煤礦6 kV 空氣壓縮機變頻節(jié)能改造

兗州礦業(yè)（集團）公司濟寧三號煤礦從節(jié)能、高效的角度，通過6 kV 空氣壓縮機變頻節(jié)能改造技術(shù)方案的深入研究和實踐分析，總結(jié)出了如何更好地實現(xiàn)空氣壓縮機的軟啟動、 軟停止，改善因為空氣壓縮機啟動次數(shù)較多，進而造成對系統(tǒng)沖擊較大和機械運轉(zhuǎn)空轉(zhuǎn)損耗較大的難題，對于保證空氣壓縮機經(jīng)濟運行、提高使用壽命和節(jié)能增耗具有現(xiàn)實的借鑒意義。

⑴空氣壓縮機的使用狀況。 該礦使用的9 臺空氣壓縮機均為螺桿式空氣壓縮機，其中4 臺額定功率250 kW、5 臺額定功率220 kW。 平時有5 臺空氣壓縮機運行，4 臺常開、1 臺備份，處于滿載、空載交替運行的過程中。 9 臺空氣壓縮機循環(huán)運行，大約2 天切換1次。空氣壓縮機的排氣量和壓力在運轉(zhuǎn)中是不變的，常因所使用風(fēng)動機械和風(fēng)動工具的臺數(shù)多少而變化。⑵原系統(tǒng)的能耗分析。①原系統(tǒng)的電動機功率比較大，啟動方式為直接啟動，瞬時加載和卸載， 容易產(chǎn)生比較大的啟動電流，使壓縮氣源產(chǎn)生較大的波動，對設(shè)備的機械沖擊較大， 因而加速了設(shè)備的磨損，降低了使用年限。②由于電動機本身不能夠調(diào)速，因此不能夠直接使用壓力或者流量的變動來實現(xiàn)降速調(diào)節(jié)輸出功率的匹配。 ③電動機不允許頻繁啟動，用氣量少的時候電動機仍然要空載運行，空轉(zhuǎn)電流大約為電動機額定電流的50%～70%，電耗比較高。 根據(jù)能耗分析的結(jié)果，為了達到空氣壓縮機的經(jīng)濟運行，他們采用高壓變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)對原有的空氣壓縮機系統(tǒng)進行升級改造。⑶變頻節(jié)能改造方案。根據(jù)空氣壓縮理論，空氣壓縮機的軸功率、排氣量和軸轉(zhuǎn)速符合公式

Pr=（Mr×n）/9553

Vd1=k×Vh1×n2

式中 Pr——空氣壓縮機軸功率，kW

Mr——壓縮機輸入平均軸扭矩，N·m

n ——壓縮機軸轉(zhuǎn)速，r/min

Vd1——在n2轉(zhuǎn)速下的排氣量，m3/min

k ——與汽缸容積、溫度、壓力和泄漏有關(guān)的系數(shù)

n2——變頻調(diào)節(jié)以后的壓縮機轉(zhuǎn)速，r/min

Vh1——一級缸容積，m3

在壓縮機汽缸容積不能改變的情況下， 調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速能改變排氣量；壓縮機是恒轉(zhuǎn)矩負載，其軸功率與轉(zhuǎn)速呈正比變化；在壓縮機總排氣量大于風(fēng)動工具用氣量時，通過降低壓縮機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)供風(fēng)壓力，是達到壓縮機經(jīng)濟運行的有效方法。⑷高壓變頻調(diào)速方案的選擇。 此系統(tǒng)的三相交流異步電動機，電壓等級為6 kV， 容量為200～250 kW，可以采用以下幾種節(jié)電方式：①“降壓變壓器+低壓變壓器+升壓變壓器”構(gòu)成“高—低—高”式變頻調(diào)速系統(tǒng)。即先通過降壓變壓器把高壓電源變?yōu)?90 V，通過變頻器變頻后再經(jīng)升壓變壓器升高電動機額定電壓，經(jīng)過降壓、升壓2 次變壓，電能損失較大，系統(tǒng)效率降低，對升壓變壓器性能要求較高。 ②單元串聯(lián)變頻調(diào)速系統(tǒng)。由輸入移相變壓器、 功率單元和控制單元3 個部分組成。 采用模塊化設(shè)計、功率單元相互串聯(lián)部分解決高壓，可直接驅(qū)動交流電動機，無需輸出變壓器和任何形式的濾波器；但移相變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量及體積大、內(nèi)部接點多、故障率高。 ③IGBT直接串聯(lián)變頻調(diào)速系統(tǒng)。 采用IGBT 直接串聯(lián)式高壓變頻器，高壓交流電輸入變頻器以后不需要任何降壓環(huán)節(jié)整流輸入高壓H 橋路， 經(jīng)過H 橋變換之后直接輸出，電路簡單、自損耗小、效率高、體積小、重量輕、可靠性高、維護方便。 經(jīng)過研究分析，他們認為IGBT 直接串聯(lián)高壓變頻調(diào)速技術(shù)是集高速功率可關(guān)斷器件直接串聯(lián)技術(shù)、正弦波技術(shù)、抗共模電壓技術(shù)、直接速度控制技術(shù)（DSC）為一體的“高壓”變頻器。 與其它調(diào)速方法相比，IGBT 直接串聯(lián)變頻調(diào)速具有無極調(diào)速、 容易實現(xiàn)自動控制、不用改變原設(shè)備結(jié)構(gòu)和安裝量小的特點。 因此， 決定采用第三種方案，即IGBT 直接串聯(lián)變頻調(diào)速系統(tǒng)。