龍 濤，馬 鵬，袁宗澤

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心技術勤務站，四川綿陽 62100）

0 引言

壓縮機是石化行業(yè)能源消耗大戶，節(jié)能減排是該行業(yè)重要關注點之一。隨著石油化工設備向大型化發(fā)展，大功率壓縮機也普遍應用于石油化工系統(tǒng)工藝流程中。一般情況下，生產負荷往往會在一定范圍內變動，壓縮機的功率相對于生產負荷也會有一定的余量，并可能出現(xiàn)在一段時間內余量較大的情況。某壓縮空氣系統(tǒng)中，2臺GR200W螺桿機同時為1臺CFA34活塞機提供進氣氣源，經(jīng)過活塞機的4級壓縮后得到22 MPa壓縮空氣。通過改變GR200W螺桿機進氣控制方式及增加電機變頻器，達到調節(jié)余量，節(jié)約能源的目的。

1 GR200W螺桿機控制原理及系統(tǒng)存在的問題

1.1 進氣系統(tǒng)控制原理

GR200W螺桿機系統(tǒng)主要構成包括空氣過濾器、卸荷閥、單向閥、電磁閥、螺桿機頭、油氣分離器、最小壓力閥、溫控閥、油過濾器、冷卻器、回油止回閥及壓力開關。

（1）壓縮空氣流向通道。空氣通過空氣過濾器以及卸荷閥進入壓縮機頭，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進氣口。

（2）潤滑油通道。潤滑油在空氣壓力的推動下，經(jīng)過冷卻器、過濾器和斷油閥，到達螺桿機壓縮機頭以及各個需要潤滑的位置。油和壓縮空氣一起進入油氣分離器，油被分離。溫控閥會自動判別輸出的油溫從而決定油是否需要經(jīng)過冷卻?；赜椭够亻y，可以防止停機時仍向壓縮機頭噴油。

（3）進氣控制通道。GR200W螺桿機采用彈簧式卸荷閥與電磁閥組合方式控制進氣的加/卸載。當PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）檢測壓力達到設定上限時，電磁閥斷電,卸荷閥氣腔的控制壓力通過放氣通道泄放掉，卸荷閥柱塞通過彈簧力關閉進氣通道；當壓力降到設定下限時，電磁閥上電，電磁閥開啟，控制壓力進入卸荷閥腔室，卸荷閥克服彈簧力打開。

1.2 存在的問題

壓縮空氣系統(tǒng)由2臺GR200W螺桿機、1臺CFA34活塞機、1臺干燥器組成。螺桿機設計最大排氣壓力2 MPa，2臺GR200W螺桿機同時為CFA34活塞機提供進氣氣源，經(jīng)過活塞機4級壓縮，干燥后得到22 MPa成品壓縮空氣。由于2臺GR200W螺桿機產氣量略大于CFA34活塞機的進氣需求，隨著CFA34活塞機活塞環(huán)的長時間磨損，活塞機流量不斷下降，所需進氣量隨之減小，造成2臺螺桿機反復加卸載，損失部分能耗。

分析GR200W螺桿機進氣控制可知，其流量及壓力主要通過PLC、電磁閥控制卸荷閥的開閉調節(jié)流量及壓力。因活塞機本身流量設計以及工況變化引起所需氣量減小，導致2臺GR200W提供的進氣量大于活塞機需求的進氣量，從而引起GR200W螺桿機頻繁加卸載，造成能量損耗和易損件的沖擊損壞。對此，將GR200W螺桿式壓縮機原加卸載模式改為連續(xù)氣量調節(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電源后電機不動，但內部控制電路板可以工作。輸入（4～20）mA電流時，蝶閥做相應動作，在4 mA時關閉，20 mA時開啟。（4～20）mA模擬反饋信號反映閥門開度的大小，控制電流與蝶閥開關量成線性關系。

改進方法：把原彈簧式卸荷閥，改為智能型蝶閥+止回閥方式。螺桿機最終管網(wǎng)排氣壓力由傳感器反饋到PLC，PLC通過反饋來的壓力變量編程輸出（4～20）mA電流給蝶閥控制器，控制蝶閥開度。PLC每隔（0.1～0.5）s檢測一次最終管網(wǎng)排氣壓力P當前，并與設定壓力值P設進行比較。若P當前約P設，增加對閥門控制電流輸入；若P當前=P設，保持現(xiàn)有控制電流，閥門無動作；若P當前>P設，減小對閥門控制電流的輸入。

對△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)螺桿機設計壓力2 MPa，額定工作壓力1.9 MPa，最大偏差壓力△Pmax=1.9 MPa。當偏差壓力△P越大,增加的控制電流△i越大，控制電流超過20 mA時取值20 mA；偏差壓力△P越小，增加的控制電流越小。I目標=I當前+16/1.9（P設-P當前）簡化得：I目標=I當前+16/1.9△P，I目標約約20 mA。

而當偏差壓力△P無限接近于零時，增加或減少的控制電流會越來越小，此時閥門會小幅度頻繁動作，需要設置靜差量C（被調參數(shù)穩(wěn)定在給定值附近，穩(wěn)定值與給定值之差稱為靜差），當被調壓力參數(shù)穩(wěn)定在給定壓力值附近時，即無需增加或減少控制電流。在設定靜差時需要根據(jù)現(xiàn)場情況調整，靜差值設定過大會使偏差壓力△P變大從而影響閥門調節(jié)品質，設定過小會使閥門頻繁動作。停車時，由于機頭內氣體有回頂壓力以及配重塊有回復關閉力，使止回閥迅速關閉，阻止壓縮機停車時向外噴油。

當機組需要卸載時，PLC輸出信號關閉進氣蝶閥，加卸載電磁閥開啟油氣分離器放氣通道。進氣蝶閥閥芯板設進氣小孔，啟動或卸載時保證能有少量氣流量進入油氣分離器，保證螺桿機內部循環(huán)所需，以及向螺桿機內部螺桿噴油的最低壓力和冷卻潤滑油的自循環(huán)。當機組需要重新加載時，PLC輸出信號開啟進氣蝶閥，加卸載電磁閥關閉油氣分離器放氣通道，螺桿機進入加載狀態(tài)。

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

2.2 反比例閥調節(jié)控制方式

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

低于設定壓力值時，壓力P產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啟狀態(tài)，則P與P1壓力相當。輸出壓力P1一路進入卸荷閥的氣腔，控制卸荷閥全開，另一路通過反比例閥上一小節(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高于設定壓力值時，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，同時小節(jié)流孔放空導致P1降低。即壓力P越高時，錐閥開度越小，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，使后端卸荷閥開度成反比例的減小，實現(xiàn)氣量連續(xù)調節(jié)功能。

反比例閥上部的調節(jié)桿設定壓力值，扭松調節(jié)桿固定螺帽順時針轉動調節(jié)桿使設定壓力提高，逆時針轉動則設定壓力降低。

在原彈簧式卸荷閥基礎上增加反比例閥+卸載閥及通道式進氣控制系統(tǒng)，見圖2。機組加載時，油氣分離器空氣通過通道5及反比例閥進入卸荷閥氣腔兩端推動卸荷閥克服彈簧阻力實現(xiàn)開啟。當螺桿機加載時的壓力與反比例閥設定壓力值相當時，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，使卸荷閥開度隨用氣量大小在0～100%實現(xiàn)連續(xù)調節(jié)功能。當機組卸載時，由PLC控制卸載電磁閥通過通道6，7分別排放油氣分離器以及滑閥氣腔內壓力，卸荷閥在彈簧力的作用下關閉進氣通道。少量的氣會通過預留小孔進入壓縮機頭，以滿足螺桿機內部循環(huán)所需，以及向螺桿機內部螺桿噴油的最低壓力和冷卻潤滑油的自循環(huán)。

增加反比例閥控制方式，在保留原卸荷閥基礎上增加反比例閥及控制通道，以氣動控制實現(xiàn)卸荷閥的連續(xù)調節(jié)。該方式可靠性高、操作性強、易實現(xiàn)，未有電控改進環(huán)節(jié)，維護維護方便。但該控制方式與智能蝶閥控制方式一樣，是對螺桿機進氣進行節(jié)流，節(jié)流時壓力比持續(xù)增加，會使排氣溫度逐漸升高，故必須限制容積流量的調節(jié)范圍（100%～80%）。

圖1 HKP型反比例閥工作原理

2.3 變頻器調節(jié)控制方式

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

變頻器控制系統(tǒng)有一個設定壓力值，通過管網(wǎng)壓力傳感器提供的實時壓力與設定壓力值進行對比，根據(jù)對比結果，利用PID（Pro-portion Integration Differentiation，比例積分微分）控制電機轉速，使實時壓力維持在設定的壓力值。即活塞機用氣需求量增加，螺桿機的實時壓力低于設定壓力值時，由PID調節(jié)使變頻器輸出頻率升高，提高電機轉速；若活塞機用氣需求量減少，螺桿機的實時壓力出現(xiàn)高于設定壓力值時，PID調節(jié)變頻器輸出頻率降低，降低電機轉速。

圖2 改進后進氣控制系統(tǒng)原理

圖3 變頻器控制系統(tǒng)工作原理

變頻器內置PID功能，可以直接由壓力傳感器輸入壓力信號（4～20）mA。PID進行邏輯判斷后輸出控制信號給變頻器，變頻器對電機進行變頻調速，從而引起螺桿機實時壓力變大變小，使得其維持在設定壓力值。變頻器的輸出頻率一般控制在（20～50）Hz。如果電機低頻工作而發(fā)熱量不高時，為節(jié)約能源可以將輸出頻率設置的更低一些，但需要確保電機溫度臆80℃，并設置變頻器頻率過低保護。增加電機溫度控制器以保護電機，改造后電機溫度受到電機轉速影響需要檢測保護。變頻器控制系統(tǒng)是在原有工頻控制系統(tǒng)基礎上增加的一套系統(tǒng)，變頻器出現(xiàn)問題時，可手動切換到原工頻控制系統(tǒng)，保證生產的連續(xù)性。

變頻器控制系統(tǒng)能夠根據(jù)螺桿機實時壓力精準的控制電機速度，使實時壓力維持在設定壓力值，即與活塞機進氣需求壓力相匹配，節(jié)約能源并提高工況。但變頻改造后電機溫度受到電機轉速和輔助風機影響，需要實時監(jiān)控，防止溫度過高燒壞電機。

3 結束語

3種改造方式都能實現(xiàn)螺桿機的連續(xù)氣量調節(jié)，避免重復加卸載，使管網(wǎng)上下壓力穩(wěn)定，可以降低甚至消除壓力波動，使下游活塞機進氣壓力穩(wěn)定。方案一通過PLC編程控制智能蝶閥開度實現(xiàn)連續(xù)氣量調節(jié)；方案二通過反比例閥輸出氣源控制卸荷閥開度以實現(xiàn)連續(xù)氣量調節(jié)。這2種方式都是調節(jié)螺桿機的進氣通道開度實現(xiàn)輸出氣量調節(jié)，但即使在活塞機進氣需求量很小的工況下，電機的運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轉矩的情況下，改變電機頻率從而調節(jié)轉速來實現(xiàn)氣量調節(jié)。由于螺桿機電機轉速與其實際功率消耗成線性關系，因此，低轉速時，螺桿機的功率消耗較少。對比分析：當活塞機用氣需求量較少時，通過變頻器可以降低螺桿機電機的轉速，降低功耗，實現(xiàn)節(jié)能，且噪聲更低。一般來說，空氣壓縮機的運行成本包括3個部分，即初始采購成本、維護成本和能源成本，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%，從長遠看變頻控制方式節(jié)能效果更好。