无级气量调节系统对往复压缩机驱动电机的影响分析

陈 超,史何秋,周天旭,王 威

(1. 中国石化工程建设有限公司,北京 100101; 2. 中国石化海南炼油化工有限公司,海南 578000)

往复式压缩机具有中小流量、高压比等优点,广泛应用于气体压缩领域。其一旦制造出来,入口状态下的吸入气体量就基本固定了。为了适应变负荷工况,人们开发了多种流量调节方式,其中的无级气量调节方式因具有可进行无级调节、省功等优点,广泛应用于大型往复式压缩机中【1】。

无级气量调节的原理是延迟关闭吸气阀,使压缩过程中的部分气体回流到吸气腔,从而实现减少压缩气体量的目的。在近些年的使用过程中,很多学者发现了无级气量调节系统的弊端,有研究表明:无级气量调节系统可能会导致十字头销处的反向角减小【2】,造成十字头销润滑不畅,进而导致故障发生;也有研究表明:无级气量调节系统可能会导致曲轴的扭矩波动增大,进而导致压缩机旋转不均匀度增大,降低曲轴疲劳寿命【3】。

实际生产操作中,很多现场操作人员都会发现,部分机组在使用了无级气量调节系统后,会发生电动机电流跳动加剧的情况,而相关文献中,未见有学者对无级气量调节系统作用下往复式压缩机电机定子电流脉动增大的情况进行研究分析,本文将主要就该问题进行分析。

1 电动机定子电流脉动

由于往复式压缩机吸排气是间断的,因此其气缸做功会随着时间发生周期性变化,造成了曲轴上扭矩的周期性变化,进而导致电动机输出功和定子电流呈现周期性变化。

IEC 60034中将电机定子中电流的变化称为电流脉动。电流脉动可根据式(1)进行计算。

(1)

式中:Icp——电流脉动值,%;

Imax——电流最大幅值,A;

Imin——电流最小幅值,A;

IN——电流额定值,A。

API 618—2010中规定,对于同步电机驱动的压缩机,整个机组的转动惯量应使得同步电机的电流脉动值<66%,而对于异步电动机来说,电流脉动值应小于40%。

之所以要对电流脉动值进行限制,是因为电流周期性脉动不仅会增加功率和损耗,还可能导致转子励磁绕组绝缘破坏,更有甚者还会使得强制振荡频率和自然振荡频率相一致而发生共振、同步机失去同步,进而导致故障发生。同时,电流的脉动还会引起电网的波动,影响电网中的其他用电设备。

一般的往复式压缩机是由同步电动机驱动的,因此本文着重介绍驱动往复式压缩机的同步电动机的电流脉动情况。

同步电机的电流脉动计算方法一般有两种。第一种是传统的电流脉动计算,主要是将阻力矩进行傅里叶级数分解后,再计算一次和二次谐波振荡,最后计算电流脉动。这种计算过程在交流电动机设计手册相关书籍或论文【4】中都会涉及,本文不再赘述。第二种是借助Ansys maxwell专业软件进行模拟计算,虽然这种方法可以得到更多细节且更精确,但是建模过程相对复杂。因此,本文依旧使用传统的电流脉动计算方法。

2 无级气量调节系统下的电流脉动

要想计算电流脉动值,首先需要知道往复式压缩机本体、飞轮以及电机的转动惯量。这些数值在进行压缩机及电机设计时,各个厂家均会提供。

除了转动惯量外,还需要知道压缩机在1圈360°范围内每个角度下的曲轴扭矩值。一般压缩机厂在设计压缩机时,是按照100%的气量负荷进行设计的,其曲轴扭矩值也是按照全负荷计算的,很少计算在无级气量调节系统作用下,部分负荷时的曲轴扭矩值。其实只要知道不同负荷时吸气阀延迟关闭的位置,就能计算出气缸的受力,并可进一步计算出该气缸对曲轴的扭矩值,然后将压缩机所有气缸对曲轴的扭矩值按照相同相位角进行叠加,就可以得到不同负荷条件下,压缩机曲轴不同转角的扭矩值。由于这项工作较为繁琐,且相关论著中均有描述【5】,在此不再赘述。

以1台4M125的新氢压缩机举例说明,该压缩机为双三缸的往复式压缩机,相关参数如表1所示。

表1 某4M125新氢压缩机参数

通过表1中数据可以计算出不同负荷条件下压缩机曲轴所受扭矩值。因为无级气量调节系统可实现无级调节,不可能计算所有负荷点下的扭矩值,因此取20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%,90%,100%这9个负荷,并将其在一圈中的扭矩变化情况绘制出来,见图1。

图1 不同负荷下曲轴扭矩随转角变化

从图1中可以看出:随着压缩机负荷的减小,曲轴的最大正扭矩值变化很小,而曲轴的最大负扭矩却在不断增加;20%负荷下,在曲轴转角110°附近存在最大的负扭矩值。因此可以得出结论,这台4M125型往复式压缩机随着负荷降低,曲轴的扭矩波动越来越大。

驱动这台压缩机的带励磁系统的同步电动机相关参数见表2,进行傅里叶级数分解后的相关阻力矩参数见表3。

表2 某4M125新氢压缩机电机相关参数

表3 不同负荷下傅里叶级数分解后的阻力矩

有了图1中不同负荷条件下的扭矩曲线,再结合表2和表3,就很容易按照电流脉动计算程序,计算出不同负荷条件下电机定子中的电流脉动值,如表4 所示。从表4可以看出,当往复式压缩机负荷为100%时,其电机定子电流脉动值为21.67%,而当使用了无级气量调节系统后,随着压缩机负荷的降低,电流脉动值逐渐增大,在20%负荷条件下,电机定子中的电流脉动值达到49.71%,已经与API 618—2010要求的电机定子电流的上限值66%很接近了。由此可见,对于配置了无级气量调节系统的往复式压缩机,应该重点复核其驱动电机的定子电流脉动值是否会增加到标准上限或电网接受上限。

表4 不同负荷下电机定子电流脉动值

3 结语

本文通过电流脉动计算,首次得出配置了无级气量调节系统的往复式压缩机可能会引起电机定子电流脉动增大的结论。因此,在压缩机选型计算时,应该重点复核其驱动电机的定子电流脉动值是否超过限定值。API 618—2010中不但规定了电流脉动的最大限定值,同时也规定了旋转不均匀度的最大限定值,实际上,这两者是一回事。如果一台压缩机要设置无级气量调节系统,不但需要校核每个气缸的反向角,同时还应校核曲轴的旋转不均匀度和电机定子电流脉动值。一旦发现有超标情况,可以采取增大飞轮或电机转动惯量的方法,也可以采用非对称卸荷的方式减小曲轴转矩的波动,从而使各项数据均达到标准要求。