長沙昱霆機電有限公司
Changsha Yuting electromechanical Co., Ltd
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改造前空壓站問題的提出
通常空壓站由多臺空壓機組成，每臺空壓機都由一臺電機拖動，獨立進行控制。在實際工作中，空壓站按最大工作負荷而設計的，所以在用氣量少時，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(wǎng)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。
空壓站這種控制方式，帶來許多問題，如：螺桿式空氣壓縮機氣量的供求關系主要表現(xiàn)為排氣壓力的變化，當排氣量正好滿足生產(chǎn)用氣量要求時，儲氣壓力保持不變，但由于生產(chǎn)用風量的不均衡，而裝機容量需根據(jù)生產(chǎn)最大用風全并留有余量設計，故實際運行中空氣壓縮機供風量遠大于實際用風量。若空氣壓縮機仍恒速運轉(zhuǎn)，則儲氣罐內(nèi)的氣體壓力越來越大，當雄內(nèi)壓力上升達到設定壓力時，一般采用兩種辦法：一種是空氣壓縮機卸荷運行(關閉入氣閥)，不產(chǎn)生壓縮氣體，電動機處于空載運轉(zhuǎn)，其用電量仍為滿負載的30%~50%。還有空壓機是大轉(zhuǎn)動慣量負載，電機空載啟動時所需的功率大致相當于滿載運行所消耗2~3倍，運行時間約為5~60s，在頻繁啟動控制排氣量時，對電網(wǎng)沖擊大，能耗明顯增加，這部分電能也被白白浪費廢掉；另外一種辦法是停止空氣壓縮機運行，但將會帶來電動機的頻繁啟動。空氣壓縮機的空載啟動電流大約是額定電流的5~7倍，對電網(wǎng)及其它用電設備沖擊較大，同時使空氣壓縮機的使用壽命也會縮短。為滿足生產(chǎn)設備用氣要求，儲氣罐內(nèi)空氣運行壓力通常設為0.55~0.65MPa，壓力設定范圍太大則會形成管路高壓力，高傳送損耗、漏氣，而且氣壓大范圍波動無法滿足現(xiàn)代生產(chǎn)工藝的需求。
變頻器改造節(jié)能方案
變頻恒壓控制方式是通過系統(tǒng)A/D、D/A十變頻器內(nèi)置的PID自動調(diào)節(jié)輸氣量與設定量的差值，使壓力恒定，系統(tǒng)壓力通過壓力變送器將管網(wǎng)壓力轉(zhuǎn)變成電信號送到系統(tǒng)，經(jīng)過系統(tǒng)的計算后通過D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號給變頻器的PID調(diào)節(jié)單元，使空壓站的拖動電機通過變頻器輸出相應的轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力穩(wěn)定。變頻器恒壓供氣系統(tǒng)是根據(jù)管網(wǎng)瞬時用氣量的變化自動調(diào)節(jié)空壓站中央空壓機的轉(zhuǎn)速和運轉(zhuǎn)臺數(shù)，使管網(wǎng)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(zhì)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。
工作原理
通過檢測儲氣越壓力，實現(xiàn)系統(tǒng)的壓力閉環(huán)控制，自動調(diào)節(jié)空氣壓縮機的轉(zhuǎn)速和空氣壓縮機的運轉(zhuǎn)臺數(shù)。改造后的空壓站控制系統(tǒng)由兩個基本系統(tǒng)組成，即恒壓變頻調(diào)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總管壓力P轉(zhuǎn)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(chǎn)生控制信號送變頻調(diào)速器.通過變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速，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。
在用風系統(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：當用風系統(tǒng)風量不足時，變頻器運行頻率升高為50Hz，(或當電機運行速度接近工頻速度時通過自動延時轉(zhuǎn)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，這樣依此類推。多臺空氣壓縮機都由變頻器來啟動，實現(xiàn)帶載軟啟動，遙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(diào)節(jié)，保證了總管壓力穩(wěn)定(如圖1)。
改造后系統(tǒng)運行特點
1)風壓幅值變化小
由于該變頻器是以壓力控制的，即保持恒值，使壓力、轉(zhuǎn)數(shù)、功率達到動態(tài)匹配，在設定的壓力下穩(wěn)定運行。實測使用變頻運行時，其壓力變化幅值為0.034MPa,即在設定壓力為0.5MPa時，其壓力在0.486~0.52MPa區(qū)間變化。而工頻運行時，在同樣的條件下，其壓力在0.368~0. 5233MPa區(qū)間變化，其變化幅值為0.155MPa。因風壓幅值變化小，使用風負荷穩(wěn)定，供風質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高。
2)噪音低
使用變頻運行時，機房平均嗓音為72dB (A)，排氣時機房噪音平均為81.125dB (A)，不排氣時機房噪音平均76.625dB (A)。使用變頻比使用工頻運行排氣時平均降低噪音9.125dB (A)，不排氣時平均降低嗓音4.625dB (A)。由于嗓音降低，改善了工作環(huán)境。
3)操作簡便
使用變頻運行，只要按動啟動按鈕就可使設備運行。甩掉了傳統(tǒng)的減荷閥控制，省去了繁瑣的操作程序。同時，可實現(xiàn)多臺電動機循環(huán)軟啟動，消除了電機啟動時對電網(wǎng)大電流的沖擊現(xiàn)象。
4)節(jié)約空氣壓縮機潤滑油40%
采用變頻調(diào)速后，在空氣壓縮機低轉(zhuǎn)速運行時，潤滑油耗量也就變小，即所謂“低轉(zhuǎn)速，低潤滑”。以4L220/3型空氣壓縮機為例，據(jù)統(tǒng)計測算，使用工頻運行時，潤滑油平均每小時用105g
5)延長設備使用壽命
由于變頻器保持恒定值的優(yōu)點，使之壓力-轉(zhuǎn)速-功率達到動態(tài)匹配，轉(zhuǎn)數(shù)明顯降低，一般情況在220-584r/min之間，機械磨損減小，延長設備的使用壽命。
6)提高運行可靠性
原電控系統(tǒng)與改造后電控系統(tǒng)可互為備用，提高了運行可靠性，同時各項保護措施更加完善。節(jié)能效果分析
設P為現(xiàn)有空壓站的壓力設定值。系統(tǒng)改造前，因人工控制方式下送氣量不能連續(xù)調(diào)節(jié)，為保證正常供氣，須使壓力在P0附近上下波動。Pmax是最高壓力值，當管網(wǎng)壓力達到此值時，空壓站關閉吸氣閥使電機處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。Pmin是最低壓力值，即能夠保證用氣設備正常工作的最低壓力，當管網(wǎng)壓力達到此值時，空壓站重新開啟吸氣閥。一般情況下，Pmax、P0、Pmin之間關系可以用下式來表示：
Pmax=(1+2δ) Pmin
Po(1+δ) Pmin
δ是一個百分數(shù)，其數(shù)值大致在15%~30%之間，即15%~≤δ≤30%。改造后，系統(tǒng)可連續(xù)調(diào)節(jié)供氣量使管網(wǎng)壓力恒定，因此，可將壓力設定在能滿足設備用氣的最低壓力值Pmin附近。改造后系統(tǒng)所節(jié)約的能量主要分析為：
(1)超過Pmin的壓力所消耗的能量
改造后空氣壓縮機對氣體所做的功可以表示為W=Pmin×Qin，可以假設改造前壓力常年工作在P1附近，此時空氣壓縮機所做的功可以表示為：
W1= (Pmin+ΔP) (Qmin+ΔQ)，式中的ΔP=δPmin. ΔQ≈QoQmin，若假設系統(tǒng)改造前、后的管網(wǎng)的情況和用氣的工況不變，P-Q之間的管阻曲線是一條二次曲線，通常情況下可以用直線來表示。則系統(tǒng)改造后的節(jié)能率n可以表示為：
η= (W1-W)/W1=1-W/W1
由計算可知，節(jié)能率η的值可達相應δ值的一倍以上，因此超壓部分的節(jié)能潛力很大。
(2)調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量
通常情況下，當壓力達到Pmax時，空氣壓縮機通過關閉吸氣閥使電機空轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)排氣量，但空氣壓縮機在空轉(zhuǎn)中還是帶動活塞或螺桿運動，此時的能耗約占空氣壓縮機滿載運行時的30%~50%，這部分能量節(jié)省下來的數(shù)量相當可觀。
(3)電機起動時所消耗的能量
空氣壓縮機是大轉(zhuǎn)動慣量負載，電機空載起動時所需的功率大致相當于電機滿載運行時所消耗功率的2~3倍，時間約為lmin。這部分能耗在大多數(shù)空壓站中不占主要部分，在某些靠頻繁啟動來控制排氣量的空壓站，這部分能耗就顯得很大。
結語
本系統(tǒng)利用變頻器實現(xiàn)多臺空氣壓縮機的變頻節(jié)能改造，在降低投資的同時實現(xiàn)最佳節(jié)能效果，既降低開機、停機時瞬間電流沖擊對電氣和機械設備的影響，又提高了設備運行的可靠性，滿足生產(chǎn)的需要，達到預期節(jié)能效果。
以一臺45kw的空壓機為例：45kW×90%=40.5(度/小時)
電費計價￥0.85元/度，使用時間按每月30天，每天20小時，則每月注塑機油泵馬達部分的電費約為：
40.5度/小時×30天×20小時×0.85元/度=￥20,655元/月
改造后空壓機的節(jié)電率按平均30%核算，則每月回收效益為：
￥20,655×30%%=￥6,196.5元/月
年回收效益為：￥6,196.5元/月×12月=74,358￥元
以上僅為舉例說明，具體數(shù)據(jù)以試機實測數(shù)據(jù)為準。
一般情況下，所有投資可于6-10個月內(nèi)通過電費節(jié)省回收。(
