駝峰編組場空壓站幾種控制方式的節(jié)能效果分析

李更生

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司機械環(huán)境工程處，天津 300251)

1 空壓站節(jié)能的重要性

隨著我國工業(yè)化水平的提高，空氣壓縮站的總裝機容量越來越大，因此，提高空壓站的自動化程度和節(jié)能水平有著重要意義。在壓縮空氣系統(tǒng)的壽命周期費用中，動力費用所占比例最大，一般超過壽命周期總費用的30%。即使是美國這樣科技先進的國家，壓縮空氣系統(tǒng)的管理仍存在不少問題，能源浪費的現(xiàn)象仍大量存在。美國許多專業(yè)人士相信，在氣動系統(tǒng)中應用節(jié)能技術，至少可以節(jié)能10%［1］。

在鐵路系統(tǒng)，駝峰編組場空壓站裝機容量相對較大。駝峰空壓站是鐵路系統(tǒng)等級最高的空壓站，它是駝峰自動化系統(tǒng)中的一個重要組成部分，它要保證全天24小時連續(xù)不斷供給穩(wěn)定氣壓的壓縮空氣。即使在全國范圍內衡量，駝峰空壓站對集中控制的要求也是相對較高的。而控制方式與空壓站的用電量(能耗)有直接關系，因此合理的控制方式是駝峰空壓站節(jié)能的關鍵因素。

2 駝峰空壓站的控制方式

駝峰空壓站的控制方式主要有三種:

第一種是間歇控制方式，即將空壓站的供氣壓力設定一個范圍，低限開機，高限停機。此種控制方式節(jié)能效果顯著，通過各種儀表監(jiān)測空壓機的運行狀態(tài)，易于實現(xiàn)自動控制，但受單位時間內電機啟動次數的限制，同時電機的啟停對容量較小的電網也有一定的沖擊。此種控制方式適用于駝峰空壓站。

第二種可以稱為減荷控制方式，它的供氣壓力設定一個低限、一個高限，低限加載后空壓機滿載運行，達到高限后空壓機自動減荷，并空載運行(不停機)。此種控制方式簡單可靠，所需控制設備少，但其能耗很高，適用于用氣量波動小但啟動頻繁的作業(yè)場所。

第三種是變頻恒壓控制方式，即將系統(tǒng)壓力設定在一個很小的范圍內，通過調頻調速調節(jié)空壓機的供氣量，做到忙時多出力，閑時少出力。

3 不同控制方式的節(jié)能效果比較

目前我國空壓站設置變頻恒壓控制的呼聲較高，有關空壓站變頻節(jié)能的產品種類繁多，似乎只有變頻控制才是空壓站最有效的節(jié)能技術。上文提到，駝峰空壓站的控制方式有三種，那么對鐵路系統(tǒng)的駝峰空壓站來說，什么控制方式最為節(jié)能?在什么情況下變頻控制的節(jié)能效果最好?下面就做簡要分析:

3.1 間歇控制方式與減荷控制能耗比較

駝峰空壓站對供氣可靠性和穩(wěn)定性的要求較高，因此，駝峰空壓站一般均設置主機、輔機、備機，正常運轉時只開主機，特殊情況下(如管道局部泄漏)主機不能滿足供氣量要求時，啟動輔機共同向系統(tǒng)供氣，在主機或輔機出現(xiàn)故障時，備機投入，同時其儲氣系統(tǒng)容量也較大，以便在系統(tǒng)局部或短時故障時，保障正常供氣。下面以國內某典型繁忙調車場駝峰空壓站為例分析減荷控制與間歇控制的能耗差異。

該空壓站配置20 m3空壓機3臺，單臺電機功率132 kW，控制方式為間歇控制。表1～3為該駝峰空壓站的實測參數。

表1 空壓站運行時間記錄表

表2 空壓站空載、啟動耗電量表

從表1可以計算出24 h內空壓機總運行時間和總停機時間如表3:

表3 空壓站運行停機時間統(tǒng)計表

減荷控制方式空壓站的能耗由兩部分組成，第一部分為空壓機產生壓縮空氣所需的能耗，第二部分為空載能耗;間歇控制方式空壓站的能耗也由兩部分組成，第一部分為空壓機產生壓縮空氣所需的能耗，第二部分為啟動能耗。兩種控制方式下，第一部分能耗完全相等，其能耗的差異體現(xiàn)在第二部分。

根據表2和表3的數據，減荷控制每天空載運行所消耗的電能為:(空壓機小時空載耗電量+水泵額定功率)×每天空載運行時間

即:(19.3+5)×17.58=427(kW·h)

間歇控制由于頻繁啟動，一天消耗的電能為:每天啟動次數×啟動一次的耗電量

即:49×0.846=41.5(kW·h)

由此可以得出減荷控制比間歇控制每天多耗電:

每年多耗電:

從以上分析可以看出:上述空壓站采用間歇控制方式每年可比減荷控制方式節(jié)電140 707.5 kW·h，其節(jié)能效果和經濟效益均較好。

3.2 間歇控制方式與變頻恒壓控制方式的比較

駝峰空壓站的特點有二:其一，為保證其供氣的可靠性，一般駝峰空壓站的單機容量裕度較大;其二，其用氣時段相對集中，兩用氣高峰間的間隔時段相對較長。針對這些特點，這種類型的空壓站，從節(jié)能方面來說，變頻恒壓控制方式與間歇控制方式相比，并無優(yōu)越性可言。前面我們已經提到，變頻恒壓控制是通過調速的方式調節(jié)空壓機的供氣量，它是根據負載的需要將能量適當分配于每個時段;間歇控制方式則是在一段時間內向系統(tǒng)供應盡可能多的能量，并將其儲存，而在另一段時間內則完全停止能量供給。針對這兩者的能耗情況，仍以上述駝峰空壓站為例，做如下分析:

從表1可以得出采用間歇控制的空壓機供氣和運行時間關系圖。若此空壓機采用變頻恒壓控制，則其理想狀態(tài)是:其壓力一直保持為采用間歇控制時的下限壓力，即0.6 MPa;其供氣量由負載決定與控制方式無關，即與間歇控制的供氣量相等。變頻控制的原則是在滿足供氣量的前提下，盡量保證空壓機運轉的連續(xù)性，避免出現(xiàn)空載時段，由于容積式空壓機的供氣量與其轉速成正比，保證連續(xù)性的手段即通過調整電機供電頻率調整轉速［2］。但受電機特性的限制，其頻率(轉速)不能無限下調，否則會出現(xiàn)電機效率下降、發(fā)熱、振動等現(xiàn)象，一般其最低頻率控制在30 Hz，即額定頻率的60%，電機轉速在60%～100%區(qū)間內，其效率基本不變。據此，變頻控制運行時的最低供氣量為額定供氣量的60%。依據上述分析，可畫出間歇控制和變頻控制方式下空壓機供氣和運行時間關系圖，如圖1:

圖1 空壓機供氣運行時間關系圖

從圖1可以看出，變頻恒壓控制時，盡管將變頻速度降至最低，空壓機仍需空載運行一段時間，此段時間內消耗的能量未生產壓縮空氣。在滿載運行期間，由于變頻恒壓控制基準壓力的降低，其提供相同供氣量的能耗與間歇控制相比相應降低。空氣壓縮機排氣壓力與用電單耗的關系見表4。用電單耗變化率是指基于空氣壓縮機排氣壓力為一定值時，每生產1m3壓縮空氣用電量的增加(或減少)率［1］。

參照駝峰減速器的用氣參數將變頻恒壓控制壓力定為0.60 MPa，即略高于最低設定壓力。按表3提供的參數，間歇控制的平均設定壓力為: 0.60+(0.75－0.60)/2=0.675 MPa。

表4 空壓機排氣壓力與用電單耗變化率關系表［1］

根據表4的數據，采用線性插補法可求得:變頻恒壓控制由于設定壓力的降低，其耗電量將減少5.2%。

參考圖1，間歇控制時空壓機的能耗為:

啟動能耗+空壓機運行能耗+冷卻水泵運行能耗

根據表2、表3的參數，其24小時能耗為:

上式中49×0.5/60系冷卻水泵比空壓機多運行的時間(h)，即冷卻水泵需先于空壓機開機、晚于空壓機停機。

變頻控制時空壓機的能耗為:

空壓機變頻負載運行能耗+冷卻水泵運行能耗+空壓機變頻空載運行能耗

由于電機功率為轉矩與角速度的乘積，上式中空壓機變頻空載運行時，其負載轉矩不隨轉速變化，為恒轉矩負載［2］，因此其空載功率與電機轉速成正比。當空壓機的供電頻率下調至30 Hz (額定頻率的0.6倍)，電機轉速下降為額定轉速的約0.6倍，其空載功率也為額定轉速時的0.6倍。由此，變頻控制空壓機的能耗計算如下:

變頻控制方式每天比間歇控制方式多耗能:

綜上所述，對于上述駝峰空壓站而言，變頻恒壓控制并不比間歇控制方式節(jié)能，相反，其能耗相對高一些，主要原因是變頻恒壓控制的最低頻率受電機效率和其它相關特性的制約，最低只能在30 Hz左右，導致此種控制方式下，空壓機出現(xiàn)較大空載運行時段。從上述變頻控制的能耗組成可以看出，在變頻空載運行時，冷卻水泵的能耗占30%，而此部分能耗是恒定的，不隨空壓機轉速的調整而變化，即使是風冷型式的空壓機，其冷卻風機也要耗能，數值與水冷系統(tǒng)水泵的能耗基本相當。

上述結論是基于特定的空壓站得出的，本空壓站的特點是容量裕度大、儲氣容量大、兩用氣高峰間的間隔時段相對較長，這也是我國大部分駝峰空壓站的共同特點，因此本結論適用于大部分駝峰空壓站。實際上，國內空壓站進行的變頻恒壓控制改造項目中，一般均為原采用減荷控制的空壓站，如紡織企業(yè)，這類空壓站配備空壓機臺數較多。運行時，多臺并聯(lián)滿負荷運行，一至兩臺機組采用減荷控制方式，作為調峰機組，其改造后節(jié)能水平均有顯著提高。而對于類似于駝峰空壓站這種用氣間隔相對較長，系統(tǒng)儲氣能力較大的空壓站來說，間歇控制的節(jié)能效果相對較好。

變頻恒壓控制之于間歇控制，其對電網的沖擊要小，其對電氣元件的壽命也是有利的。但間歇控制的頻繁啟動對電網的沖擊可通過軟啟動方式緩解。

4 結論

選擇正確的控制方式，可明顯提高空壓站的節(jié)能效果;對于配置主機、輔機、備機且供氣、儲氣容量裕度較大的鐵路駝峰空壓站，在啟動頻度允許的情況下，其控制方式宜采用間歇控制方式，此種控制方式的節(jié)能效果優(yōu)于變頻恒壓控制方式和減荷控制方式，且投資較變頻恒壓控制方式節(jié)省。

［1］ 李建藩.氣動系統(tǒng)的節(jié)能［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1997.

［2］ 壓縮空氣站設計手冊編寫組.壓縮空氣站設計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1993.