長(zhǎng)沙昱霆機(jī)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(tái)空壓機(jī)組成，每臺(tái)空壓機(jī)都由一臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)，獨(dú)立進(jìn)行控制。在實(shí)際工作中，空壓站按最大工作負(fù)荷而設(shè)計(jì)的，所以在用氣量少時(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(jī)氣量的供求關(guān)系主要表現(xiàn)為排氣壓力的變化，當(dāng)排氣量正好滿足生產(chǎn)用氣量要求時(shí)，儲(chǔ)氣壓力保持不變，但由于生產(chǎn)用風(fēng)量的不均衡，而裝機(jī)容量需根據(jù)生產(chǎn)最大用風(fēng)全并留有余量設(shè)計(jì)，故實(shí)際運(yùn)行中空氣壓縮機(jī)供風(fēng)量遠(yuǎn)大于實(shí)際用風(fēng)量。若空氣壓縮機(jī)仍恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，則儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體壓力越來越大，當(dāng)雄內(nèi)壓力上升達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，一般采用兩種辦法：一種是空氣壓縮機(jī)卸荷運(yùn)行(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，電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)所需的功率大致相當(dāng)于滿載運(yùn)行所消耗2~3倍，運(yùn)行時(shí)間約為5~60s，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費(fèi)廢掉；另外一種辦法是停止空氣壓縮機(jī)運(yùn)行，但將會(huì)帶來電動(dòng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)。空氣壓縮機(jī)的空載啟動(dòng)電流大約是額定電流的5~7倍，對(duì)電網(wǎng)及其它用電設(shè)備沖擊較大，同時(shí)使空氣壓縮機(jī)的使用壽命也會(huì)縮短。為滿足生產(chǎn)設(shè)備用氣要求，儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣運(yùn)行壓力通常設(shè)為0.55~0.65MPa，壓力設(shè)定范圍太大則會(huì)形成管路高壓力，高傳送損耗、漏氣，而且氣壓大范圍波動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)輸氣量與設(shè)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(hào)送到系統(tǒng)，經(jīng)過系統(tǒng)的計(jì)算后通過D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)給變頻器的PID調(diào)節(jié)單元，使空壓站的拖動(dòng)電機(jī)通過變頻器輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速來控制壓縮機(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。變頻器恒壓供氣系統(tǒng)是根據(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)了控制過程的自動(dòng)化，并且對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行了超壓、過載、過流、欠壓等自動(dòng)報(bào)警保護(hù)。
工作原理
通過檢測(cè)儲(chǔ)氣越壓力，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)由兩個(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.通過變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過控制系統(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。
在用風(fēng)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)用風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量不足時(shí)，變頻器運(yùn)行頻率升高為50Hz，(或當(dāng)電機(jī)運(yùn)行速度接近工頻速度時(shí)通過自動(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)，這樣依此類推。多臺(tái)空氣壓縮機(jī)都由變頻器來啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)帶載軟啟動(dòng)，遙免了啟動(dòng)沖擊電流和啟動(dòng)給空氣壓縮機(jī)帶來的機(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(如圖1)。
改造后系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)
1)風(fēng)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(dá)到動(dòng)態(tài)匹配，在設(shè)定的壓力下穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)測(cè)使用變頻運(yùn)行時(shí)，其壓力變化幅值為0.034MPa,即在設(shè)定壓力為0.5MPa時(shí)，其壓力在0.486~0.52MPa區(qū)間變化。而工頻運(yùn)行時(shí)，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(fēng)壓幅值變化小，使用風(fēng)負(fù)荷穩(wěn)定，供風(fēng)質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高。
2)噪音低
使用變頻運(yùn)行時(shí)，機(jī)房平均嗓音為72dB (A)，排氣時(shí)機(jī)房噪音平均為81.125dB (A)，不排氣時(shí)機(jī)房噪音平均76.625dB (A)。使用變頻比使用工頻運(yùn)行排氣時(shí)平均降低噪音9.125dB (A)，不排氣時(shí)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(jiǎn)便
使用變頻運(yùn)行，只要按動(dòng)啟動(dòng)按鈕就可使設(shè)備運(yùn)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(shí)，可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)循環(huán)軟啟動(dòng)，消除了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)大電流的沖擊現(xiàn)象。
4)節(jié)約空氣壓縮機(jī)潤(rùn)滑油40%
采用變頻調(diào)速后，在空氣壓縮機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，潤(rùn)滑油耗量也就變小，即所謂“低轉(zhuǎn)速，低潤(rùn)滑”。以4L220/3型空氣壓縮機(jī)為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)測(cè)算，使用工頻運(yùn)行時(shí)，潤(rùn)滑油平均每小時(shí)用105g
5)延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命
由于變頻器保持恒定值的優(yōu)點(diǎn)，使之壓力-轉(zhuǎn)速-功率達(dá)到動(dòng)態(tài)匹配，轉(zhuǎn)數(shù)明顯降低，一般情況在220-584r/min之間，機(jī)械磨損減小，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。
6)提高運(yùn)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(yùn)行可靠性，同時(shí)各項(xiàng)保護(hù)措施更加完善。節(jié)能效果分析
設(shè)P為現(xiàn)有空壓站的壓力設(shè)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(dòng)。Pmax是最高壓力值，當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到此值時(shí)，空壓站關(guān)閉吸氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。Pmin是最低壓力值，即能夠保證用氣設(shè)備正常工作的最低壓力，當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到此值時(shí)，空壓站重新開啟吸氣閥。一般情況下，Pmax、P0、Pmin之間關(guān)系可以用下式來表示：
Pmax=(1+2δ) Pmin
Po(1+δ) Pmin
δ是一個(gè)百分?jǐn)?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(shè)定在能滿足設(shè)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(jī)對(duì)氣體所做的功可以表示為W=Pmin×Qin，可以假設(shè)改造前壓力常年工作在P1附近，此時(shí)空氣壓縮機(jī)所做的功可以表示為：
W1= (Pmin+ΔP) (Qmin+ΔQ)，式中的ΔP=δPmin. ΔQ≈QoQmin，若假設(shè)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(jì)算可知，節(jié)能率η的值可達(dá)相應(yīng)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(dāng)壓力達(dá)到Pmax時(shí)，空氣壓縮機(jī)通過關(guān)閉吸氣閥使電機(jī)空轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)排氣量，但空氣壓縮機(jī)在空轉(zhuǎn)中還是帶動(dòng)活塞或螺桿運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的能耗約占空氣壓縮機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)的30%~50%，這部分能量節(jié)省下來的數(shù)量相當(dāng)可觀。
(3)電機(jī)起動(dòng)時(shí)所消耗的能量
空氣壓縮機(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載，電機(jī)空載起動(dòng)時(shí)所需的功率大致相當(dāng)于電機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)所消耗功率的2~3倍，時(shí)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(dòng)來控制排氣量的空壓站，這部分能耗就顯得很大。
結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)利用變頻器實(shí)現(xiàn)多臺(tái)空氣壓縮機(jī)的變頻節(jié)能改造，在降低投資的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能效果，既降低開機(jī)、停機(jī)時(shí)瞬間電流沖擊對(duì)電氣和機(jī)械設(shè)備的影響，又提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，滿足生產(chǎn)的需要，達(dá)到預(yù)期節(jié)能效果。
以一臺(tái)45kw的空壓機(jī)為例：45kW×90%=40.5(度/小時(shí))
電費(fèi)計(jì)價(jià)￥0.85元/度，使用時(shí)間按每月30天，每天20小時(shí)，則每月注塑機(jī)油泵馬達(dá)部分的電費(fèi)約為：
40.5度/小時(shí)×30天×20小時(shí)×0.85元/度=￥20,655元/月
改造后空壓機(jī)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(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。
一般情況下，所有投資可于6-10個(gè)月內(nèi)通過電費(fèi)節(jié)省回收。(
