壓機變頻運行，收到最好的節能改造效果。
3.3 氣壓機變頻調速控制原理
氣壓機的閉環控制由DCS系統實現，以氣壓機的入口壓力PT1作為主調節參數，保證PT1在0.03~0.08MPa范圍內，使系統能正常工作，不開火炬閥和反飛動閥，保證實現最佳節能效果。同時兼顧PT2在0.9~1.6MPa范圍之內（由最低限制頻率保證）。變頻器接受DCS系統誤差送出的頻率指令信號（4~20mA），采用電流信號（IG）輸入方式，兩臺變頻器串聯。
變頻氣壓機必須同步運行（相同的轉速），以保證出口壓力一致，才能避免氣壓機的搶風和回流現象發生，以防止氣壓機喘振。
3.4 氣壓機變頻調速改造過程中應注意的問題
氣壓機在變頻調速節能改造過程中除了有空壓機相同的問題需要注意外，要進行變頻器最低工作頻率的試驗設定時，除了滿足氣壓機潤滑油壓的要求外，還要滿足氣壓機出口壓力PT2不小于0.9MPa的要求。
（注意：試驗應在兩臺氣壓機變頻運行時進行）
當兩臺氣壓機變頻運行時，其工作頻率在35~40Hz之間已能滿足生產要求，節電率在20~30%。
四、結語
實踐證明，微能大功率變頻器用于石化行業壓力變化范圍大的氣壓機和多機并聯運行恒壓供氣的空壓機的節能改造是非常理想的，也是十分成功的，取得了良好的節能效果。隨著用戶對變頻器的使用經驗和接受程度的提高，變頻器在石化行業有著更加廣泛的應用領域。