1 問題的提出
空氣壓縮機是礦山生產的重要設備之一,它生產壓縮空氣,用以帶動風動鑿巖機、風動裝巖機等設備以及其它風動工具,其耗電量約占全礦總電耗的8%～11% ,隨著礦井的延深,耗電量還將進一步增加?？諝鈮嚎s機氣量的供求關系主要表現為排氣壓力的變化,當排氣量正好滿足生產用氣量要求時,儲氣壓力保持不變,但由于礦山生產用風量的不均衡,而裝機容量需根據礦井zui大用風量并留有余量設計,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,則儲氣罐內的氣體壓力越來越大,當罐內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,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% ～60% ,這部分電能被白白浪廢掉;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?？諝鈮嚎s機的空載啟動電流大約是額定電流的5～7倍,對電網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。為滿足生產設備用氣要求,儲氣罐內空氣運行壓力通常設為0. 55～0. 65MPa,目前大多數空氣壓縮機均采用切斷進氣的調節方式來改變排至儲氣罐的氣量。隨著電力電子技術的發展,目前*解決方案是對空氣壓縮機實行變頻調速節能控制。為空氣壓縮機運行開辟了新途徑。
2 變頻調速的實現方案
(1) 改造前運行現狀
平時運行時,由操作工每小時巡檢一次各儀表指示,根據儀表指示的總管壓力值做出判斷,手動啟、?？諝鈮嚎s機。開車的工作通常是先關閉送氣閥,打開放氣閥,空氣壓縮機通過起動器啟動,等電機的啟動過程完成后關上放氣閥,打開送氣閥,空氣壓縮機開始工作。空壓站的這種控制方式帶來了許多問題。人工手動開關空氣壓縮機,使供氣量無法連續調節,當用氣量不斷變化時,供氣壓力不可避免地產生較大幅度的波動,繁瑣操作容易造成誤操作致使設備損壞,同時人工開關空氣壓縮機對電網和空氣壓縮機有相當的沖擊。
(2) 變頻節能改造思路
選用與一臺電機容量相當的德力西變頻器輪換驅動兩臺空氣壓縮機,通過檢測儲氣罐壓力,實現系統的壓力閉環控制,自動調節空氣壓縮機的轉速和空氣壓縮機的運轉臺數。改造后的空壓站控制系統由兩個基本系統組成,即恒壓變頻調速系統和微機控制參數監測管理系統。系統工作時,壓力變送器YB將總管壓力P轉變為電信號送智能調節儀與壓力設定值Po 比較,并根據差值的大小按既定控制模式進行運算,產生控制信號送變頻調速器VVVF和可編程控制器PLC,通過變頻器控制電機的轉速,通過可編程控制器控制空氣壓縮機運行的臺數,使實際壓力P始終接近設定壓力Po。在用風系統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;用風系統運行風量不足時,變頻器運行頻率升高為50Hz,原變頻運行空氣壓縮機自動延時轉為工頻運行,變頻器啟動另一臺空氣壓縮機變頻運行維持恒壓供風。兩臺空氣壓縮機都由變頻器來啟動,實現帶載軟啟動,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。系統循環帶載軟啟動、循環停機的工作方式,實現了供氣量的連續調節,保證了總管壓力穩定。
(4) 改造后系統運行特點
1) 風壓幅值變化小
由于該變頻器是以壓力控制的,即v / f保持恒值,使壓力- 轉數- 功率達到動態匹配,在設定的壓力下穩定運行。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區間變化。而工頻運行時,在同樣的條件下,其壓力在0. 368～0. 523MPa區間變化,其變化幅值為0. 155MPa。因風壓幅值變化小,使用風負荷穩定,供風質量好,生產效率高。
2) 噪音低
使用變頻運行時,機房平均噪音為72dB (A) ,排氣時機房噪音平均為81. 125 dB (A) ,不排氣時機房噪音平均76. 625 dB (A) 。使用變頻比使用工頻運行排氣時平均降低噪音9. 125 dB (A) ,不排氣時
平均降低噪音4. 625 dB (A) 。由于噪音降低,改善了工作環境。
3) 操作簡便
使用變頻運行,只要按動起動按鈕就可使設備運行。甩掉了傳統的減荷閥控制,省去了繁瑣的操作程序,同時,可實現兩臺電動機循環軟啟動,消除了電機起動時對電網大電流的沖擊現象。
4) 節約空氣壓縮機潤滑油40%
采用變頻調速后,在空氣壓縮機低轉速運行時,潤滑油耗量也就變小,即所謂"低轉速,低潤滑"。以4L220 /3型空氣壓縮機為例,據統計測算,使用工頻運行時,潤滑油平均每小時用105g,而使用變頻運行平均每小時有42g就夠了。
5) 延長設備使用壽命
由于變頻器V / f保持恒定值的優點,使之壓力- 轉速- 功率達到動態匹配,轉數明顯降低,一般情況在220～584 r /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
原電控系統與改造后電控系統可互為備用,提高了運行可靠性,同時各項保護措施更加完善。
3 節能效果分析
設Po 為現有空壓站的壓力設定值。系統改造前,因人工控制方式下送氣量不能連續調節,為保證正常供氣,須使壓力在Po 附近上下波動。Pmax是zui高壓力值,當管網壓力達到此值時,空壓站關閉吸氣閥使電機處于空轉狀態。Pmin是zui低壓力值,即能夠保證用氣設備正常工作的zui低壓力,當管網壓力達到此值時,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
P0 = (1 +δ) Pmin
δ是一個百分數,其數值大致在15% ～30%之間,即15% ≤δ≤30%。改造后,系統可連續調節供氣量使管網壓力恒定,因此,可將壓力設定在能滿足設備用氣的zui低壓力值Pmin附近。改造后系統所節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 ×Qmin ,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 ≈ Qo - Qmin ,若假設系統改造前、后的管網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。則系統改造后的節能率η可以表示為:
η = (W1 - W ) /W1=1 - W /W1
由計算可知,節能率η的值可達相應δ值的一倍以上,因此超壓部分的節能潛力很大。
(2) 調節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調節排氣量,但空氣壓縮機在空轉中還是帶動活塞做往復運動,此時的能耗約占空氣壓縮機滿載運行時的30% ～50%,將這部分能量節省下來的數量,也相當可觀。
(3) 電機起動時所消耗的能量
空氣壓縮機是大轉動慣量負載,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1min,這部分能耗在大多數空壓站中不占主要部分,在某些靠頻繁起動來控制排氣量的空壓站時,這部分能耗就顯得很大。
4 結語
本系統利用一臺變頻器實現多臺空氣壓縮機的變頻節能改造,在降低投資的同時實現*節能效果,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，系統至今運行十分正常,滿足了生產的需要,達到了預期節能效果。根據節能測試:采用德力西空氣壓縮機恒壓控制變頻調速系統平均每天節電量５３０kWh。按照年工作日3５0d計,則采用恒壓控制變頻調速系統每年可節電１８５５００kWh,按照現行電價0. 4８ 元/kWh計,每年可節約電費８.３萬元,兩年內即可收回全部投資。該系統應用的成功為活塞式空氣壓縮機的節能運行提供了重要的新手段,對于企業節能降耗,提高企業經濟效益有重要意義,有廣闊的推廣應用前景。 |
