GR200W型螺桿機進氣控制節能改造

龍 濤，馬 鵬，袁宗澤

（中國空氣動力研究與發展中心技術勤務站，四川綿陽 62100）

0 引言

壓縮機是石化行業能源消耗大戶，節能減排是該行業重要關注點之一。隨著石油化工設備向大型化發展，大功率壓縮機也普遍應用于石油化工系統工藝流程中。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，并可能出現在一段時間內余量較大的情況。某壓縮空氣系統中，2臺GR200W螺桿機同時為1臺CFA34活塞機提供進氣氣源，經過活塞機的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，達到調節余量，節約能源的目的。

1 GR200W螺桿機控制原理及系統存在的問題

1.1 進氣系統控制原理

GR200W螺桿機系統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。冷卻后經液態水分離器，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過冷卻。回油止回閥，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氣量調節模式。

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（被調參數穩定在給定值附近，穩定值與給定值之差稱為靜差），當被調壓力參數穩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現場情況調整，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。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。

智能蝶閥控制方式由PLC作邏輯判斷，根據管網壓力輸出控制信號調節蝶閥開度。蝶閥開啟時，空氣均勻吸入，不存在明顯的阻力和拐彎，因此阻力小；停車時止回閥迅速關閉，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的崩潰。且該控制方式進氣節流時壓力比持續增加，會使排氣溫度逐漸升高，因此必須限制容積流量的調節范圍（100%～80%）。

2.2 反比例閥調節控制方式

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，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流孔向大氣泄放壓力，以穩定該壓力。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，實現氣量連續調節功能。

反比例閥上部的調節桿設定壓力值，扭松調節桿固定螺帽順時針轉動調節桿使設定壓力提高，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，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%實現連續調節功能。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。

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，以氣動控制實現卸荷閥的連續調節。該方式可靠性高、操作性強、易實現，未有電控改進環節，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流，節流時壓力比持續增加，會使排氣溫度逐漸升高，故必須限制容積流量的調節范圍（100%～80%）。

圖1 HKP型反比例閥工作原理

2.3 變頻器調節控制方式

變頻器控制系統是一個壓力閉環控制系統，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。

變頻器控制系統有一個設定壓力值，通過管網壓力傳感器提供的實時壓力與設定壓力值進行對比，根據對比結果，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高于設定壓力值時，PID調節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原理

圖3 變頻器控制系統工作原理

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熱量不高時，為節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。變頻器控制系統是在原有工頻控制系統基礎上增加的一套系統，變頻器出現問題時，可手動切換到原工頻控制系統，保證生產的連續性。

變頻器控制系統能夠根據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螺桿機的連續氣量調節，避免重復加卸載，使管網上下壓力穩定，可以降低甚至消除壓力波動，使下游活塞機進氣壓力穩定。方案一通過PLC編程控制智能蝶閥開度實現連續氣量調節；方案二通過反比例閥輸出氣源控制卸荷閥開度以實現連續氣量調節。這2種方式都是調節螺桿機的進氣通道開度實現輸出氣量調節，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轉速來實現氣量調節。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，實現節能，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能效果更好。