變頻調(diào)速技術(shù)在礦山空氣壓縮機(jī)中的應(yīng)用

葉的旺

摘要：本文以兩臺(tái)4L-20/8型空氣壓縮機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能改造系統(tǒng)為例，闡述了利用一臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)多臺(tái)空氣壓縮機(jī)的變頻節(jié)能改造的思路、運(yùn)行參數(shù)微機(jī)監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)、改造后系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)、節(jié)能效果計(jì)算方法等，為活塞式空氣壓縮機(jī)節(jié)能運(yùn)行提供了新的手段。

關(guān)鍵詞：礦山 4L-20/8型空氣壓縮機(jī) 變頻調(diào)速 微機(jī)監(jiān)控 節(jié)能

0 引言

空氣壓縮機(jī)是礦山生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，它生產(chǎn)壓縮空氣，用以帶動(dòng)風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)、風(fēng)動(dòng)裝巖機(jī)等設(shè)備以及其它風(fēng)動(dòng)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(jìn)一步增加?？諝鈮嚎s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，但由于礦山生產(chǎn)用風(fēng)量的不均衡，而裝機(jī)容量需根據(jù)礦井最大用風(fēng)量并留有余量設(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(lái)越大，當(dāng)罐內(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，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% ~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(jī)運(yùn)行，但將會(huì)帶來(lái)電動(dòng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)?？諝鈮嚎s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，目前大多數(shù)空氣壓縮機(jī)均采用切斷進(jìn)氣的調(diào)節(jié)方式來(lái)改變排至儲(chǔ)氣罐的氣量。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，目前最佳解決方案是對(duì)空氣壓縮機(jī)實(shí)行變頻調(diào)速節(jié)能控制。本文以兩臺(tái)4L-20/8型空氣壓縮機(jī)進(jìn)行了變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)改造，節(jié)能效果顯著，為空氣壓縮機(jī)高效運(yùn)行開(kāi)辟了新途徑。

1 變頻調(diào)速的實(shí)現(xiàn)方案

1.1 改造前運(yùn)行現(xiàn)狀 某礦共有四臺(tái)4L-20/8型空氣壓縮機(jī)，兩用兩備，其拖動(dòng)電機(jī)額定功率均為132kW，額定電壓380V，每臺(tái)空氣壓縮機(jī)都有一臺(tái)電機(jī)降壓起動(dòng)裝置。平時(shí)運(yùn)行時(shí)，由操作工每小時(shí)巡檢一次各儀表指示，根據(jù)儀表指示的總管壓力值做出判斷，手動(dòng)啟、?？諝鈮嚎s機(jī)。開(kāi)車的工作通常是先關(guān)閉送氣閥，打開(kāi)放氣閥，空氣壓縮機(jī)通過(guò)起動(dòng)器啟動(dòng)，等電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程完成后關(guān)上放氣閥，打開(kāi)送氣閥，空氣壓縮機(jī)開(kāi)始工作?？諌赫镜倪@種控制方式帶來(lái)了許多問(wèn)題。人工手動(dòng)開(kāi)關(guān)空氣壓縮機(jī)，使供氣量無(wú)法連續(xù)調(diào)節(jié)，當(dāng)用氣量不斷變化時(shí)，供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)，繁瑣操作容易造成誤操作致使設(shè)備損壞，同時(shí)人工開(kāi)關(guān)空氣壓縮機(jī)對(duì)電網(wǎng)和空氣壓縮機(jī)有相當(dāng)?shù)臎_擊。

1.2 變頻節(jié)能改造思路 選用與一臺(tái)電機(jī)容量相當(dāng)?shù)腁BB變頻器輪換驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)空氣壓縮機(jī)，通過(guò)檢測(cè)儲(chǔ)氣罐壓力，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將總管壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送智能調(diào)節(jié)儀與壓力設(shè)定值Po比較，并根據(jù)差值的大小按既定控制模式進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號(hào)送變頻調(diào)速器VVVF和可編程控制器PLC，通過(guò)變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)可編程控制器控制空氣壓縮機(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Po。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)；用風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)量不足時(shí)，變頻器運(yùn)行頻率升高為50Hz，原變頻運(yùn)行空氣壓縮機(jī)自動(dòng)延時(shí)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，變頻器啟動(dòng)另一臺(tái)空氣壓縮機(jī)變頻運(yùn)行維持恒壓供風(fēng)。兩臺(tái)空氣壓縮機(jī)都由變頻器來(lái)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)帶載軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)沖擊電流和啟動(dòng)給空氣壓縮機(jī)帶來(lái)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。

1.3 微機(jī)監(jiān)控參數(shù)功能的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在進(jìn)行變頻改造的同時(shí)增加微機(jī)監(jiān)控功能，就是將空氣壓縮機(jī)的主要參數(shù)(溫度、壓力、流量、電量等)通過(guò)傳感器進(jìn)行檢測(cè)，再經(jīng)過(guò)變送、轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理，并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、定時(shí)打印和報(bào)警提示。為減小開(kāi)發(fā)難度，參數(shù)檢測(cè)管理系統(tǒng)采用MCGS監(jiān)控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)。每臺(tái)空氣壓縮機(jī)被監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)有：

1.3.1 溫度 主要是一級(jí)排氣溫度、二級(jí)排氣溫度、電機(jī)溫度、潤(rùn)滑油溫度及冷卻水溫度。

1.3.2 壓力 主要是一級(jí)排氣壓力、二級(jí)排氣壓力、潤(rùn)滑油壓力及冷卻水壓力。系統(tǒng)可對(duì)每臺(tái)空氣壓縮機(jī)的一級(jí)排氣溫度過(guò)溫、二級(jí)排氣溫度過(guò)溫、電機(jī)溫度過(guò)溫、冷卻水壓力低、流量低、及潤(rùn)滑油低壓力實(shí)現(xiàn)越限報(bào)警，延時(shí)停機(jī)功能。由溫度、壓力、流量傳感器檢測(cè)出的參數(shù)值經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路變成電壓信號(hào)與相應(yīng)參量設(shè)定的報(bào)警值相比較，若越限則輸出報(bào)警信號(hào)(指示燈指示)，同時(shí)在顯示器畫面上進(jìn)行報(bào)警提示；若連續(xù)越限，則自動(dòng)停機(jī)并聲響報(bào)警。

1.4 改造后系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)

1.4.1 風(fēng)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(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0.368~0.523MPa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。

1.4.2 噪音低 使用變頻運(yùn)行時(shí)，機(jī)房平均噪音為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76.625 dB(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)平均降低噪音4.625dB(A)。由于噪音降低，改善了工作環(huán)境。

1.4.3 操作簡(jiǎn)便 使用變頻運(yùn)行，司機(jī)只要按動(dòng)起動(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)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)循環(huán)軟啟動(dòng)，消除了電機(jī)起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)大電流的沖擊現(xiàn)象。

1.4.4 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4L-20/3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，而使用變頻運(yùn)行平均每小時(shí)有42g就夠了。

1.4.5 延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命 由于變頻器V/f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。

1.4.6 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。

2 節(jié)能效果分析

2.1 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(guò)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)活塞做往復(fù)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%，將這部分能量節(jié)省下來(lái)的數(shù)量，也相當(dāng)可觀。

2.2 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1min，這部分能耗在大多數(shù)空壓站中不占主要部分，在某些靠頻繁起動(dòng)來(lái)控制排氣量的空壓站時(shí)，這部分能耗就顯得很大。

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)利用微機(jī)控制管理系統(tǒng)，利用一臺(tái)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(kāi)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。對(duì)于企業(yè)節(jié)能降耗，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有重要意義，有廣闊的推廣應(yīng)用前景。