無級氣量調節系統對往復壓縮機驅動電機的影響分析

陳 超,史何秋,周天旭,王 威

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

往復式壓縮機具有中小流量、高壓比等優點,廣泛應用于氣體壓縮領域。其一旦制造出來,入口狀態下的吸入氣體量就基本固定了。為了適應變負荷工況,人們開發了多種流量調節方式,其中的無級氣量調節方式因具有可進行無級調節、省功等優點,廣泛應用于大型往復式壓縮機中【1】。

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

實際生產操作中,很多現場操作人員都會發現,部分機組在使用了無級氣量調節系統后,會發生電動機電流跳動加劇的情況,而相關文獻中,未見有學者對無級氣量調節系統作用下往復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

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

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中規定,對于同步電機驅動的壓縮機,整個機組的轉動慣量應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,還可能導致轉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生共振、同步機失去同步,進而導致故障發生。同時,電流的脈動還會引起電網的波動,影響電網中的其他用電設備。

一般的往復式壓縮機是由同步電動機驅動的,因此本文著重介紹驅動往復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。第一種是傳統的電流脈動計算,主要是將阻力矩進行傅里葉級數分解后,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計手冊相關書籍或論文【4】中都會涉及,本文不再贅述。第二種是借助Ansys maxwell專業軟件進行模擬計算,雖然這種方法可以得到更多細節且更精確,但是建模過程相對復雜。因此,本文依舊使用傳統的電流脈動計算方法。

2 無級氣量調節系統下的電流脈動

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

除了轉動慣量外,還需要知道壓縮機在1圈360°范圍內每個角度下的曲軸扭矩值。一般壓縮機廠在設計壓縮機時,是按照100%的氣量負荷進行設計的,其曲軸扭矩值也是按照全負荷計算的,很少計算在無級氣量調節系統作用下,部分負荷時的曲軸扭矩值。其實只要知道不同負荷時吸氣閥延遲關閉的位置,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,就可以得到不同負荷條件下,壓縮機曲軸不同轉角的扭矩值。由于這項工作較為繁瑣,且相關論著中均有描述【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式壓縮機,相關參數如表1所示。

表1 某4M125新氫壓縮機參數

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

圖1 不同負荷下曲軸扭矩隨轉角變化

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

驅動這臺壓縮機的帶勵磁系統的同步電動機相關參數見表2,進行傅里葉級數分解后的相關阻力矩參數見表3。

表2 某4M125新氫壓縮機電機相關參數

表3 不同負荷下傅里葉級數分解后的阻力矩

有了圖1中不同負荷條件下的扭矩曲線,再結合表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,當往復式壓縮機負荷為100%時,其電機定子電流脈動值為21.67%,而當使用了無級氣量調節系統后,隨著壓縮機負荷的降低,電流脈動值逐漸增大,在20%負荷條件下,電機定子中的電流脈動值達到49.71%,已經與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節系統的往復式壓縮機,應該重點復核其驅動電機的定子電流脈動值是否會增加到標準上限或電網接受上限。

表4 不同負荷下電機定子電流脈動值

3 結語

本文通過電流脈動計算,首次得出配置了無級氣量調節系統的往復式壓縮機可能會引起電機定子電流脈動增大的結論。因此,在壓縮機選型計算時,應該重點復核其驅動電機的定子電流脈動值是否超過限定值。API 618—2010中不但規定了電流脈動的最大限定值,同時也規定了旋轉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置無級氣量調節系統,不但需要校核每個氣缸的反向角,同時還應校核曲軸的旋轉不均勻度和電機定子電流脈動值。一旦發現有超標情況,可以采取增大飛輪或電機轉動慣量的方法,也可以采用非對稱卸荷的方式減小曲軸轉矩的波動,從而使各項數據均達到標準要求。