變頻節(jié)能技術(shù)在空壓站中的應(yīng)用分析

錢建慧

（浙江新能量科技有限公司，杭州　310000）

變頻節(jié)能技術(shù)在空壓站中的應(yīng)用分析

錢建慧

（浙江新能量科技有限公司，杭州310000）

空氣壓縮機(jī)是常見(jiàn)的供氣設(shè)備，它是一種利用電動(dòng)機(jī)將氣體在壓縮腔內(nèi)進(jìn)行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于噴涂、電子、紡織、機(jī)械、化工、橡膠等領(lǐng)域，是許多工藝流程中的核心設(shè)備。通?？諌赫居啥嗯_(tái)空壓機(jī)組成，每臺(tái)空壓機(jī)都由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，獨(dú)立進(jìn)行控制。隨著企業(yè)的發(fā)展，對(duì)空壓站自動(dòng)化控制需求也逐步增強(qiáng)，但如何設(shè)計(jì)出既節(jié)能又安全的控制思路，是企業(yè)改造項(xiàng)目中的首要問(wèn)題，因此將變頻技術(shù)應(yīng)用于空壓站中是實(shí)現(xiàn)節(jié)能積極而有效的方法。

1　空氣壓縮機(jī)的使用現(xiàn)狀

空壓站在配備空壓機(jī)時(shí)不僅要考慮滿足當(dāng)前生產(chǎn)的需求，還要考慮以后增容的可能，因此空壓機(jī)配備的供氣能力基本都大于實(shí)際的生產(chǎn)需求。而每臺(tái)空氣壓縮機(jī)在出廠時(shí)都會(huì)配套相應(yīng)的排氣壓力調(diào)節(jié)裝置，其工作原理是當(dāng)儲(chǔ)氣罐（風(fēng)包）內(nèi)空氣壓力超過(guò)設(shè)定的壓力時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)氣管上碟閥自動(dòng)關(guān)閉，壓縮機(jī)進(jìn)入空轉(zhuǎn)卸荷狀態(tài)，當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的空氣壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)氣管碟閥自動(dòng)開(kāi)啟，壓縮機(jī)又進(jìn)入到加載工作狀態(tài)。空氣壓縮機(jī)的排氣量和壓力在運(yùn)轉(zhuǎn)中也不是不變的，常因工況變化導(dǎo)致用氣量變化，所以空氣壓縮機(jī)工作時(shí)總是在重復(fù)加載—卸荷工作方式。這種機(jī)械式調(diào)節(jié)裝置雖然也能起到壓力調(diào)節(jié)作用，但是壓力調(diào)節(jié)精度低，壓力波動(dòng)大。

在實(shí)際工作中，空壓站按最大工作負(fù)荷而設(shè)計(jì)的，在滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，不能排除空壓機(jī)需要長(zhǎng)時(shí)間加載過(guò)程運(yùn)行的可能性，所以只能按最大需要來(lái)決定電動(dòng)機(jī)的容量，設(shè)計(jì)余量偏大。同時(shí)由于企業(yè)生產(chǎn)有忙季、淡季之分，因此實(shí)際運(yùn)行時(shí)所需的壓力或流量并不固定。在用氣量少時(shí)，啟動(dòng)1～2臺(tái)機(jī)組，用氣量大時(shí)，啟動(dòng)多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行。在系統(tǒng)預(yù)設(shè)管網(wǎng)壓力值，系統(tǒng)將自動(dòng)根據(jù)預(yù)設(shè)的壓力值的下限與上限進(jìn)行自動(dòng)的加載和卸載，用來(lái)滿足用氣量。

某輪胎生產(chǎn)公司空壓站中配置有12臺(tái)高壓螺桿式空氣壓縮機(jī)，總裝機(jī)容量為5 075 kW。其中常開(kāi)空壓機(jī)有7臺(tái)，輪開(kāi)有4臺(tái)，備用1臺(tái)。日均用氣402 854 m3（即每分鐘產(chǎn)氣279.76 m3），高壓螺桿式空壓機(jī)的技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1　螺桿式空壓機(jī)的技術(shù)參數(shù)表

從設(shè)備運(yùn)行情況看，常開(kāi)空壓機(jī)中有4臺(tái)加載時(shí)間較長(zhǎng)，因此負(fù)載率較高；有3臺(tái)空壓機(jī)加、卸載時(shí)間較接近，負(fù)載率為60%；剩余的幾臺(tái)空壓機(jī)卸載時(shí)間遠(yuǎn)大于加載時(shí)間，且頻繁變換加卸載的過(guò)程，負(fù)載率較低。目前該公司使用的多臺(tái)空壓機(jī)功率大，無(wú)法根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際用氣需求自啟動(dòng)，且均采用傳統(tǒng)的控制方式星-三角啟動(dòng)，啟動(dòng)加載瞬間沖擊電流較大，有2～4倍的沖擊電流，形成對(duì)電網(wǎng)和機(jī)械負(fù)載的沖擊。當(dāng)罐內(nèi)壓力上升達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，空壓機(jī)進(jìn)入卸荷狀態(tài)（關(guān)閉入氣閥），不產(chǎn)生壓縮氣體，電動(dòng)機(jī)處于空載運(yùn)轉(zhuǎn)，其用電量仍為滿負(fù)載的30%～50%，還有空壓機(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載。在頻繁啟動(dòng)控制排氣量時(shí)，對(duì)電網(wǎng)沖擊大，能耗明顯增加，這部分電能也被白白浪賈廢掉。同時(shí)空壓機(jī)本身不能調(diào)速，不能直接提供壓力或流量的變動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)空壓機(jī)的輸出功率，電動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)，導(dǎo)致在用氣量少的時(shí)候電動(dòng)機(jī)仍然要空載運(yùn)行，電能浪賈巨大。

2　空壓機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)

根據(jù)空壓機(jī)的運(yùn)行特性可知，空壓機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，應(yīng)選用通用型變頻器?？諌簷C(jī)選用變頻器拖動(dòng)的主要目的是按需要的用風(fēng)量，合理調(diào)節(jié)供氣壓力的設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓節(jié)能運(yùn)行。不僅使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟軟停，減小啟動(dòng)沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備使用年限，同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率可變，實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)根據(jù)用氣量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，減少了電動(dòng)機(jī)頻繁的加載和卸載，從而較大幅度減小了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功耗，使得供氣系統(tǒng)氣壓維持恒定，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

按配套電動(dòng)機(jī)額定功率選用相同容量的恒轉(zhuǎn)矩變頻器，變頻器要有內(nèi)置PID調(diào)節(jié)功能和4～20 mA或0～10 V模擬信號(hào)接口；使用地點(diǎn)的電壓變動(dòng)率要在變頻器允許輸入電壓范圍內(nèi)。

3　空壓站節(jié)能改造原理

流量是供氣系統(tǒng)的基本控制對(duì)象，供氣流量需要隨時(shí)滿足用氣流量。在供氣系統(tǒng)中，儲(chǔ)氣管中的氣壓能夠充分反映供氣能力與用氣需求之間的關(guān)系：若供氣流量＞用氣流量，則儲(chǔ)氣管氣壓上升；若供氣流量＜用氣流量，則儲(chǔ)氣管氣壓下降；若供氣流量=用氣流量，則儲(chǔ)氣管氣壓不變，所以，保持管道中的氣壓恒定，就可保證該處供氣能力恰好滿足用氣需求，這就是恒壓供氣系統(tǒng)所要達(dá)到的目的。變頻恒壓控制是將管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)象，裝在儲(chǔ)氣管出氣口的壓力變送器將儲(chǔ)氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送到系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的計(jì)算后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成摸擬信號(hào)給變頻器的PID調(diào)節(jié)單元，使空壓站的拖動(dòng)電機(jī)通過(guò)變頻器輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制壓縮機(jī)的運(yùn)行速度及臺(tái)數(shù)，使實(shí)際壓力與設(shè)定壓力相等來(lái)達(dá)到恒壓目的，實(shí)現(xiàn)供氣的連續(xù)調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力穩(wěn)定。變頻恒壓供氣系統(tǒng)的整個(gè)控制過(guò)程如圖1所示。

用氣需求量增大→管路氣壓下降→壓力設(shè)定值與返饋值的差值增加→PID輸出增大→變頻器輸出頻率變大→空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速提高→供氣流量增大→管路氣壓趨于穩(wěn)定。

圖1　壓力頻率PID曲線圖

變頻恒壓供氣系統(tǒng)根據(jù)管網(wǎng)瞬時(shí)用氣量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)空壓站中央空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定的設(shè)定壓力，從而達(dá)到了空壓機(jī)的節(jié)能降耗和提高供氣質(zhì)量的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了控制過(guò)程的自動(dòng)化，并且對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行了超壓、過(guò)載、過(guò)流、欠壓等自動(dòng)報(bào)警保護(hù)，此時(shí)變頻器一旦出現(xiàn)故障，生產(chǎn)工藝不允許空氣壓縮機(jī)停機(jī)，系統(tǒng)可以設(shè)置工頻與變頻切換功能，這樣當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可由工頻電源通過(guò)接觸器直接供電，使空氣壓縮機(jī)照常工作。空壓站采取的變頻恒壓供氣控制系統(tǒng)原理框圖，如圖2所示。

圖2　恒壓供氣系統(tǒng)圖

通過(guò)檢測(cè)儲(chǔ)氣罐壓力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的壓力閉環(huán)控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和空氣壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)。改造后的空壓站控制系統(tǒng)由2個(gè)基本系統(tǒng)組成，即恒壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和微機(jī)控制參數(shù)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時(shí)，壓力變送器YB將總管壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送入A/D與壓力設(shè)定值P0比較，并根據(jù)差值的大小按給定控制模式進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號(hào)送變頻調(diào)速器，通過(guò)變頻器控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，再通過(guò)控制系統(tǒng)控制空氣壓縮機(jī)運(yùn)行的臺(tái)數(shù)，使實(shí)際壓力P始終接近設(shè)定壓力P0。在用氣系統(tǒng)需一臺(tái)空氣壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，單臺(tái)空氣壓縮機(jī)變頻運(yùn)行維持恒壓供風(fēng)；當(dāng)用氣系統(tǒng)風(fēng)量不足時(shí)，變頻器運(yùn)行頻率升高為50 Hz（或當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度接近工頻速度時(shí)，通過(guò)自動(dòng)延時(shí)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行），再啟動(dòng)另一臺(tái)空氣壓縮機(jī)變頻運(yùn)行維持恒壓供風(fēng)，這樣以此類推。多臺(tái)空氣壓縮機(jī)都由變頻器來(lái)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)帶載軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)沖擊電流和啟動(dòng)給空氣壓縮機(jī)帶來(lái)的機(jī)械沖擊。系統(tǒng)循環(huán)帶載軟啟動(dòng)、循環(huán)停機(jī)的工作方式，實(shí)現(xiàn)了供氣量的連續(xù)調(diào)節(jié)，保證了總管壓力穩(wěn)定。

4　改造后的效益

4.1經(jīng)濟(jì)效益

本系統(tǒng)利用恒壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和微機(jī)控制參數(shù)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)空氣壓縮機(jī)的變頻節(jié)能改造，為企業(yè)帶來(lái)顯著經(jīng)濟(jì)效益。

提高運(yùn)行負(fù)荷率。有效杜絕“大馬拉小車”的現(xiàn)象，優(yōu)化了生產(chǎn)時(shí)的供氣氣壓，使空壓機(jī)的耗電大大降低。與上一年同期對(duì)比能耗下降8.95%。

節(jié)約空壓機(jī)潤(rùn)滑油20%。采用變頻調(diào)速后，空壓機(jī)處于恒速運(yùn)行，潤(rùn)滑油耗量變小，實(shí)現(xiàn)“低轉(zhuǎn)速，低潤(rùn)滑”。與上一年同期對(duì)比能耗下降11.17%。投資回收期為6～8個(gè)月。

據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：2013年空壓站的月均耗電量1 546 315.5 kWh，2014年月均耗電量1407820.8kWh。2013年潤(rùn)滑油使用量為3.85 t，2014年使用量為3.45 t。

年收益為：138 494.7萬(wàn)元×0.75×12=116.33萬(wàn)元；潤(rùn)滑油為：0.4×9 000元=0.36萬(wàn)元。

4.2延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命

變頻器從低頻啟動(dòng)壓縮機(jī)，其啟動(dòng)加速時(shí)間可以調(diào)整，從而減少啟動(dòng)時(shí)對(duì)壓縮機(jī)的電器部件和機(jī)械部件所造成的沖擊，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，使壓縮機(jī)的使用壽命延長(zhǎng)。此外，變頻控制能夠減少機(jī)組啟動(dòng)時(shí)電流波動(dòng)，這一波動(dòng)電流會(huì)影響電網(wǎng)和其它設(shè)備的用電，變頻器能夠有效的將啟動(dòng)電流的峰值減少到最低程度。

4.3提高壓力控制精度

變頻控制系統(tǒng)具有精確的壓力控制能力，使壓縮機(jī)的空氣壓力輸出與用戶空氣系統(tǒng)所需的氣量相匹配。變頻控制多臺(tái)壓縮機(jī)的輸出氣量隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變，有效地提高了工況的質(zhì)量。

4.4節(jié)約能源

變頻器控制壓縮機(jī)與傳統(tǒng)控制的壓縮機(jī)比較，能源節(jié)約是最有實(shí)際意義的，根據(jù)用氣量需求來(lái)供給的壓縮機(jī)工況是經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)。

這三大效益是對(duì)空壓機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造后帶來(lái)的，還不包括空壓機(jī)節(jié)能改造中的余熱回收改造所帶來(lái)的效益，因此生產(chǎn)企業(yè)要降低生產(chǎn)成本，對(duì)空壓機(jī)設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改造是必不可少的措施。D

（本欄責(zé)任編輯孫晶）

Application of frequency conversion energy saving technology in air compressor station

QIAN Jian-hui
（Zhejiang New Energy Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310000，China）

2014-11-04