錢建慧

（浙江新能量科技有限公司，杭州　310000）

變頻節(jié)能技術在空壓站中的應用分析

錢建慧

（浙江新能量科技有限公司，杭州310000）

空氣壓縮機是常見的供氣設備，它是一種利用電動機將氣體在壓縮腔內進行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設備，廣泛應用于噴涂、電子、紡織、機械、化工、橡膠等領域，是許多工藝流程中的核心設備。通?？諌赫居啥嗯_空壓機組成，每臺空壓機都由一臺電動機拖動，獨立進行控制。隨著企業(yè)的發(fā)展，對空壓站自動化控制需求也逐步增強，但如何設計出既節(jié)能又安全的控制思路，是企業(yè)改造項目中的首要問題，因此將變頻技術應用于空壓站中是實現(xiàn)節(jié)能積極而有效的方法。

1　空氣壓縮機的使用現(xiàn)狀

空壓站在配備空壓機時不僅要考慮滿足當前生產的需求，還要考慮以后增容的可能，因此空壓機配備的供氣能力基本都大于實際的生產需求。而每臺空氣壓縮機在出廠時都會配套相應的排氣壓力調節(jié)裝置，其工作原理是當儲氣罐（風包）內空氣壓力超過設定的壓力時，壓縮機進氣管上碟閥自動關閉，壓縮機進入空轉卸荷狀態(tài)，當儲氣罐內的空氣壓力低于設定壓力時，壓縮機進氣管碟閥自動開啟，壓縮機又進入到加載工作狀態(tài)?？諝鈮嚎s機的排氣量和壓力在運轉中也不是不變的，常因工況變化導致用氣量變化，所以空氣壓縮機工作時總是在重復加載—卸荷工作方式。這種機械式調節(jié)裝置雖然也能起到壓力調節(jié)作用，但是壓力調節(jié)精度低，壓力波動大。

在實際工作中，空壓站按最大工作負荷而設計的，在滿負荷運行狀態(tài)下，不能排除空壓機需要長時間加載過程運行的可能性，所以只能按最大需要來決定電動機的容量，設計余量偏大。同時由于企業(yè)生產有忙季、淡季之分，因此實際運行時所需的壓力或流量并不固定。在用氣量少時，啟動1～2臺機組，用氣量大時，啟動多臺并聯(lián)運行。在系統(tǒng)預設管網壓力值，系統(tǒng)將自動根據(jù)預設的壓力值的下限與上限進行自動的加載和卸載，用來滿足用氣量。

某輪胎生產公司空壓站中配置有12臺高壓螺桿式空氣壓縮機，總裝機容量為5 075 kW。其中常開空壓機有7臺，輪開有4臺，備用1臺。日均用氣402 854 m3（即每分鐘產氣279.76 m3），高壓螺桿式空壓機的技術參數(shù)詳見表1。

表1　螺桿式空壓機的技術參數(shù)表

從設備運行情況看，常開空壓機中有4臺加載時間較長，因此負載率較高；有3臺空壓機加、卸載時間較接近，負載率為60%；剩余的幾臺空壓機卸載時間遠大于加載時間，且頻繁變換加卸載的過程，負載率較低。目前該公司使用的多臺空壓機功率大，無法根據(jù)生產的實際用氣需求自啟動，且均采用傳統(tǒng)的控制方式星-三角啟動，啟動加載瞬間沖擊電流較大，有2～4倍的沖擊電流，形成對電網和機械負載的沖擊。當罐內壓力上升達到設定壓力時，空壓機進入卸荷狀態(tài)（關閉入氣閥），不產生壓縮氣體，電動機處于空載運轉，其用電量仍為滿負載的30%～50%，還有空壓機是大轉動慣量負載。在頻繁啟動控制排氣量時，對電網沖擊大，能耗明顯增加，這部分電能也被白白浪賈廢掉。同時空壓機本身不能調速，不能直接提供壓力或流量的變動來調節(jié)空壓機的輸出功率，電動機頻繁啟動，導致在用氣量少的時候電動機仍然要空載運行，電能浪賈巨大。

2　空壓機運行特點

根據(jù)空壓機的運行特性可知，空壓機屬于恒轉矩負載，應選用通用型變頻器?？諌簷C選用變頻器拖動的主要目的是按需要的用風量，合理調節(jié)供氣壓力的設定值，實現(xiàn)穩(wěn)壓節(jié)能運行。不僅使電動機實現(xiàn)軟啟軟停，減小啟動沖擊，延長設備使用年限，同時由于電動機運行頻率可變，實現(xiàn)了空壓機根據(jù)用氣量的大小自動調節(jié)電動機轉速，減少了電動機頻繁的加載和卸載，從而較大幅度減小了電動機的運行功耗，使得供氣系統(tǒng)氣壓維持恒定，實現(xiàn)節(jié)能的目的。

按配套電動機額定功率選用相同容量的恒轉矩變頻器，變頻器要有內置PID調節(jié)功能和4～20 mA或0～10 V模擬信號接口；使用地點的電壓變動率要在變頻器允許輸入電壓范圍內。

3　空壓站節(jié)能改造原理

流量是供氣系統(tǒng)的基本控制對象，供氣流量需要隨時滿足用氣流量。在供氣系統(tǒng)中，儲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系：若供氣流量＞用氣流量，則儲氣管氣壓上升；若供氣流量＜用氣流量，則儲氣管氣壓下降；若供氣流量=用氣流量，則儲氣管氣壓不變，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)所要達到的目的。變頻恒壓控制是將管網壓力作為控制對象，裝在儲氣管出氣口的壓力變送器將儲氣罐的壓力轉變?yōu)殡娦盘査偷较到y(tǒng)，經過系統(tǒng)的計算后通過D/A轉換成摸擬信號給變頻器的PID調節(jié)單元，使空壓站的拖動電機通過變頻器輸出相應的轉速來控制壓縮機的運行速度及臺數(shù)，使實際壓力與設定壓力相等來達到恒壓目的，實現(xiàn)供氣的連續(xù)調節(jié)，保證管網壓力穩(wěn)定。變頻恒壓供氣系統(tǒng)的整個控制過程如圖1所示。

用氣需求量增大→管路氣壓下降→壓力設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→空壓機電機轉速提高→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)管網瞬時用氣量的變化自動調節(jié)空壓站中央空壓機的轉速和運轉臺數(shù)，使管網壓力始終保持恒定的設定壓力，從而達到了空壓機的節(jié)能降耗和提高供氣質量的目的，同時實現(xiàn)了控制過程的自動化，并且對空壓機進行了超壓、過載、過流、欠壓等自動報警保護，此時變頻器一旦出現(xiàn)故障，生產工藝不允許空氣壓縮機停機，系統(tǒng)可以設置工頻與變頻切換功能，這樣當變頻器出現(xiàn)故障時，可由工頻電源通過接觸器直接供電，使空氣壓縮機照常工作?？諌赫静扇〉淖冾l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

通過檢測儲氣罐壓力，實現(xiàn)系統(tǒng)的壓力閉環(huán)控制，自動調節(jié)空氣壓縮機的轉速和空氣壓縮機的運轉臺數(shù)。改造后的空壓站控制系統(tǒng)由2個基本系統(tǒng)組成，即恒壓變頻調速系統(tǒng)和微機控制參數(shù)監(jiān)測管理系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時，壓力變送器YB將總管壓力P轉變?yōu)殡娦盘査腿階/D與壓力設定值P0比較，并根據(jù)差值的大小按給定控制模式進行運算，產生控制信號送變頻調速器，通過變頻器控制電動機的轉速，再通過控制系統(tǒng)控制空氣壓縮機運行的臺數(shù)，使實際壓力P始終接近設定壓力P0。在用氣系統(tǒng)需一臺空氣壓縮機運行時，單臺空氣壓縮機變頻運行維持恒壓供風；當用氣系統(tǒng)風量不足時，變頻器運行頻率升高為50 Hz（或當電動機運行速度接近工頻速度時，通過自動延時轉為工頻運行），再啟動另一臺空氣壓縮機變頻運行維持恒壓供風，這樣以此類推。多臺空氣壓縮機都由變頻器來啟動，實現(xiàn)帶載軟啟動，避免了啟動沖擊電流和啟動給空氣壓縮機帶來的機械沖擊。系統(tǒng)循環(huán)帶載軟啟動、循環(huán)停機的工作方式，實現(xiàn)了供氣量的連續(xù)調節(jié)，保證了總管壓力穩(wěn)定。

4　改造后的效益

4.1經濟效益

本系統(tǒng)利用恒壓變頻調速系統(tǒng)和微機控制參數(shù)監(jiān)測管理系統(tǒng)實現(xiàn)多臺空氣壓縮機的變頻節(jié)能改造，為企業(yè)帶來顯著經濟效益。

提高運行負荷率。有效杜絕“大馬拉小車”的現(xiàn)象，優(yōu)化了生產時的供氣氣壓，使空壓機的耗電大大降低。與上一年同期對比能耗下降8.95%。

節(jié)約空壓機潤滑油20%。采用變頻調速后，空壓機處于恒速運行，潤滑油耗量變小，實現(xiàn)“低轉速，低潤滑”。與上一年同期對比能耗下降11.17%。投資回收期為6～8個月。

據(jù)監(jiān)測數(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：138 494.7萬元×0.75×12=116.33萬元；潤滑油為：0.4×9 000元=0.36萬元。

4.2延長壓縮機的使用壽命

變頻器從低頻啟動壓縮機，其啟動加速時間可以調整，從而減少啟動時對壓縮機的電器部件和機械部件所造成的沖擊，增強系統(tǒng)的可靠性，使壓縮機的使用壽命延長。此外，變頻控制能夠減少機組啟動時電流波動，這一波動電流會影響電網和其它設備的用電，變頻器能夠有效的將啟動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。變頻控制多臺壓縮機的輸出氣量隨著電機轉速的改變而改變，有效地提高了工況的質量。

4.4節(jié)約能源

變頻器控制壓縮機與傳統(tǒng)控制的壓縮機比較，能源節(jié)約是最有實際意義的，根據(jù)用氣量需求來供給的壓縮機工況是經濟的運行狀態(tài)。

這三大效益是對空壓機運行系統(tǒng)進行節(jié)能改造后帶來的，還不包括空壓機節(jié)能改造中的余熱回收改造所帶來的效益，因此生產企業(yè)要降低生產成本，對空壓機設備進行節(jié)能改造是必不可少的措施。D

（本欄責任編輯孫晶）

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