往復活塞式空壓機的變頻節(jié)能改造

廖 明

(白銀有色集團股份有限公司， 甘肅 白銀 730900)

往復活塞式空壓機的變頻節(jié)能改造

廖 明

(白銀有色集團股份有限公司， 甘肅 白銀 730900)

以白銀有色集團深部銅礦D- 100/8- e3型往復活塞式空壓機為實例，闡述了該類型空氣壓縮機變頻節(jié)能改造的途徑與效果。

往復活塞式空壓機; 變頻調(diào)速; 能耗; 儲氣罐; 壓力脈動

0 前言

白銀有色集團股份有限公司是我國大型有色金屬采、選、冶和加工制造綜合企業(yè)，其下屬的深部銅礦為多金屬銅礦山，年產(chǎn)品位0.7%～1.2%的銅礦石100萬t，坑內(nèi)采礦最大耗氣量為118 m3/min。深部銅礦現(xiàn)有空壓機站一個，由4臺D- 100/8- e3型往復活塞式空壓機組成，用以實現(xiàn)整體礦山開采的壓縮空氣用風?？諌簷C技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 D- 100/8- e3型往復活塞式空壓機技術(shù)參數(shù)

1 空壓機的結(jié)構(gòu)特點

D- 100/8- e3型往復活塞式空壓機為對稱平衡型，雙列、水冷、往復活塞式結(jié)構(gòu)，并設(shè)有油壓、水壓、排氣壓力和排氣溫度等自動顯示、自動保護裝置，由機身、曲柄連桿機構(gòu)、異步電機、活塞、氣缸、進排氣閥及冷卻器等部件構(gòu)成，見圖1。其中，異步電機驅(qū)動曲軸連桿機構(gòu)，將曲柄的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)闅飧字谢钊耐鶑椭本€運動；同時，由氣缸、活塞所組成的氣腔容積周期性發(fā)生變化，使空氣在氣缸內(nèi)完成吸氣、壓縮、排氣三個循環(huán)工作過程。空壓機具有轉(zhuǎn)速低、堅固耐用等特點，因其排氣過程是非連續(xù)性、間歇動作排氣，因而在壓縮空氣管網(wǎng)中，存在著一定的壓力脈動現(xiàn)象，而空壓機進排氣閥片、活塞環(huán)、密封件等損耗性零件狀況的好壞，也直接影響著該類型空壓機的能源使用效率。

圖1 D- 100/8- e3型往復活塞式空壓機實物圖

2 空壓機站存在的問題

由4臺D- 100/8- e3型往復活塞式空壓機組成的深部銅礦空壓機站重建于2003年12月。在正常生產(chǎn)情況下，空壓機站處于兩開兩備或三開一備狀態(tài)?？諌簷C站和礦山各壓縮空氣使用點之間的供求平衡是空壓機站的理想運行狀態(tài)。由于礦山開采生產(chǎn)的特點，空壓站的供氣量通常大于礦山設(shè)備的實際用氣量，而且壓縮風實際用量波動較大，以往曾采用空壓機間歇運行或空載運行來調(diào)節(jié)壓縮風的管網(wǎng)流量及壓力，結(jié)果既引起電能空耗，也帶來了電網(wǎng)波動的問題，并影響空壓機的正常使用壽命。生產(chǎn)統(tǒng)計資料顯示，空壓機空載運行時用電量仍為滿負載的28%，這部分電能因此而被空耗掉，深部銅礦空壓站的能耗分析如下：

(1)間歇或空載運行導致的能源消耗。壓縮空氣用量變化大，引起壓縮空氣管網(wǎng)壓力波動，從而導致對壓縮空氣用量的需求錯覺，結(jié)果導致了多開空壓機以保證管網(wǎng)壓力平穩(wěn)，壓縮空氣用量的需求出現(xiàn)冗余,空壓機以低效率狀態(tài)運行，電能消耗約占空壓站整體能耗的28%。

(2)由于空壓機的非連續(xù)性間歇排氣過程，壓縮空氣管網(wǎng)中存在著一定的壓力脈動導致的空壓機電能消耗占空壓站整體能耗的5%。

(3)壓縮空氣的傳輸、使用過程中，空壓機與用氣設(shè)備之間的連接管道、儲氣罐等附屬處理設(shè)備出現(xiàn)了一定量的泄漏、截流或過流現(xiàn)象，影響了壓縮空氣的使用效率，增加了空壓機的能耗，該部分能耗約占空壓機站整體能耗的5%。

(4)其它因素，例如因壓縮空氣不當使用所增加的消耗等占空壓站整體能耗的2%。

3 空壓機變頻改造方法論述及分析

深部銅礦空壓站長期生產(chǎn)運行及記錄分析說明：D- 100/8- e3型往復活塞式空壓機壓縮空氣量的供求關(guān)系，主要表現(xiàn)在排氣壓力的變化上，當壓縮空氣排氣量恰好滿足礦山生產(chǎn)使用壓縮空氣量的要求時，管路儲氣壓力保持不變。生產(chǎn)中由于壓縮空氣使用量的不均衡，空壓機供氣量一般要大于實際用氣量。為降低能耗，充分利用、提高D- 100/8- e3型往復活塞式空壓機的開機運行效率，并保持管路儲氣壓力不變，必須進行能量調(diào)節(jié)。參考當今空壓機節(jié)能的先進技術(shù)，空壓機的能量調(diào)節(jié)控制方式主要有五種，即：空壓機間歇控制運行、空壓機吸氣調(diào)節(jié)、空壓機氣缸卸載、空壓機分檔變速調(diào)節(jié)輸氣量、變頻調(diào)速。其中，采用空壓機間歇運行或空載運行來調(diào)節(jié)能量消耗的大小最為常見。但空壓機間歇運行會造成空壓機啟停頻繁，增加電能損耗，增大電網(wǎng)波動，嚴重影響空壓機設(shè)備的使用壽命；空壓機空載運行，耗電量仍是滿載的25%～55%，這部分電能被空耗掉，而空壓機空載啟動電流是額定電流的5～7倍，對電網(wǎng)及其它用電設(shè)備沖擊較大，同時縮短了空壓機的正常使用壽命。通過以上分析，2012年10月對該空壓站四臺D- 100/8- e3型往復活塞式空壓機實施了驅(qū)動電機變頻調(diào)速改造，以解決該礦山空壓站能耗居高不下的難題，提高空壓機的運行效率。

4 變頻調(diào)速原理及特點

空壓機變頻調(diào)速的原理為:改變空壓機異步電機轉(zhuǎn)速，以便控制空壓機單位時間的出氣量，從而控制管路中的壓縮空氣壓力，實現(xiàn)調(diào)節(jié)空壓機流量的目的與功效。該方法能在一定范圍內(nèi)連續(xù)進行空壓機的能量調(diào)節(jié)，滿足空壓機輕載時的運行需要，使空壓機的制氣量與實際用氣量相匹配。

D- 100/8- e3型往復活塞式空壓機的異步電機轉(zhuǎn)速n可從下式中計算解出：

n=(1-s)60f1/P，

(1)

式中：n——電機轉(zhuǎn)速，r/min；

f1——電機端電壓頻率，Hz；

s——電機轉(zhuǎn)差率；

P——電機定子繞組的極對數(shù)。

由式(1)知，電機轉(zhuǎn)速n與電源頻率f1成正比，因此改變空壓機異步電機的電源頻率，就能改變異步電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)變頻調(diào)速的目的。根據(jù)電磁感應原理，變頻調(diào)速時，磁通Φ恒定不變，異步電機定子的電壓與電源頻率成正比，異步電機的輸出功率隨供電電源頻率的變化而發(fā)生變化。改變定子端的輸入電壓，就可調(diào)節(jié)電機的頻率，即：恒壓頻比(V/F)控制方式，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 D- 100/8- e3型往復活塞式空壓機變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖

由壓力變送器所測得的管網(wǎng)壓力值與壓力設(shè)定值比較后可得到偏差，經(jīng)由PID調(diào)節(jié)器計算出變頻器作用于異步電動機的頻率值后，通過變頻器可輸出相應頻率和幅值的交流電，使異步電動機得到相應的轉(zhuǎn)速，從而使處于工作狀態(tài)的空壓機把生產(chǎn)所需的壓縮空氣量輸出至儲氣罐，最終實現(xiàn)壓縮空氣管網(wǎng)的壓力與所給定的實際生產(chǎn)所需壓縮空氣的壓力值相同。經(jīng)變頻調(diào)速技術(shù)改造后，該礦山空壓站空壓機表現(xiàn)出以下幾方面的優(yōu)點：空壓機異步電機實現(xiàn)軟啟動，降低了啟動電流，空壓機啟動平滑、無機械沖擊；延長了空壓機的使用壽命，減少了空壓機對供電電網(wǎng)的影響；空壓機輸氣壓力穩(wěn)定，壓縮空氣調(diào)整可靠性高；節(jié)能效果明顯，經(jīng)試運行后測試，空壓站總體節(jié)電約30%～40%。

5 空壓機變頻改造

公司于2012年10月對空壓機站4臺D- 100/8- e3型往復活塞式空壓機進行了變頻改造，所增加的控制系統(tǒng)由下述零部件、儀器和儀表組成：變頻器(內(nèi)置數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，在變頻器界面上只需設(shè)置壓力給定即可自行調(diào)節(jié)輸出頻率以便穩(wěn)定壓力)、可編程控制器PLC、壓力變送器、接觸器、空氣開關(guān)、電纜、電流表、電壓表、按鈕和互感器等。

6 空壓機變頻技術(shù)改造前后的能耗比較

D- 100/8- e3型往復活塞式空壓機變頻技改后,運行30天的能耗平均數(shù)據(jù)與技改前30天的空壓機能耗平均數(shù)據(jù)比較見表2。

表2 D- 100/8- e3型往復活塞式空壓機變頻技改前后的平均能耗比較

實施變頻技術(shù)改造后，D- 100/8- e3型往復活塞式空壓機主要的能耗指數(shù)有著明顯的提高，經(jīng)濟效益顯著；該型空壓機啟動電流的下降減少了對空壓機站供電電網(wǎng)的沖擊和波動，有效提升了空壓機的運行效率，維持了空壓站供風主管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定性；同時，改善了單臺空壓機的開機率，并延長了單臺空壓機的使用周期，有力保障了該礦山正常的開采工作。

7 結(jié)束語

空壓機節(jié)能降耗改造方法、方式多樣，節(jié)能效果也不盡相同。白銀有色集團深部銅礦D- 100/8- e3型往復活塞式空壓機變頻節(jié)能改造取得了較好的效果。

[1] 郁永章．容積式空壓機維修[M]．北京:機械工業(yè)出版社,2007.1

Energy Saving Transformation of Variable Frequency on Reciprocating Piston Type Air Compressor

LIAO Ming

Based on the Baiyin Nonferrous Metal Group actual example of D-100/8-e3 reciprocating piston type air compressor, this paper expounds the ways of frequency energy saving transformation and effect for such type air compressor.

reciprocating piston air compressor； frequency control； energy consumption; gasholder; pressure fluctuation

2015-05-10

廖明(1958—)，男，廣東梅州人，大學本科，高級工程師，現(xiàn)任白銀有色集團股份有限公司董事長、總經(jīng)理。

TD443.2

B

1008-5122(2015)05-0028-03