陳 超,史何秋,周天旭,王 威

(1. 中國石化工程建設(shè)有限公司,北京 100101; 2. 中國石化海南煉油化工有限公司,海南 578000)

往復(fù)式壓縮機具有中小流量、高壓比等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于氣體壓縮領(lǐng)域。其一旦制造出來,入口狀態(tài)下的吸入氣體量就基本固定了。為了適應(yīng)變負(fù)荷工況,人們開發(fā)了多種流量調(diào)節(jié)方式,其中的無級氣量調(diào)節(jié)方式因具有可進行無級調(diào)節(jié)、省功等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于大型往復(fù)式壓縮機中【1】。

無級氣量調(diào)節(jié)的原理是延遲關(guān)閉吸氣閥,使壓縮過程中的部分氣體回流到吸氣腔,從而實現(xiàn)減少壓縮氣體量的目的。在近些年的使用過程中,很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)了無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的弊端,有研究表明:無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)可能會導(dǎo)致十字頭銷處的反向角減小【2】,造成十字頭銷潤滑不暢,進而導(dǎo)致故障發(fā)生;也有研究表明:無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)可能會導(dǎo)致曲軸的扭矩波動增大,進而導(dǎo)致壓縮機旋轉(zhuǎn)不均勻度增大,降低曲軸疲勞壽命【3】。

實際生產(chǎn)操作中,很多現(xiàn)場操作人員都會發(fā)現(xiàn),部分機組在使用了無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后,會發(fā)生電動機電流跳動加劇的情況,而相關(guān)文獻中,未見有學(xué)者對無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)作用下往復(fù)式壓縮機電機定子電流脈動增大的情況進行研究分析,本文將主要就該問題進行分析。

1 電動機定子電流脈動

由于往復(fù)式壓縮機吸排氣是間斷的,因此其氣缸做功會隨著時間發(fā)生周期性變化,造成了曲軸上扭矩的周期性變化,進而導(dǎo)致電動機輸出功和定子電流呈現(xiàn)周期性變化。

IEC 60034中將電機定子中電流的變化稱為電流脈動。電流脈動可根據(jù)式(1)進行計算。

(1)

式中:Icp——電流脈動值,%;

Imax——電流最大幅值,A;

Imin——電流最小幅值,A;

IN——電流額定值,A。

API 618—2010中規(guī)定,對于同步電機驅(qū)動的壓縮機,整個機組的轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)使得同步電機的電流脈動值<66%,而對于異步電動機來說,電流脈動值應(yīng)小于40%。

之所以要對電流脈動值進行限制,是因為電流周期性脈動不僅會增加功率和損耗,還可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子勵磁繞組絕緣破壞,更有甚者還會使得強制振蕩頻率和自然振蕩頻率相一致而發(fā)生共振、同步機失去同步,進而導(dǎo)致故障發(fā)生。同時,電流的脈動還會引起電網(wǎng)的波動,影響電網(wǎng)中的其他用電設(shè)備。

一般的往復(fù)式壓縮機是由同步電動機驅(qū)動的,因此本文著重介紹驅(qū)動往復(fù)式壓縮機的同步電動機的電流脈動情況。

同步電機的電流脈動計算方法一般有兩種。第一種是傳統(tǒng)的電流脈動計算,主要是將阻力矩進行傅里葉級數(shù)分解后,再計算一次和二次諧波振蕩,最后計算電流脈動。這種計算過程在交流電動機設(shè)計手冊相關(guān)書籍或論文【4】中都會涉及,本文不再贅述。第二種是借助Ansys maxwell專業(yè)軟件進行模擬計算,雖然這種方法可以得到更多細(xì)節(jié)且更精確,但是建模過程相對復(fù)雜。因此,本文依舊使用傳統(tǒng)的電流脈動計算方法。

2 無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)下的電流脈動

要想計算電流脈動值,首先需要知道往復(fù)式壓縮機本體、飛輪以及電機的轉(zhuǎn)動慣量。這些數(shù)值在進行壓縮機及電機設(shè)計時,各個廠家均會提供。

除了轉(zhuǎn)動慣量外,還需要知道壓縮機在1圈360°范圍內(nèi)每個角度下的曲軸扭矩值。一般壓縮機廠在設(shè)計壓縮機時,是按照100%的氣量負(fù)荷進行設(shè)計的,其曲軸扭矩值也是按照全負(fù)荷計算的,很少計算在無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)作用下,部分負(fù)荷時的曲軸扭矩值。其實只要知道不同負(fù)荷時吸氣閥延遲關(guān)閉的位置,就能計算出氣缸的受力,并可進一步計算出該氣缸對曲軸的扭矩值,然后將壓縮機所有氣缸對曲軸的扭矩值按照相同相位角進行疊加,就可以得到不同負(fù)荷條件下,壓縮機曲軸不同轉(zhuǎn)角的扭矩值。由于這項工作較為繁瑣,且相關(guān)論著中均有描述【5】,在此不再贅述。

以1臺4M125的新氫壓縮機舉例說明,該壓縮機為雙三缸的往復(fù)式壓縮機,相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 某4M125新氫壓縮機參數(shù)

通過表1中數(shù)據(jù)可以計算出不同負(fù)荷條件下壓縮機曲軸所受扭矩值。因為無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)可實現(xiàn)無級調(diào)節(jié),不可能計算所有負(fù)荷點下的扭矩值,因此取20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%,90%,100%這9個負(fù)荷,并將其在一圈中的扭矩變化情況繪制出來,見圖1。

圖1 不同負(fù)荷下曲軸扭矩隨轉(zhuǎn)角變化

從圖1中可以看出:隨著壓縮機負(fù)荷的減小,曲軸的最大正扭矩值變化很小,而曲軸的最大負(fù)扭矩卻在不斷增加;20%負(fù)荷下,在曲軸轉(zhuǎn)角110°附近存在最大的負(fù)扭矩值。因此可以得出結(jié)論,這臺4M125型往復(fù)式壓縮機隨著負(fù)荷降低,曲軸的扭矩波動越來越大。

驅(qū)動這臺壓縮機的帶勵磁系統(tǒng)的同步電動機相關(guān)參數(shù)見表2,進行傅里葉級數(shù)分解后的相關(guān)阻力矩參數(shù)見表3。

表2 某4M125新氫壓縮機電機相關(guān)參數(shù)

表3 不同負(fù)荷下傅里葉級數(shù)分解后的阻力矩

有了圖1中不同負(fù)荷條件下的扭矩曲線,再結(jié)合表2和表3,就很容易按照電流脈動計算程序,計算出不同負(fù)荷條件下電機定子中的電流脈動值,如表4 所示。從表4可以看出,當(dāng)往復(fù)式壓縮機負(fù)荷為100%時,其電機定子電流脈動值為21.67%,而當(dāng)使用了無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后,隨著壓縮機負(fù)荷的降低,電流脈動值逐漸增大,在20%負(fù)荷條件下,電機定子中的電流脈動值達到49.71%,已經(jīng)與API 618—2010要求的電機定子電流的上限值66%很接近了。由此可見,對于配置了無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的往復(fù)式壓縮機,應(yīng)該重點復(fù)核其驅(qū)動電機的定子電流脈動值是否會增加到標(biāo)準(zhǔn)上限或電網(wǎng)接受上限。

表4 不同負(fù)荷下電機定子電流脈動值

3 結(jié)語

本文通過電流脈動計算,首次得出配置了無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的往復(fù)式壓縮機可能會引起電機定子電流脈動增大的結(jié)論。因此,在壓縮機選型計算時,應(yīng)該重點復(fù)核其驅(qū)動電機的定子電流脈動值是否超過限定值。API 618—2010中不但規(guī)定了電流脈動的最大限定值,同時也規(guī)定了旋轉(zhuǎn)不均勻度的最大限定值,實際上,這兩者是一回事。如果一臺壓縮機要設(shè)置無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng),不但需要校核每個氣缸的反向角,同時還應(yīng)校核曲軸的旋轉(zhuǎn)不均勻度和電機定子電流脈動值。一旦發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)情況,可以采取增大飛輪或電機轉(zhuǎn)動慣量的方法,也可以采用非對稱卸荷的方式減小曲軸轉(zhuǎn)矩的波動,從而使各項數(shù)據(jù)均達到標(biāo)準(zhǔn)要求。