空压机变频改造总结

关键词： 空压机

空压机变频改造总结（精选七篇）

空压机变频改造总结 篇1

螺杆式空气压缩机在工业领域中已成为必不可少的关键设备,是许多工业部门工艺流程中的核心设备。为了节能降耗,对原机组进行节能改造并作了理论分析及实际改造,取得了良好的效果。

1 螺杆式空压机能耗分析

空压机的工作原理是由一对相互平行啮合的阴阳转子( 或称螺杆) 在气缸内转动,使转子齿槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化,空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧,从而实现空压机的吸气、压缩和排气的全过程。空压机的进气口和出气口分别位于壳体的两端,阴转子的槽及阳转子齿由主电动机驱动。图1 为单螺杆空气压缩机的结构原理图。螺杆式空气压缩机的工作过程分为吸气、密封及输送、压缩、排气四个过程。当螺杆在壳体内转动时,螺杆与壳体的齿沟相互啮合,空气由进气口吸入,同时也吸入机油,由于齿沟啮合面转动将吸入的油气密封并向排气口输送; 在输送过程中齿沟啮合间隙逐渐变小,油气受到压缩; 当齿沟啮合面旋转至壳体排气口时,较高压力的油气混合气体排出机体［1］。

因此,空压机工作过程,需要持续消耗很多驱动能量。特点是:

1) 起动电流大

空压机主电动机虽然是“星—三角”减压起动,但起动时的电流仍然很大,可高达电动机额定电流的6 ~ 7 倍,严重影响电网的稳定及其他用电设备的运行安全。

2) 能源成本大

传统空压机的使用成本由3 项组成( 图2) : 初始采购成本、维护成本和能源成本。其中能源成本大约占空压机运行成本的77% 。

螺杆式空压机的运用成本中,采购成本及维护成本是基本固定的,因77% 成本花在能源消耗上,故必须在节能改造上多做改进。因此,千方百计降低空压机的能源消耗是关键。

2 螺杆式空压机节能方案选择

2. 1 螺杆式空压机的节能方案选择

节能改造可以从机械系统和控制调节系统两方面进行。机械系统方面的改造主要为改进、优化管道系统,降低管网阻力,降低功耗。控制调节系统方面改造主要是选择合理的流量调节方式。目前空压机的流量调节方式一般有压缩机间歇控制运行、吸气调节、气缸卸载、无级变速调节等。

空压机间歇运行会带来压缩机频繁起停,增大电能损耗,引起电网波动增大,同时也会影响设备寿命; 而气缸卸载不但能量浪费,且会加剧设备磨损,增加了运营成本。目前越来越多的采用变频调速技术。通过变频器控制电动机的转速变化,进而控制电动机的输出功率与空压机的输入功率,使空压机的制风量与实际用风量相匹配。这种调节方式可以实现电动机转速的连续调节,使空压机在轻载运行时的工作效率大大提高,降低空压机的能耗,创造较好的经济效益,对于螺杆空压机来说,采用变频器可通过改变螺杆转子转速的方式来改变排气量,当用气量发生变化时,变频器改变转速的方式调节空压机的排气量,达到排气压力恒定不变,并节约能源的目的。

2. 2 变频节能分析

1) 空压机上使用的电动机一般都是三相异步电动机。

变频控制原理根据异步电动机转速公式:

式中: n为电机转速; f为电源频率; s为电动机转差率; P为电动机的极对数。

由式( 1) 可知,异步电动机的转速与电源频率成正比,所以改变电源频率就可以改变电机的转速,从而实现电动机调速。

在变频调速过程中,在一定的转矩T下,S基本不变,随着同步转速n的下降,对应磁场角速度 ω 也下降,电动机的输入电磁功率PM= Tω 和输出功率

也成比例下降,损耗没有增加,所以变频调速是一种高效的电动机调速方法。当前的变频器不仅能实现频率的无级调节,而且能根据所需负载特性,适当调节电压U与频率f的关系。空气压缩机属于变转矩负载类应用,其流量与转速成正比,压力与转速的平方成正比,轴功率与转速的立方成正比。因此,当流量为额定流量的70% 时,电动机轴功率为额定轴功率的34. 13% ,仅为1 /3。

因而,变频器在空气压缩机上能起到显著的节能效果。

2) 变频控制过程

该系统要求集成,可靠,能检测多路传感器信号,结合设定的参数值,将信号进行处理,生成相应的控制信号,控制执行机构的操作［2］。整套系统由变频螺杆空压机控制器、传感器系统、执行机构组成。变频螺杆空压机控制器通过传感器采集空压机的供气压力、排气温度、油滤器、空滤器、油分器运行情况,主机电流、风机电流以及三相交流电的相序等信息,输出4 ~ 20 m A模拟信号调节变频器的输出频率,并且控制相应的接触器、电磁阀动作,从而控制空压机平稳可靠运行。

变频调速系统以空压机压缩空气的输出压力作为控制对象,由变频器,压力传感器、PLC、电动机组成闭环恒压控制系统,工作压力值由操作面板直接设置,现场压力由传感器来检测,转换成4 ~ 20m A电流信号后反馈到变频器,变频器通过内置PID进行比较计算,从而调节其输出频率,达到调节电动机转速,进而调节电动机输出功率的目的。由此可见只要调节电动机的转速,就可以调节电动机轴输出功率,也即调节了空压机的输入功率,使空压机的制风量与用风量相匹配,达到恒压供气与节能的目的。其运行流程为用所需的制风量转为模拟电量去改变输入电动机运转,降低电源不必要损耗而达到节能的目的。

电气原理图如图3 所示。图中CT1 为主电动机电流互感器,CT2 为风机电动机电流互感器,中间的模块为变频器,MAIN为主电动机,FAN为空压机冷却风机。

2. 3 变频控制系统的工作原理

a) 变频运行控制

启动: 接触器KM1 和KM2 控制器输出触点控制变频器启动,控制器输出启动初值频率对应的模拟电流给变频器启动电动机运行,启动完成后加载电磁阀得电,空压机加载运行。

自动运行控制: 电动机启动完成后,空压机开始加荷,气罐压力开始升高。当气压升高超过设定压力值时,控制器输出模拟电流信号减小,变频器输出频率降低,电动机转速降低从而减小压力; 当气压低于设定压力值时,控制器输出模拟电流信号增加,变频器输出频率升高,电动机转速上升从而增加压力。停机控制: 加载电磁阀失电,控制器输出空车电流信号,延时一段时间后KM1 和KM2 失电,切断回路,停止运行。

b) 工频运行控制

启动( 方式采用Y-Δ 启动) : 首先接触器KM4、KM3得电,进入Y形启动状态,经过一段启动延时,KM3 失电,KM1 得电,进入△形运行状态。

自动运行控制: 电动机启动到△形运行状态,延时一段时间,加载电磁阀得电,空压机开始加荷运行,气罐压力上升。当气压升高到设定压力上限时,加载电磁阀失电,停止加载。当气压低于设定压力下限时,加载电磁阀得电,空压机加载运行。如果空压机空车运行过久则会自动停机,只有当压力降到低于设定压力下限时,空压机自动按启动过程启动运行,如此往复,实现自动控制。

停机控制: 加载电磁阀失电,停止加载,延时一段时间后,电动机接触器失电停止运行。

c) 防频繁启动控制功能

无论在变频还是工频控制方式下,该系统均有防频繁启动控制功能,即正常停机、空车过久停机、故障停机后,需要延时一段时间才能重新启动,保护电动机。

d) 风机温度控制

当排气温度大于风机启动温度而且主机有电流时,接触器KM5 得电启动风扇电动机运行; 当排气温度小于风机停机温度时,风扇电动机停止运行。

e) 故障停机与紧急停止

当空压机组在运行过程中出现电气故障或排气温度高等故障时控制器立即停车,需排除故障并且解除故障状态后才能重新启动电动机。所有接触器的控制线圈回路经过紧急停止按钮,如遇紧急情况,按下紧急停止按钮则可断开所有接触器。

3 空压机变频改造后特性［3］

1) 经过特殊的电路设计和参数设置,确保空压机在改造后不会出现常见的机组共振,突发喷油,轴承温度过高,谐波干扰等故障现象,保证了空压机的更安全,更稳定的运行。

2) 实时跟踪系统压力,根据特定算法不断调整电动机转速,保证压力的稳定输出。

有效的改善机组的运行情况,提高机组加载率,使机组大部分时间都处于加载模式下运行,减少了主机负荷变化,延长了进气系统组件和主机使用寿命。

3) 提供稳定的压力输出,因为可以降低机组压力设置,减少了由于压力设置过高而造成的不必要的能源损耗( 图5) 。

4) 电动机实现真正的软起动,起动电流控制在额定电流之内,改善了星三角起动时对机械元件、电气元件的强大冲击,从而极大的降低维护成本。

5) 空压机组的散热系统也能根据空压机的油温情况,按照特性曲线进行调速控制,防止润滑油含水量增加而影响压缩机冷却效率和机组寿命。

6) 随着电动机转速减慢,空压机噪音比全速运行时的噪音大大减少,同时由于大大降低了空压机卸载时间,卸载时的放空噪音也相应大大降低。

7) 具有良好的耐高温特性,能够适应最高50 ℃ 的环境下达到最大输出。

8) 具备完善的自我诊断和安全保护功能,保证了供气安全。

9) 内置直流电抗器,有效降低电源的谐波干扰。

4 节能效果分析

改造前,空压机加载运行时运行电流240 A,运行时间2 min,卸载时运行电流110 A,运行时间4 min。

改造后,空压机频率基本上在30 ~ 45 Hz,运行电流平均120 A,无卸载时间,基本不停机。

用电量分析: 每天工作24 h,每月30 d。

改造前为W=1.732×I×U×24×30/1 000=72 661 k W/h

改造后为W=1.732×I×U×24×30/1 000=56 865 k W/h

由上可计算出,改造后一台压缩机每月可节电W = 15 796 k W/ h

每度电按0.58 元计算,每月节省电费9161 元。

摘要：螺杆式空气压缩机是一种高速回转的容积式压缩机,具有体积小,质量轻,运转平稳,易损件少,效率高,单级压比大,能量无级调节等优点,因此已被广泛应用,尤其在工业制冷领域中为最佳机型。为了进一步降低能耗,除在机械部分采取各种措施下,用变频调速技术进行改造,能取得更好的节能效果。同时也能为用户带来多重收益。

空压机变频节能改造方案 篇2

第一部分 变频节能改造背景

一、基本情况

二、变频调速技术

第二部分 空压机的改造缘由

一、空压机介绍

二、存在的主要问题

三、变频改造的优点

第三部分 实现方法

一、公司简介

二、实现方法

第四部分 投资估算及服务承诺

一、投资估算

二、服务承诺

第一部分 变频节能改造背景

一、基本情况

广西南宁华诺糖厂空压站现有315KW/380V空压机3台，160KW/380V空压机4台每年耗电量约200多万元。对华诺糖厂来说是一笔很大的开支。

近年来，我国经济飞速发展，对能源的需求尤其是是对电能的需求激增。去年夏季，珠三角和长三角许多城市不得不拉闸限电，我国不仅在电能开发上需要加快速度，而且还应该在节约电能方面狠下功夫，据统计，我国在电能利用率上仅有34%左右，比发达国家低10多个百分点，电能供给缺口大，电能利用率低，致使电费一涨再涨。去年8月份，襄樊市电力缺口大,电价上涨0.05元/度，达0.52元/度，使公司的成本开支增大，要降低成本，抓住主要矛盾，首先是降低电耗！

二、变频调速技术

交流电动机变频调速是近25年内发展起来的新技术，而在我国的普及应用已有10多年，即使在这短短的10多年里，国内变频器技术发展很快，技术相当成熟,并且有些变频器(如英威腾变频)装到成套

上出口到美国和澳大利亚。在国内广泛应用在风机、水泵、压缩机及调速设备上,应用的用户很多，使用后反映都不错。

变频调速技术在国内压缩机上应用的处于高速增长期，我们专业做变频器推广应用的企业已做了许多压缩机节能改造的工程，节电效果相当明显，业绩发展很快。尤其是2001年国家经贸委下发的《关于加快风机水泵压缩机变频节能改造的意见》给我们襄樊华强照明有限公司节电工作指明了明确的方向。

第二部分空压机的改造缘由

一.空压机介绍：

工作原理是由一对相互平行齿合的阴阳转子(或称螺杆)在气缸内转动，使转子齿槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化，空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧，实现螺杆式空压机的吸气、压缩和排气的全过程。

电机功率：110KW交流异步电机

额定电流：220A

额定转速：1480转/分

原系统工作状况：

该系统为星－角减压启动，启动电流到1000A。启动过程为空载启动，10－30秒（可调）后自动加载，其中星－角启动时间10－20秒（可调）。

主轴齿轮箱的润滑油压由主电机带动，启动10－20秒（可调）后检测由压力传感器检测的油压，如低于最小设定值（1.0bar）则报警。

该系统正常工作时可设定低点压力和高点压力，从而调节空压机的卸载和加载运行，达到调节压力的目的。加载运行时电机电流约220A左右，卸载运行时电机电流约100A左右。

二.存在的主要问题：

原系统由于电机不允许频繁启动，导致在用气量少的时候电机仍然要空载运行，浪费电能。经常卸载和加载导致整个气网压力经常变化，不能保持恒定的工作压力。

三.空压机变频改造后的效益

1、节约能源

变频器控制压缩机与传统控制的压缩机比较，能源节约是最有实际意义的，根据贵公司的用气量和压缩机的供气量有较大的冗余，约

在30%左右。年节电费在：336936元（每天按10个小时工作，每年按10个月来计算），节电效益相当可观。

计算如下：

（315KW×3台+160KW×4台）×0.85×30%×10小时×30天/月×11个月/年×0.52元/度=693564.3元

2、提高压力控制精度

变频控制系统具有精确的压力控制能力。使压缩机的空气压力输出与用户空气系统所需的气量相匹配。变频控制压缩机的输出气量随着电机转速的改变而改变，有效地提高了工况的质量。

3、延长压缩机的使用寿命

变频器从低频起动压缩机，它的起动加速时间可以调整，从而减少起动时对压缩机的电器部件和机械部件所造成的冲击，增强系统的可靠性，使压缩机的使用寿命延长。此外，变频控制能够减少机组起动时电流波动，这一波动电流会影响电网和其它设备的用电，变频器能够有效的将起动电流的峰值减少到最低程度。

4、变频器内置RS485接口，可以方便地与计算机相联，为将来贵公司实现DCS集中控制调度，计算机科学管理提供强有力的技术支持。

5、变频器的保护功能相当完善且强大，有过载、过压、过流、断相、接地、欠压等保护功能，从而保护着电机不会烧毁，又由于其启动时间长且启动电流从很小慢慢增长，消除了工频启动时强大的电流冲击，从而延长了水泵叶轮和电机的使用寿命。

6、变频器与压力传感器、工频控制柜构成一个PID自动化恒压控制系统，大大减少操作人员的劳动强度和工作期间的关注度，并提高贵公司供水服务质量。

第三部分 实现方法

一、英威腾公司简介 关于英威腾

深圳市英威腾电气股份有限公司，成立于2002年，是深圳市政府重点扶持的“高新技术企业”和“软件企业”，是集变频器研发、制造、营销于一体的国家高新技术企业。产品与技术

在吸收国外先进技术的基础上，结合近十年变频推广的应用经验和当今电力电子最新控制技术，如今形成低压CHV/CHE/CHF各行业专用系列、中压660V/1140V系列、高压CHH100系列，电压等级

220V~10KV、功率范围0.4KW~7100KW的上百种规格型号的高性能变频器，覆盖高、中、低端市场丰富的产品线，成为国内产品线最齐全的变频器生产厂家，也是少数自主研发掌握成熟矢量技术的国内变频器厂家之一。市场与应用

产品在石化、钢铁、建材、油田、化工、纺织、印刷、塑胶、机床、矿山等行业广泛成功应用；公司销售和服务网点遍布全国各地，与上百家经销商、千余家用户建立了长期合作关系，并远销东南亚、中东、欧美等50多个海外国家和地区，已成为国内变频器行业的实力品牌和领先品牌。企业理念

经营理念：众诚德厚 也精致远 核心价值：众诚德厚 拼搏创新

愿 景：致力于成为全球领先、受人尊敬的电气传动、工业控制领域的产品（服务）供应商

使 命：竭尽全力向客户提供物超所值的产品和服务，客户更有竞争力

经营方针：创新 品质 标准化 共同发展

一、实现方法（一拖多）

工作原理：

变频器拖动空压机变频运行，压力传感器实时检测输出气管的压力变动情况，当出气压力低于变频器的设定压力时，变频器频率增加，压缩机加速运行，供气压力增大，当压力还达不到设定压力时，可编程控制器发指令将变频运行的空压机切换成工频运行，下一台空压机变频运行，至到压力等于设定压力为止；当出气压力高于变频器的设定压力时，变频器频率减小，空压机减速运行，供气压力减小，当压力还偏大时，可编程控制器发指令将变频运行的空压机停止运行，下一台空压机变频运行，至到压力等于设定压力为止。变频器能根据检测的压力情况与设定压力比较，实现PID调节。

第四部分 投资估算及服务承诺

CLIN T-科莱特自控 最优选择　最好服务原系统调频运行运行指示故障报警变频工频δ=480断开空压机1000*2200*800mm设计刘涛审核批准工程名称空压机变频节能改造武汉科莱特变频自控技术实施单位有限公司 1AV2A1SM1HB1HB2SM2HB2HB1HB

一、投资估算（方案一）：

①CHE100-315KW变频器 1台 141000元/台 小计：141000元 ②压力送送器 1台 1000元/台 小计：1000元 ③可编程控制器（72点）1台 8000元

④电柜（含旁路及相关附件）台 15000元/台 小计：15000元 ⑤程序开发费用12000元 合计：175000元

从上面节能效益分析得出一年节约的电费为69.4万元 4个月就可收回投资。

二、服务承诺

1、负责现场指导安装调试。

2、免费提供现场的操作、维护技术培训。

3、一年免费保修，终生维护。

4、变频器故障退出运行后，24小时内赶到现场。

空压机变频改造总结 篇3

摘要：文章针对除灰系统中空气压缩机能耗大、自动化程度低等问题，利用集散控制系统和变频器对空压机进行了变频改造，实现了空压机供气PID自动恒压调节，节能效果显著。

关键词：空压机；集散控制系统；恒压供气；PID变频；改造节能

中图分类号：TH457 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）11-0038-02

司家营铁矿热电车间共有两台螺杆式空压机，为除灰系统提供吹扫气源，是锅炉运行的重要设备，其运行状况的好坏直接影响车间的正常生产。针对上述问题，司家营铁矿热电车间对空压机控制系统进行改造以达到节能增效的效果。

1 螺杆式空压机工作过程及存在问题

1.1 螺杆式空压机工作过程

螺杆式空压机工作过程如图1所示：

如图1所示，空气经过空气过滤器过滤掉杂货和尘土等，经吸气调节阀进入到压缩腔，与此时被喷入的冷却润滑油混合，由电动机加压压缩成高压混合气体，经过储油罐进入油/气分离器，经过一系列的碰撞、重力离心等作用，空气与油分离，空气经过空气冷却器进入储气罐为系统供气，而油经过油过滤器和冷却器进入压缩器进行新一轮的油气混合。

1.2 空压机存在的问题

（1）空压机加载、卸载过程中，耗能较高，造成极大的浪费。（2）空压机房工作环境恶劣，噪音大。（3）自动化程度低，输出压力依靠调节阀人工调节，速度慢，精度低，供气压力不稳定。

2 空压机变频改造方案

2.1 空压机经济运行分析

根据空气压缩理论和异步电动机原理，空压机的轴功率、排气量和轴转速符合下列公式：

PL——空气压缩机功率

TL——空气压缩机转矩

nL——空气压缩机转速

根据上述理论分析，在空压机的汽缸容积一定的前提下，只有调节空压机的转速才能改变排气量。由于空压机是恒转矩负载，空压机轴功率与转速呈正比变化，因此通过调节空压机的转速来调节供风压力，是空压机经济运行的有效方法。

2.2 变频器的节能原理

由电机学知识可知，异步电动机的转速n与电源频率f、转差率S、电机极对数p三个参数有如下关系：

由此可知，在电机极对数p一定且转差率S又变化很小的情况下，转速n基本上与电源频率f成正比，即改变电源频率就可以改变电动机的转速。因此，可以利用变频器的调速功能调节空压机的转速，实现空压机的经济运行，以达到节能的目的。

2.3 集散控制系统介绍

集散控制系统（Distributed Control System）是以微处理器为基础的集中分散控制系统，可对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制，简称DCS系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一、人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的

分散。

2.4 空压机变频改造方案

恒压供气控制系统主要由DCS、变频器、空压机、压力变送器等组成，以管网压力为控制对象，设计的控制原理图如图2所示：

执行机构为变频器，采用V/F控制方式进行调频，根据偏差按设定的PID控制模式进行运算，从而控制变频器的频率，调节空压机电机转速，使得供气压力维持在给定压力上，实现供气的恒压控制。

为了安全运行，保留原有的工频控制模式和电气机械联锁，即工频、变频控制模式可切换运行，正常情况下，空压机以变频调速的控制方式运行，若变频器控制系统发生故障则自动切换至工频运行模式。空压机工频/变频运行模式的电气原理图如图3所示：

如图3所示，当QF1、QF2闭合时，空压机处于工频运行模式；当QF1、QF3闭合时，空压机处于变频调速模式。其中，QF2、QF3存在电气机械闭锁关系，即二者不能同时闭合。

3 空压机变频改造的实施

3.1 变频器的选型

选择变频器容量与所驱动的电动机容量相同即可。司家营铁矿热电车间共有两台复盛空压机，其型号为SA-250A，所配电机型号为Y2-355M-4，额定电压为380V，额定电流为433A，额定功率为250kW。为更好地实现恒压供气的目的，因此选用两台ABB风机泵类专用单传动变频器，其型号为ACS800-04P-320-3。

3.2 恒压控制系统的逻辑方案及PID调试

3.2.1 恒压控制系统的逻辑方案。该恒压控制系统是基于DCS控制系统完成的，其逻辑控制方案如图4。

此方案中，SELECT2为DCS组态中的模拟量二选一算法，即供气压力有两个，需选择一个压力为PID的控制对象。当无人工选择信号时，算法自动进行选择；当两个压力品质均好时，选择平均值；当其中一个压力品质坏时，则选择品质好的那一个压力；当有人工选择信号时，若条件满足（所选点品质好），则根据人工要求进行选择，选择结果的点品质也送出。

LAG为超前/滞后环节组态算法，其传递函数为：

G（s）=K（1+T1S）/（1+T2S）

式中：

K——增益系数

T1——超前时间（Sec）

T2——滞后时间（Sec）

其主要作用为通过T1、T2的设定，调节PID两个输入端信号的增益时间，排除信号传输及运算过程的延迟问题。

PIDF为组态中的PID调节器算法，为供气压力自动调节调节器，其偏差为反作用。

NORMA/M为带限值器及可调偏置的普通型软手操器，为变频器调速的界面手操作器，可实现调速的自动/手动的切换，可实现变频器的开环和闭环控制。

3.2.2 恒压控制系统的PID调试。组态完毕后，通过对PID比例系数、微分时间、积分时间的设定，方可实现供气压力的恒定调节。以即时曲线为依据，按PID调节的经验，以此设定三者的大小，根据曲线的振幅、反应时间，反复修改，最后整定出供气压力为0.7MPa时，系统正常运行的PID参数为：

PIDGAIN=0.45，即比例系数；PIDRESET=50，即微分时间；PIDDGAIN=6，即积分时间。

变频器自动投入后，供气系统运行稳定。

4 结语

随着DCS系统和变频技术的不断创新发展，无论从节能角度出发，还是自动化技术的推广应用，空压机的变频改造都将是一个必然趋势，而DCS系统则将是其首选控制系统。

参考文献

[1]周国良.压缩机维修手册[M].北京：化学工业出版社，2010.

[2]张燕宾.变频调速应用实践[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3]吴才章，党培，郑维，等.集散控制系统技术基础及应用[M].北京：中国电力出版社，2011.

作者简介：郑德金（1984—），男，河北钢铁集团滦县司家营铁矿有限公司技术员，助理工程师；孙建华（1966—），男，河北钢铁集团滦县司家营铁矿有限公司厂长，高级工程师；杨旭（1983—），男，河北钢铁集团滦县司家营铁矿有限公司副厂长，助理工程师。

螺杆式空压机变频节能改造 篇4

空压机是空气压缩机的简称。其主要用途有:压缩气体用于作为动力, 如气动扳手、风动机械;用于自动控制, 如车辆制动、酿造业的搅拌;用于制冷和气体分离, 如冷冻行业与要用到纯氧纯氮的行业等。

在工业农业生产的许多领域, 如采矿、石油、化工、制冷、动力和冶金等部门中广泛地使用压缩机。据统计, 在一个大型冶炼厂中, 全年为压缩机配套的电动机功率常达上万千瓦;在冶金工业和机械制造行业中, 冶炼用的氧气压缩机和空气压缩机动力站所消耗的电能, 几乎占全厂电能消耗的30%以上。如何降低空压机运行所消耗的能源, 对于响应国家节能降耗的政策以及提高企业的经济效益都具有十分重要的现实意义。

二、空压机节能改造分析

1. 空压机工作原理

空压机按工作原理分类有速度式 (透平式) 和容积式二种。速度式空压机的作用原理是通过某种方式使气体流动速度加快后, 再在扩压装置中急剧减速后将气体动能转化为气体静压能, 以提高气体压力。容积式空压机的作用原理是通过压缩空气体积达到使气体压力增加的目的。

容积式空压机以螺杆式空压机最为常见, 其工作原理是:由一对相互平行齿合的阴阳转子 (或称螺杆) 在气缸内转动, 使转子齿槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化, 空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧, 从而实现空压机的吸气、压缩和排气的全过程。空压机的进气口和出气口分别位于壳体的两端, 阴转子的槽及阳转子齿被主电机驱动而旋转。

2. 空压机的控制过程

空压机供气系统的控制过程一般为:按下启动按钮, 控制系统接通启动器线圈并打开断油阀, 空压机在卸载模式下启动, 这时进气阀处于关闭位置, 而放气阀则打开以排放油气分离器内的压力。等降压2秒后空压机开始加载运行, 系统压力开始上升。如果系统压力上升到压力开关上限值, 即起跳压力时, 控制器使进气阀关闭, 油气分离器放气, 压缩机空载运行。当系统压力下降至压力开关下限值, 即回跳压力时, 控制器使进气阀打开, 油气分离器放气阀关闭, 压缩机满载运行。

3. 漓铁球团厂竖炉除尘空压机原先存在的问题

该厂竖炉除尘用空压机为螺杆式, 由大小2台组成, 大的一台型号为S A60-7, 排气量10.3m3/m i n, 额定/最大排气压力为0.7/0.75M P a, 电机功率为55Kw, 电机转速为2970r/min。小的一台型号为OG-50W, 轴功率为37KW, 容积流量为6.1m3/min, 额定电压为380V, 供气压力为0.7MPa。

该空压机的作用是产生高压气体, 用于输送从竖炉除尘下来的球粉到制球原料库, 以便回收利用。由于在除尘输送系统中用风量不均衡, 空压机供风量一般大于实际用风量, 为保持储气压力不变, 就必须要采用调节方式。其中大压缩机时常处于满负荷运行状态, 当压缩空气产量无法满足工况需求时, 就加开小压缩机;而当压缩空气过剩时, 就进行放空, 能源浪费严重。另外, 该空压机组在变频改造前采用星—三角起动, 虽为PLC控制, 但空压机采用间歇控制运行方式, 运行状态很不经济。存在着:

(1) 大小主电机虽然以星—三角降压起动, 但起动电流仍较大, 对电网与其他设备造成一定的冲击与影响。

(2) 大电机时常空载运行, 电能浪费较严重。

(3) 小电机常频繁起动、停止, 影响电机使用寿命

(4) 主电机工频运行造成空压机运行时噪音很大。

针对除尘空压机控制方式欠缺和能耗大等问题, 厂里于2009年对空压机进行了节能改造。

三、空压机节能方案选择

1. 空压机的节能方案选择

空压机的节能改造可以从机械系统和控制调节系统两方面进行。机械系统方面的改造主要为改进、优化管道系统等, 以降低管网阻力, 降低功耗。控制调节系统方面改造主要是选择合理的流量调节方式。目前空压机的流量调节方式一般有压缩机间歇控制运行、吸气调节、气缸卸载、无级变速调节等。

空压机间歇运行会带来压缩机频繁起停, 增大电能损耗, 引起电网波动增大, 同时也会影响设备寿命;而气缸卸载不但能量浪费, 且会加剧设备磨损, 增加了运营成本。

目前越来越多的采用无级变速调节, 即变频调速技术。通过变频器使电机输入电压的频率变化, 控制电机的转速变化, 进而控制电机的输出功率与空压机的输入功率, 使空压机的制风量与实际用风量相匹配。这种调节方式可以实现电机转速的连续调节, 使空压机在设计的情况下运行, 使空压机在轻载运行时的工作效率大大提高, 降低空压机的能耗, 创造较好的经济效益, 对响应目前国家节能降耗的号召有着重要的意义。

对于螺杆空压机来说, 采用变频器可通过改变螺杆转子转速的方式来改变排气量, 当用气量发生变化时, 变频器改变转速的方式调节空压机的排气量, 达到排气压力恒定不变, 并节约能源的目的。

针对竖炉除尘空压机控制系统方面存在的问题, 绍兴漓铁集团球团厂于2009年对其进行了变频节能改造。

2. 变频节能分析

(1) 变频控制原理

式中, f为电源频率, S为电动机转差率, P为电动机的极对数。

当P和S确定后, 电动机转速与电源频率成正比, 所以改变电源频率即可改变电机转速n, 从而实现变频调速。

(2) 变频节能原理

根据空压机的运行特性知, 空压机基本属于恒转矩负载, 用变频调速的方法据供气量大小来调节电机转速, 能使电机的输出功率基本与转速 (供气量) 成正比关系。当用气量减小时, 排气口压力上升, 通过闭环反馈给变频器, 使电机转速降低, 减小了轴输出功率;当用气量增加时, 排气口压力下降, 通过闭环反馈给变频器, 使电机转速升高, 增加了轴输出功率。

因此, 变频空压机系统通过压力闭环, 可实时跟踪供气系统负载变化, 调整空气压缩机电机的转速, 保证排气口压力恒定, 使压缩机电机工作在最经济的运行状态下。避免了原控制方式空压机频繁的加载与卸载, 频繁地起动与停机, 使得从电网吸收的电能大大下降。

(3) 变频控制过程

变频调速系统以空压机压缩空气的输出压力作为控制对象, 由变频器, 压力传感器、PLC、电机组成闭环恒压控制系统, 工作压力值由操作面板直接设置, 现场压力由传感器来检测, 转换成4~20m A电流信号后反馈到变频器, 变频器通过内置P I D进行比较计算, 从而调节其输出频率, 达到调节电机转速, 进而调节电机输出功率的目的。

由此可见只要调节电机的转速, 就可以调节电机轴输出功率, 也即调节了空压机的输入功率, 使空压机的制风量与用风量相匹配, 达到恒压供气与节能的目的。

四、空压机变频节能改造

1. 节能改造设计要求

根据原空压机组控制系统存在的问题并结合生产工艺要求, 机组控制系统变频改造后系统应满足以下要求:

(1) 系统应具有变频和工频两套控制回路。

(2) 保持储气罐出口压力稳定。电机变频运行时, 出口压力波动范围不能超过±0.02MPa。

(3) 一台变频器能控制两台空压机组, 可用转换开关切换。

(4) 根据空压机的工控要求, 控制系统应使电动机具有恒转矩运行特性。

(5) 控制系统仍由PLC进行控制。

2. 控制系统组成框图

整个系统由变频器、P L C、压力变送器、工频接触器、电机、空压机等组成压力闭环控制系统, 自动调节电机转速, 进而调节空压机的进气量, 使储气罐内空气压力稳定在设定范围内, 进行恒压控制。反馈压力与设定压力进行比较运算, 通过PLC实时控制变频器的输出, 从而调节电机转速, 达到节能的目的。空压机组变频调速系统原理框图如图1所示。

3. 工作过程

变频控制接线示意图如图1所示。在空压机排气出口处安装压力传感器的采样点, 通过压力传感器获得所需要的电流信号, 当系统用气量小时, 空压机排气口的压力升高, 压力传感器的阻值减小, 24V直流电源把压力传感器的阻值转变为电流信号, 通过P L C使其对变频器输入的电流信号增大, 变频器与设定值比较后得到偏差ε, ε经过PID调节后使输出电源的频率逐渐变小, 电动机转速下降, 同时空压机电机的转速也下降, 压力降低。当系统用气量大时, 系统压力逐渐降低, 变频器输出电源频率升高, 电动机转速增加, 制气量增加, 使空压机出口处压力升高, 满足系统用气量要求。当供气量与用气量基本持平, 变频器就会以该点的频率运行, 这样就实现了系统压力的恒定, 同时电机与空压机也一直运行于最经济运行状态。

为了安全起见, 在安装变频器装置时, 保留了原有的工频控制电路, 在变频柜上设置了工频/变频转换开关, 当变频装置出现故障时, 可方便地转换到工频运行状态, 正常供气不影响生产 (如图2所示) 。

五、变频改造后优点

1. 启动电流小, 对电网无冲击

变频器可使电机起动、加载时的电流平缓上升, 没有任何冲击;可使电机实现软停, 避免反生电流造成的危害, 有利于延长设备的使用寿命

2. 输出压力稳定

采用变频控制系统后, 可以实时监测供气管路中气体的压力, 使供气管路中的气体的压力保持恒定, 提高生产效率和产品质量

3. 设备维护量小

空压机变频启动电流小, 小于2倍额定电流, 加卸载阀无须反复动作, 变频空压机根据用气量自动调节电机转速, 运行频率低, 转速慢, 轴承磨损小, 设备使用寿命延长, 维护工作量变小。

4. 噪音低

变频根据用气需要提供能量, 没有太多的能量损耗, 电机运转频率低, 机械转动噪音因此变小, 由于变频以调节电机转速的方式, 不用反复加载、卸载, 频繁加卸载的噪音也没有了, 持续加压, 气压不稳产生的噪音也消失了。

5. 节能效果明显

变频器改造节能效果十分明显。经过该厂实验, 一台55K W的空压机, 加载时间15秒, 加载电流达110A;卸载时间20秒, 卸载电流约80A, 工作压力上下限为0.75MPa/0.62MPa, 根据加卸载时间与电流, 可以算出该空压机节能改造前耗电量45度/小时。变频改造后节电率约30%, 按每度电0.75元计算, 一年可节约电费:

45×0.75×24×365×30%=88695 (元) =8.8695 (万元)

空压机变频改造费用约10万元

约 (10/8.870) ×12=13.52

即约14个月就可以收回投资。而以后每年可节约电费8万多元。

因此, 在供气系统中接入变频节能系统, 利用变频技术改变空压机转速来调节管道中的流量, 以取代阀门调节方式, 不但能实现恒压供气的目的, 并且能取得明显的节能效果。另外, 变频器软起动功能及平滑调整特点可实现对流量的平衡调节, 减少了起动冲击, 还可以延长压缩机与机组管组的使用寿命。

六、注意事项

1.空压机属于大转动惯量负载, 这种起动特点很容易引起V/F控制方式的变频器在起动时出现跳过电流保护的情况。建议选用具有高起动转矩的无速度传感器矢量变频器, 保证既能实现恒压供气的连续性, 又保证设备可靠稳定运行。

2.空压机不允许长时间低频下运行, 若空压机转速过低, 一方面将使空压机工作稳定性变差, 另一方面使缸体润滑性变差, 会加速磨损。所以工作下限频应不低于20Hz。

3.为了有效滤去变频器输出端电流中高次谐波分量, 减少因高次谐波引起的电磁干扰, 建议选用输出交流电抗器, 还可以减少电机运行噪声与温升, 提高电机运行稳定性。

4. 建议功率选用比空压机功率大一等级的变频器, 以免空压机启动出现频繁跳闸的情况。

参考文献

[1]高相家, 陈放.螺杆空压机变频节能改造的经济分析和技术方案[J].技术改造, 2009, 3

[2]李强, 屈宝存, 葛智强.PLC和变频器在空压机节能改造中的应用[J].可编程控制器与工厂自动化, 2006, 7

空压机节能改造及变频器的应用 篇5

1.1现场考察数据

考察时间:2011年04月;总运转时间:R160IU机组运行21 000 h;加载时间:R160IU机组加载7 000 h,平均加载为33%;(加载时间为空压机真正作功时间);待机空载时间:R160IU机组21 000-7 000=14 000 h;(待机空转时间为空压机不作功的时间)

1.2数据分析

工矿分析:根据以上数据,可看出系统用气属于连续用气但用气波动比较大的特性。

能耗分析:压缩机主电机即使在空转运行状态下也要耗能40%左右。

R160IU机组为:160 kW(电机功率)×40%(空转能耗比)×14 000(空转时间)×0.65(每度电费)=582 400元

R160IU机组:按每年运行8 000 h计算,空压机的每年能耗浪费值约为:

160 kW(电机功率)×40%(空转能耗比)×5 360(空转时间)×0.65(每度电费)=222 976元/a。

2变频控制器改造方案

2.1变频控制器的原理

变频式压缩机是如何控制的呢?与传统式压缩机最大的不同之处在于变频式压缩机的马达是由变频器所驱动。不论我们所使用电源是50 Hz或60 Hz,变频器均先将其转成直流电,转换成直流电之后,再依指令输出成我们所要使用的交流电频率。此频率可为任意频率,而不再局限于50 Hz或60 Hz,至于输出电压则与输入电压相同。目前市面上的变频器其最高频率少则120 Hz,多则可达上千,使用于变频式压缩机已绰绰有余。变频器的基本电路如图1。

用压力传感器实时感应系统中实际气压和用气量,通过FUZZY3000的智能电气控制和变频控制的精确配合,控制马达转速使能耗与产出成等比例,以实现高品质压缩空气的按需输出。

2.2 IR5000变频控制器功能概述

采用高效节能控制系统IR5000-160-I一台R160IU空压机进行节能控制,高效节能控制系统可以帮助用户实现系统的节能控制(变频控制器的调幅量50%～100%)。因为对一般工厂来讲,在空压机的实际运行中,所需的实际用气量比设计的容量要小得多,而且用气量是变化的。所以对空压机进行变频控制,在用气量低的阶段,可以显著地节约系统能量;更好地满足用气量变化的需求,同时也能够解决以下空压站房普遍存在问题。

2.2.1空压机加载率偏低

较低的加载率表明空压机有大部分的时间处于卸载状态,这就表明每年每台空压机系统有部分时间是空转运行,是不做任何功的。

2.2.2空压机存在频繁加卸载现象

空压机的选型是按照理想的最大用量来进行的,系统实际的用气量肯定会小于额定产量,因此将有可能引起机组频繁的加卸载,直接导致机组进气系统组件缩短使用寿命,间接导致机组其它部件如主机、主电机负荷变化过于频繁,缩短寿命、特别是冷却器等部件内部压力、换热交替,严重影响冷却器芯的使用寿命。

2.2.3空压机压力带宽设置偏高

由于空压机只能通过加卸载来调节压力,为了能够满足生产用气的最低要求,空压机的压力带设置偏高,相当于系统存在了接近1 bar的压力浪费。根据经验可知,压力每升高1 bar,会增加至少7%的能源消耗。

2.2.4空压机启动冲击

大功率电机进行星三角起动,对空压机机械元件产生强大的冲击,长期下去,会影响空压机内部机械元件的使用寿命,增加了空压机的维护成本。

2.2.5空压机站房噪音明显

由于空压机长期处于较为频繁的加卸载调节状态,空压机大部分时间是处于空放状态,在这种状态下,空压机不断地泄放筒体压力,使得空压站房的噪音明显。

3 IR5000系统的特点及效果

IR500O改造系统的特点主要是:控制性能可靠性高,节能效果明显,操作方式简单。

3.1 IR5000系统组成

参数设定器(显示界面)———可以在面板上设置变频器所调节的压力目标设定值以及可以显示变频器检测到的20多种的参数。高效节能柜体———控制柜由变频器、智能集成控制元件、低压元器件和柜体组成。

3.2 IR5000系统特点

用户可以根据用气需求,在参数设定器上设定好系统的目标压力,高效节能控制系统就能根据监测到的实际压力对空压机进行相应的变频调速控制,最好的实现系统用气需求。调速范围是25 Hz～50 Hz。系统主要有以下优点:

3.2.1最大的优点是节能

根据空压机的工况,一般能节能30%～35%。节能的多少由下面的因素来决定:变频器的参数的设定、变频器优良的调节跟踪特性、空压机的工作状况。其中最大的因素是空压机的工作工况,当客户的用气状况起伏大,其节能的效果就越好。

3.2.2维护成本降低

由于采用了变频控制系统,空压机的软启动减少了对电机电气元件的电冲击,启动电流小,延长了电机和接触器的寿命。空压机的软启动减少了对设备的机械冲击,电机轴承,主机轴承和齿轮箱都延长了使用寿命。变频器控制装置使空压机在绝大部分时间处于加载状态,各类相关的电磁阀和气动元件都大大地减少了动作次数,所以无论电气和机械零件的故障率大大降低。减少了更换零件的费用和人工费。

3.2.3所需的工厂的电网的容量降低

当使用星三角启动时,启动电流比较大。当工厂电网容量有限时,会引起上游的空气开关调闸,使用变频器可以节省工厂电网扩容的费用。

3.2.4减少生产损失

在节能和减少维护成本的同时,使用了变频器,其完善的保护措施使您的空气压缩系统更加稳定可靠,减少了停机时间,降低了生产的损失。在变频系统运行时,变频器同时监视20多个参数,电流,电压,转速,力矩,用电量,系统的智能化程度提高

3.2.5具有工/变频选择功能

当变频器出现故障时,可以切换到工频模式运行,对用户来说可以保障用气安全,同时可以给我们充足的时间来处理变频运行的问题。

3.2.6降低噪音

当排气量减少时,电机的转速减慢,空压机的噪音比全速运行时的噪音大大减少。卸载运行的时间减少,放空的噪音也减少。图2是转速和噪音之间的关系。

3.2.7专业的空压机技术

空压机与变频器的一体化控制涉及到空压机的运行工艺条件,涉及到空压机防振动、防呕油、以及电机温度保护、压力特性曲线等专业工艺知识,同时要与空压机原有控制系统紧密集成。

3.2.8灵活的控制方式

集成高效节能控制系统能够增加系统的稳定性,使整个空气系统在最合理、最节能的运行方式下运行。

4结语

空压机改造项目在实际应用中得到非常好的效果,频率设定在30%,工频和变频比较节约了20%的能耗;积极响应了国家节能减排的目标;并使塞迪维尔玻璃绝缘子(上海)有限公司得到了良好的经济效益。

注:本文参考了《英格索兰空压机说明书及操作手册》

参考文献

[1]陈浩.变频器案例解析及应用[M].北京:国防工业出版社,2009.

空压机变频改造总结 篇6

平禹煤电公司白庙矿针对原XSJK132/380电控柜存在的问题, 结合空压机电机型号, 经研究, 决定将原有电控系统更换为变频节能控制系统, 使用YL-132kW-380V空压机变频节能柜。

1变频节能系统结构

变频节能系统主要由3部分组成:变频器、压力传感器和工频转换柜。系统首先通过变频器改变频率改变转速, 并由压力传感器反馈信号, 变频器接收到反馈信息后进行逻辑运算, 逻辑运算后得出所需要的压力值, 继而供给电机最合理的带有一定频率的电流, 根据转速与频率成正比的原则, 使转速得到最佳的控制。

1.1变频器

高性能V/F变频高速控制器CHF100变频器可以通过改变输入到交流电机的电源的频率和电压, 从而达到达到调节电动机的输出转速的目的。变频调速器从电网接收工频50 Hz交流电, 经过恰当的强制变频方法, 将输入的工频电变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出到交流电机, 实现交流电机的变速运行。

1.2压力传感器

压力传感器采用目前最方便的两线制输入输出方式, 把采集的压力信号转化为4～20 mA的标准模拟信号压力反馈给变频器, 压力传感器电源电压24 V。

1.3工变频转换柜

工变频转换柜主要功能是:①对变频控制器进行自动化控制, 通过变频器对空压机实现变频自动化控制。当变频控制系统出现故障时, 系统自动报警, 则可以立即人工选择原系统运行。发现故障及时通过人工切断电源。②显示当前工作状态下的电流、电压、频率、输出、PID反馈值等。

2节能控制系统的控制方式

该系统共控制2台132 kW空压机变频节电运行 (图1) 。根据该厂空压机的具体情况, 节能设备控制1台电机运行, 另1台备用, 2台电机可以进行变频控制之间的相互切换。但这种切换必须是在先停止变频器工作的前提下。

系统应用变频调速技术进行恒压供气控制, 可以把管网压力作为控制对象, 压力变送器将储气罐的压力转变为电信号送给智能调节器, 与压力设定值作比较, 并根据差值的大小按既定的控制模式进行运算, 产生控制信号送变频调速器, 通过变频器控制电机的工作频率与转速, 从而使实际压力始终接近设定压力, 达到恒压供气。

为实现输气管道上的恒压供气, 在输气总管上安装了1个压力传感器, 将管网里的压力转换成4～20 mA信号送到智能型自整定PID调节器。PID调节器将其输入的4～20 mA信号转换为0～10 V DC的电压信号, 作为变频器的频率给定, 从而改变电机的转速。

系统工作时, 空压机变频运行, 如管网压力不够, 变频器则会根据压力传感器传来的压力转化为4～20 mA模拟信号的变化, 经逻辑运算后, 输出给电机设定的最高频率。反之当管网压力过高时, 变频器会根据实际用风量调整电机的转速。整个工作的过程将使总管的气压基本恒定, 达到恒压供气的目的。

3系统特点

(1) 节省电能。

恒压供气系统投入运行后, 可使储气罐的气压差保持在设定值的2.5%范围内, 将减少自动排空损失的电能, 同时功率因数提高至cos ϕ>0.95, 减少了无功损耗。

(2) 降低了噪声, 减少了环境污染。

恒压供气系统由于实现了变频控制, 基本上消除排空放气的情况, 从而改善了噪声对环境的污染。

(3) 延长了机械部件使用寿命。

使用空压机节电系统后, 空压机大多数时间运行在变频工况下, 能明显减少机械部件的磨损, 延长机器寿命, 减少维修费用和缩短维修时间。

(4) 实现了软启动。

减少机组启动电流对电网的冲击, 同时可灵活地重复多次启动, 避免了自耦降压启动的不足。

(5) 实现了恒压供气。

系统投入运行后, 提高了供气可靠性和负载变化的调节能力, 保证了恒定的供气压力, 进一步保证了产品质量的稳定性。

(6) 运行可靠, 故障率几乎为零。

系统设有过载、失压、欠压、过流、缺相等保护功能, 运行可靠。

(7) 操作简易, 发生故障不影响生产。

节能器发生故障后, 可自动停机并发出故障信号, 可转换到市电使空压机正常运行, 不影响生产。

4结语

空压机变频改造总结 篇7

空气压缩机(简称空压机)是一种利用电能将气体在压缩腔内进行压缩并使气体具有一定压力的设备。空压机作为糖厂的基础设备,担负着为工厂所有气动部件及分蜜机、装包称提供气源的职责,但是其自身结构存在着明显的技术弱点。传统的螺杆式空压机供气控制方式几乎全部采用加载、卸载的控制方式,即当输出压力大于设定压力时,卸压阀自动打开卸压,使电动机空载运行,造成了能源的极大浪费;当输出压力低于设定压力时,电动机又加载运行,由于电动机在工频启动时,启动电流大,对电网冲击比较大,电动机的轴承很容易被磨损坏。此外由于频繁加、减载,空压机的进气阀也极易损坏。

随着变频器技术的不断发展和成熟,变频调速技术在各行业中的应用越来越广泛。此外,PLC具有强大的工业控制功能,触摸屏编程简单,可以方便地实现人机交互的功能。由变频器、PLC与触摸屏组合所构成的闭环控制节能系统,已成为一种自动控制的发展趋势。设计采用一套PLC和变频器实现对螺杆式空压机的节能改造方案,经分析,该方案自动化程度高,节能效果显著,实用性好。

2 空压机变频改造原理

2.1 螺杆式空压机的工作原理

螺杆式空压机的工作原理有以下4个过程:

(1)吸气过程:电机驱动转子,主、从转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时,其空间大,外界的空气充满其中,当转子的进气侧端面转离了壳的进气口时,在齿沟间的空气被封闭在主、从转子与机壳之间,完成吸气过程。

(2)压缩过程:在吸气结束时,主、从转子齿峰与机壳形成的封闭容积随着转子角度的变化而减少,并按螺旋状移动,此为压缩过程。

(3)压缩气体与喷油过程:在输送过程中,容积不断减少,气体不断被压缩,压力提高,温度升高,同时,因气压差而变成雾状的润滑被喷入压缩腔,从而达到压缩、降低温度密封放润滑的作用。

(4)排气过程:当转子的封闭齿峰旋转到与机壳排气口相遇时,被压缩的空气开始排放,直到齿峰与齿沟的吻合面移至排气端面,此时齿沟空间为零,即完成排气过程。与此同时,主、从转子的另一对齿沟已旋转至进气端,形成最大空间,开始吸气过程,由此开始一个新的压缩循环。

经压缩后的空气温度较高,其中混有一定的油气,需经过油气分离器进行分离,之后油气经过油冷却器冷却,再经过油过滤器流回储油罐,空气经过气后冷却器(空气冷却装置)进行冷却而进入储气罐。

2.2 传统空压机供气系统中存在的缺点

传统空压机供气系统如图1所示。传统空压机供气系统的工作状态主要有2种:一种是加载状态,另一种是空载状态。其电能浪费主要有如下几个方面。

2.2.1 加载时的电能消耗

加载状态是指在压力为最小值时,将压力继续上升到最大压力值的状态。在加压过程中空压机一定会向外界释放更多的热量,从而导致电能损失。此外,高于压力最大值的气体在进入气动元件前,其压力需要经过减压阀减压,这一过程同样是一个耗能过程。

2.2.2 卸载时的电能消耗

在传统空压机供气系统中,为了不频繁启动电机,在用气量少时仍然要求电机空载运行,浪费电能。另外,当压力达到最大值时,空压机通过关闭进气阀使电机处于空转状态,同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空的方法来降压卸载,这种调节方法也会造成能量浪费。据测算,根据空压机卸载时占运行时间的比例不同,卸载损耗约占空压机满载运行时的10%～30%。即在空压机运行中,很多时间是处于空载状态。

2.2.3 压力波动时的电能消耗

传统空压机的供气系统对压力的控制采取的是对上限、下限值的控制,即首先根据生产设备所要求的最低压力,设定空压机输出压力的下限,也就是空压机开始加载的压力;再在最低压力上加0.1 MPa左右,作为空压机输出压力的上限,即开始卸载的压力。这样,空压机的输出工作压力将在上下限之间波动。由于空压机的功率消耗和输出压力成正比,因此输出的压力越高消耗的功率也越大。

2.3 空压机变频调速恒压供气原理

螺杆式空压机的基本运行方式是加载、减载方式。减载时电机空转,能源白白浪费,如果利用变频器通过改变电机频率来调节转速,变频控制即通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量,从而达到控制管路压力的目的,具有明显的节能效果。空压机变频节能系统原理:通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较,得出偏差值,经PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由变频器输出的相应频率和幅值的交流电,在电动机上得到相应的转速。那么空压机输出对应的压缩空气输出至储气罐,使之压力发生变化,直到管网压力与给定压力值相同。

2.4 变频调速恒压供气特点

(1)空压机属于恒转矩负载,即转矩在不同速度下保持不变,但所需功率和速度成正比,采用变频调速使电机转速降低,因而达到了节能的目的。

(2)自动恒压供气系统的压力设定,可以将满足生产设备要求的最低压力作为设定压力,PLC将根据管网压力上下波动的趋势,调节变频器输出的转速快慢,从而消除了空压机的卸载运行,节约了电能。

(3)由于恒压供气使得管网压力稳定,可以降低甚至消除压力的波动,从而使系统中所有运行的空压机都在一个满足生产要求的较低压力下运行,这样减少了压力向上波动造成的功率损失。

(4)由于压缩机不能排除在满负载状态下长时间运行的可能性,因此只能按最大需求来决定电动机的容量,故电动机设计容量一般偏大,但在实际运行中,轻载运行的时间所占的比例非常高。采用变频调速后,大大提高运行时的工作效率,因此节能潜力很大。

(5)单电动机拖动系统大多不能根据负载的轻重连续调节。采用了变频调速后,则可以十分方便地进行连续调节,能保持压力、温度等参数的稳定,从而大大提高压缩机的工作性能。

2.5 变频改造注意事项

(1)空压机是大转动惯量负载,这种启动特点很容易引起变频器在启动时出现跳过流保护的情况,建议采用具有高启动转矩的无速度矢量变频器,既能实现恒压供气的连续性,又可保证设备可靠稳定运行。

(2)空压机不允许长时间在低频下运行,工作下限应不低于20 Hz。

(3)建议功率选用比空压机功率大一个等级的变频器,以免空压机启动时出现频繁跳闸的现象。

(4)为了有效滤除变频器输出电流中的高次谐波分量,减少因高次谐波引起的电磁干扰,建议选用输出交流电抗器,还可以减少电机运行的噪音。

(5)设计的系统应具备变频和工频2套控制回路,确保变频出现异常跳保护时不影响生产。

3 基于PLC的空压机变频控制系统

3.1 系统原理设计

基于PLC的变频控制系统原理图如图2所示。控制系统由变频器、PLC控制系统、变频柜、电动机、压力变送器、螺杆压缩机等组成。其中采用PLC来实现电气部分的控制,根据PLC系统发送过来的数据调节空压机的转速以达到调整产气量的目的,从而使供气量与用气量平衡实现恒压供气,并且还可以将变频器内部的运行参数反馈到PLC系统。

PLC作为控制单元,是整个系统的控制核心,主要作用有:①完成对系统各种数据的采集以及数字量与模拟量的相互转换。②完成对整个系统的逻辑控制及PID调节的运算。③向触摸屏提供所采集及处理的数据,并执行触摸屏发出的各种指令。④将PID运算的数据结果转换成模拟信号,作为调节变频器的输出频率的控制信号。⑤报警及故障自诊断。空压机内部一般有4个需要监测的量,即冷却水压力监测、润滑油监测、机体温度监测、储气罐压力监测。

3.2 改造实例

以曾经进行变频节能改造的1台110 kW空压机为例,此恒压供气系统中变频器采用ABB-ACS550变频器,PLC选用西门子S7-200小型PLC。改造后系统运行曲线如图3所示。变频改造前后运行数据见表1。

图3中曲线①为变频器运行频率曲线(0 Hz对应0%,50Hz对应100%),直线②为压力设定值0.6 MPa,曲线③为实际压力值。从图3中可以看出,为了保证实际值与设定值相等,变频器运行频率会随负荷的变化而变化,运行频率在35～40Hz之间变化。从表1中的数据可以看出,经变频节能改造后的自动恒压供气系统节电效果明显。

4 结语

总之,通过使用PLC控制的交流变频器对空压机进行改造后,不但操作方便、简单、维护量小,而且有显著的节能效果,并且实现高度自动化调节,达到高效节能的要求。空压机恒压供气使用变频器与压力控制构成闭环控制系统,使压力波动减少到1.5%,降低噪音,减少振动,保证设备稳定运行。使用变频器后,空压机可在任何压力下随意启动,打破了以前不允许带压启动的规定,启动电流大大降低。使用变频器后,节电率普遍达到30%左右,比风机、水泵类负载节电率低,但电机功率都比较大,其节电量值较大,经济效益比较显著。

参考文献

[1]西门子(中国)有限公司.S7—200编程手册[Z].

[2]ABB(中国)有限公司.ACS550用户手册[Z].