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一、概述
空氣壓縮機(jī)是利用電能將空氣壓縮使之作為一種動(dòng)力源的設(shè)備,在工礦企業(yè)中應(yīng)用十分普遍, 配套電動(dòng)機(jī)的容量一般較大，且大多是常年連續(xù)運(yùn)行的，故節(jié)能的潛力很大。
目前常見的壓縮機(jī)有活塞式、螺桿式、離心式，不論哪一種工作方式，壓縮機(jī)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)氣量是一定的，目前壓縮機(jī)都采用上下限控制或啟停式控制，也就是說，當(dāng) 氣缸內(nèi)的壓力達(dá)到設(shè)定值的上限時(shí)，空壓機(jī)通過本身的壓力或油壓開關(guān)閉進(jìn)氣閥，這種工作方式頻繁出現(xiàn)加載卸載，而且對電網(wǎng)、螺桿空壓機(jī)本身都有極大的破壞 性。
二、系統(tǒng)原工頻運(yùn)行概況
1、空壓機(jī)工作原理簡述：
原空壓機(jī)的運(yùn)行方式為工 頻狀態(tài)。壓力采用兩點(diǎn)式控制(上、下限控制)，也就是當(dāng)空壓機(jī)氣缸內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值上限時(shí)，空壓機(jī)通過本身的油壓關(guān)閉進(jìn)氣閥，當(dāng)壓力下降到設(shè)定值下限時(shí)， 空壓機(jī)打開進(jìn)氣閥。生產(chǎn)的工作狀況決定了用氣量的時(shí)常變化，這樣就導(dǎo)致了空壓機(jī)在半載或輕載下運(yùn)行，或者經(jīng)常是加載幾分鐘，卸載幾分鐘，頻繁的卸載和加 載，對電動(dòng)機(jī)、空壓機(jī)和電網(wǎng)造成很大的沖擊。再說，空壓機(jī)卸荷運(yùn)行時(shí)，不產(chǎn)生壓縮空氣，電動(dòng)機(jī)處于空載狀態(tài)，其用電量為滿負(fù)載的60%左右，這部分電能被白白的浪費(fèi)。
系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)是針對全廠滿負(fù)荷用氣量來設(shè)計(jì)的，并考慮了富余，是按最大量來設(shè)計(jì)的的，而現(xiàn)在的工況是用氣量經(jīng)常變化，且經(jīng)常在半載下運(yùn)行，在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)存在著嚴(yán)重的“大馬拉小車”的現(xiàn)象。為了解決這種現(xiàn)象，節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效益，有必要對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造。
2、原系統(tǒng)工況存在的問題
1)主電機(jī)全壓起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)的電流很大,會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定及其它用電設(shè)備的運(yùn)行 安全，對機(jī)械設(shè)備的沖擊大，電機(jī)軸承的磨損大，所以設(shè)備維護(hù)工作量大。
2)主電機(jī)時(shí)常輕載運(yùn)行，屬非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。
3)主電機(jī)工頻運(yùn)行致使空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)噪音很大。
4)經(jīng)常卸載和加載導(dǎo)致整個(gè)氣網(wǎng)壓力經(jīng)常變化，不能保持恒定的工作壓力。
3、拖動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)：
1)機(jī)械特性具有恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)，電機(jī)的軸功率PL與轉(zhuǎn)速n 成正比。
2)大多處于長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，但負(fù)載大小常有變動(dòng)，為連續(xù)變動(dòng)負(fù)載。
3)飛輪力矩大，故要求有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩;
4)有自動(dòng)卸載與裝載裝置，在自動(dòng)卸載或裝載時(shí)，負(fù)載將突變。
4、壓縮機(jī)的主要控制對象是空氣的壓力,常見的控制方式有：
1)手動(dòng)調(diào)節(jié)輸入或輸出口的閥門開度;
2)用機(jī)械方式進(jìn)行自動(dòng)卸載與裝載控制;
3)通過改變?nèi)~片的角度來調(diào)節(jié)壓力或流量。
三、采用變頻調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)必要性
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器在調(diào)速領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。它具有性能穩(wěn)定，操作方便，節(jié)能效果明顯等優(yōu)點(diǎn)。它是一種較為成熟的高科技產(chǎn)品，越來越受到國內(nèi)外工程技術(shù)人員和管理人員的關(guān)注和重視。因此,對空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造具有很高的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會效益。
1、從節(jié)能的角度看：
由于壓縮機(jī)不能排除在滿負(fù)載狀態(tài)下長時(shí)間運(yùn)行的可能性，所以，只能按最大需求來決定電動(dòng)機(jī)的容量，故設(shè)計(jì)容量一般偏大。在實(shí)際運(yùn)行中，輕載運(yùn)行的時(shí)間所占的比例是非常高的。如采用變頻調(diào)速，可大大提高運(yùn)行時(shí)的工作效率。因此，節(jié)能潛力很大。
有些調(diào)節(jié)方式(如調(diào)節(jié)閥門開度和改變?nèi)~片的角度等)，即使在需求量較小的情況下，也不能減小電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率。采用了變頻調(diào)速后，當(dāng)需求量較小的情況下，可降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，減小電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
2、從運(yùn)行質(zhì)量的角度看：
單電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)大多不能根據(jù)負(fù)載的輕重連續(xù)地調(diào)節(jié)。而采用了變頻調(diào)速后，則可以十分方便地進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，能保持壓力、流量等參數(shù)的穩(wěn)定，從而大大提高壓縮機(jī)的工作性能。
3、 從減少運(yùn)行成本方面看
傳統(tǒng)壓縮機(jī)的運(yùn)行成本由三項(xiàng)組成：初始采購成本、維護(hù)成本和能源成本。其中能源成本大約占壓縮機(jī)運(yùn)行成本的77%。通過能源成本降低20%-40%，再加上變頻起動(dòng)后對設(shè)備的沖擊減少，維護(hù)和維修量也跟隨降低，所以運(yùn)行成本將大大降低。
4、從提高壓力控制精度方面看
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。不再頻繁的加載和卸載，變頻控制壓縮機(jī)的輸出氣量隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變。由于變頻控制電機(jī)速度的精度提高，所以它可以使管網(wǎng)的系統(tǒng)壓力變化保持恒定，有效地提高了工況的質(zhì)量。
5、從延長壓縮機(jī)的使用壽命方面看
變頻器從2HZ起動(dòng)壓縮機(jī)，它的起動(dòng)加速時(shí)間可以調(diào)整，從而減少起動(dòng)時(shí)對壓縮機(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。此外，變頻控制能夠減少機(jī)組起動(dòng)時(shí)電流波動(dòng)，這一波動(dòng)電流會影響電網(wǎng)和其它設(shè)備的用電，變頻器能夠有效的將起動(dòng)電流的峰值減少到最低程度。
6、從降低噪音，改善工作環(huán)境來看
根據(jù)壓縮機(jī)的工況要求，變頻調(diào)速改造后，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度明顯減慢，有效地降了空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪音，提高了操作工人的工作環(huán)境。
四、 變頻改造后節(jié)能分析
變頻器控制壓縮機(jī)與傳統(tǒng)控制的壓縮機(jī)比較，根據(jù)空氣量需求的多少來供給的壓縮機(jī)運(yùn)行工況，是經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)，能源節(jié)約是最有實(shí)際意義的。眾所周知，空壓機(jī)負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速 n與流量Q、軸功率P的關(guān)系為Q1=Q2(n1/n2)、P1=P2(n1/n2) 、也就是說流量和功率成正比 。
由于實(shí)際用氣量的變動(dòng)，假定空壓機(jī)的運(yùn)行情況如下：(改造前)
在滿載下運(yùn)行的時(shí)間為10%，此時(shí)電機(jī)消耗功率為(P1=P0);
在70%負(fù)載下運(yùn)行的時(shí)間為30%，此時(shí)電機(jī)消耗功率為(P2=0.9P0);
在半載下運(yùn)行的時(shí)間為30%，此時(shí)電機(jī)消耗功率為(P3=0.85P0);
在30%負(fù)載下運(yùn)行的時(shí)間為20%，此時(shí)電機(jī)消耗功率為(P4=0.8P0);
在空載下運(yùn)行的時(shí)間為10%，此時(shí)電機(jī)消耗功率為(P5=0.6P0);
(P0為電機(jī)額定功率160KW)。
空壓機(jī)每日用電量計(jì)算如下：
W前=(0.1P1+0.3P2+0.3P3+0.2P4+0.1P5)х24
=(0.1+0.3х0.9+0.3х0.85+0.2х0.8+0.1х0.6)ХP0х24
=(0.1+0.27+0.255+0.16+0.06)ХP0х24
=0.845ХP0х24
=20.28P0(KWh)
假定空壓機(jī)改造后的運(yùn)行情況如下：(改造后)
在滿載下運(yùn)行的時(shí)間為10%，此時(shí)電機(jī)消耗功率為(P1=P0);
在70%負(fù)載下運(yùn)行的時(shí)間為30%，此時(shí)電機(jī)消耗功率為(P2=0.7P0);
在半載下運(yùn)行的時(shí)間為30%，此時(shí)電機(jī)消耗功率為(P3=0.5P0);
在30%負(fù)載下運(yùn)行的時(shí)間為20%，此時(shí)電機(jī)消耗功率為(P4=0.3P0);
在空載下運(yùn)行的時(shí)間為10%，此時(shí)電機(jī)消耗功率為(P5=0.1P0);
(P0為電機(jī)額定功率160KW)。
空壓機(jī)每日用電量計(jì)算如下
W后=(0.1P1+0.3P2+0.3P3+0.2P4+0.1P5)х24
=(0.1+0.3х0.7+0.3х0.5+0.2х0.3+0.1х0.1)хP0х24
=(0.1+0.21+0.15+0.06+0.01)хP0х24
=0.53хP0х24
=12.72 P0(KWh)
每日節(jié)省電量= W前-W后
=20.28P0-12.72 P0
=7.56 P0
節(jié)電率:7.56 P0/12.72 P0*100%=37.3%
五、變頻改造技術(shù)方案
1、 系統(tǒng)控制原理
本系統(tǒng)采用壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，在原來的壓力罐(或輸氣管道)上加裝一個(gè)壓力傳感器，通過壓力來控制變頻器的轉(zhuǎn)速。其控制原理為：將供 氣管道壓力作為調(diào)控參數(shù)，通過壓力變送器(或遠(yuǎn)傳壓力表)將壓力信號轉(zhuǎn)換為4- 20mA(或0-5V)直流信號，送入變頻器內(nèi)的PID調(diào)節(jié)器，與壓力設(shè)定信號比較，其差值由調(diào)節(jié)器作PI運(yùn)算，輸出信號送給變頻器，隨時(shí)調(diào)整變頻器的輸 出頻率，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，維持管道壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。若管道壓力發(fā)生變化將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，當(dāng)用氣量減少，管道壓力增加時(shí)，調(diào)節(jié)過程是：變送器 信號大于設(shè)定信號，調(diào)節(jié)器輸出減少，變頻器輸出頻率降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，壓縮機(jī)風(fēng)量減小，使管道壓力減小。由于其調(diào)控過程較快，短時(shí)間內(nèi)，變換器信號和壓 力給定信號便處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，從而維持了變頻器輸出頻率穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了恒壓供氣，使空壓機(jī)始終處于節(jié)電運(yùn)行狀態(tài)。其控制系統(tǒng)原理框圖如左：
2、改造方案
設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)電機(jī)容量(110KW/380V)選用一臺三科變頻器，采用PID調(diào)節(jié)母管定壓控制方式。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，從安全角度考慮，在保留原工頻系統(tǒng)情況下，增加變頻系統(tǒng)，做到了工頻變頻互鎖切換。通過外部控制電路，使空壓機(jī)起停操作步驟仍然如前，操作簡單，安全可靠。在供氣管道上安裝壓力傳感器，通過壓力來控制變頻器的轉(zhuǎn)速。
3、變頻器控制系統(tǒng)組成
該系統(tǒng)是三科信變頻器、電氣控制柜、母管壓力變送器(或遠(yuǎn)傳壓力表)、空壓機(jī)等組成。電氣控制柜主要控制器件全部選用國內(nèi)外品牌產(chǎn)品、性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠、操作方便。
4、系統(tǒng)改造應(yīng)注意的問題
1、 改造實(shí)施前需具備的條件和注意事項(xiàng)：
? 要改造空壓機(jī)的電氣原理圖和接線圖完整。
? 整個(gè)工廠的用氣狀況，是否隨著季節(jié)波動(dòng)或隨工藝改變波動(dòng)卸載時(shí)間是否變動(dòng)多以此判斷節(jié)電率。
2、 改造實(shí)施中的注意事項(xiàng)：
電動(dòng)機(jī)的散熱問題 電動(dòng)機(jī)經(jīng)過變頻器變頻后，轉(zhuǎn)速降低，其電機(jī)風(fēng)扇的散熱效果也要降低。
空壓機(jī)的潤滑問題 空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速越低，潤滑油的耗量也就越小，其潤滑效果越差。
系統(tǒng)壓力設(shè)定問題 在滿足生產(chǎn)工藝的要求下，壓力設(shè)定越低越好，因?yàn)榭諌簷C(jī)的排氣壓力越高，所需的電機(jī)軸功率越大，電機(jī)耗電也就越多。
針對以上問題，我們綜合節(jié)能效果和空壓機(jī)的機(jī)械特性，考慮了多種方案，最后把系統(tǒng)壓力設(shè)定為0.6MPa(按客戶的生產(chǎn)工藝要求),把變頻器運(yùn)行頻率下限設(shè)定為30HZ，這樣，即能滿足空壓機(jī)散熱和潤滑的需要，又能最大限度的降低電能損耗。
六、供貨范圍
三科變頻器 一套 型號：
三科原裝控制柜 一套 (內(nèi)含低壓電器、PID調(diào)節(jié)器)
壓力變送器一套 (遠(yuǎn)程壓力表)
