空壓站空氣壓縮機(jī)的新技術(shù)改造實(shí)例

黃思東

廣東省粵東商貿(mào)技工學(xué)校,廣東省梅州市 514011

1 設(shè)備現(xiàn)狀

1.1 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

由于生產(chǎn)用風(fēng)量隨機(jī)性和不均衡,而裝機(jī)容量需根據(jù)工廠最大用風(fēng)量并留有余量設(shè)計(jì),采用三臺(tái)45KW空氣壓縮機(jī)（星-三角啟動(dòng)）并聯(lián)使用，（如圖1）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。如果減少機(jī)組運(yùn)行的話，當(dāng)生產(chǎn)用風(fēng)量要增加時(shí)，只能通過(guò)電話通知空壓站開車人員增加機(jī)組運(yùn)行，這對(duì)生產(chǎn)調(diào)度和管理均很不方便。

圖1

1.2 對(duì)電網(wǎng)及其它用電設(shè)備沖擊大,能耗大。

為保證生產(chǎn)用風(fēng)，空壓站一般保持兩臺(tái)機(jī)組連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體壓力隨時(shí)會(huì)越來(lái)越大,罐內(nèi)壓力上升達(dá)到設(shè)定壓力時(shí),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費(fèi)掉;如果停止空氣壓縮機(jī)運(yùn)行,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。

2 改造方案

選用與三臺(tái)電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)娜釧740變頻器驅(qū)動(dòng)三臺(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。利用三菱FX2N PLC和PG1300壓力傳感器實(shí)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)控制。其結(jié)構(gòu)如（圖2）。

3 工作原理

3.1 改造后的空壓站控制系統(tǒng)由兩個(gè)基本系統(tǒng)組成,即變頻調(diào)速系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時(shí),壓力傳感器PG1300將總管壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送以壓力設(shè)定值Po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)速器和控制系統(tǒng)。即通過(guò)變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,通過(guò)PLC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。當(dāng)用風(fēng)系統(tǒng)只需一臺(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)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)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)。三臺(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。

圖2

3.2 變頻器的設(shè)定

三菱FR-A740為用戶實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制提供了內(nèi)藏PID功能，它能將外部變送器輸入的模擬信號(hào)反饋輸入到變頻器，并取得與變頻器設(shè)定頻率指令之間的偏差，進(jìn)行比例、積分、微分控制。PID控制器在減少或消除靜差，提高精度，以及抑制過(guò)大超調(diào)量，提高穩(wěn)定性，加快過(guò)渡過(guò)程，得到更完善的控制效果。從而使負(fù)荷一側(cè)的動(dòng)作跟隨指令值的變化而改變。在變頻閉環(huán)控制下使用一個(gè)4mA對(duì)應(yīng)0 MP，20 mA對(duì)應(yīng)0.5 MP的壓力傳感器（PG1300）調(diào)節(jié)儲(chǔ)氣罐的壓力。設(shè)定值通過(guò)變頻器的2和5端子給定（0～5V）。

其相關(guān)參數(shù)為：

3.3 變頻器與PLC的連接示意圖及I/O分配表。

3.4 PLC的工作過(guò)程：（PLC梯形圖見附錄）

PLC主要是進(jìn)行交流接觸器組的控制，以實(shí)現(xiàn)各機(jī)組的變頻和工頻切換和臺(tái)數(shù)的調(diào)整。由接線圖（圖C）可見，交流接觸器KM1、KM2分別控制1#機(jī)的變頻和工頻運(yùn)行，而KM3、KM4和KM5、KM6分別為2#機(jī)和3#機(jī)的控制。但3#機(jī)沒(méi)有進(jìn)行工頻接線（為了安全沒(méi)必要）。

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，KM1閉合，1#機(jī)以變頻方式啟動(dòng)運(yùn)行。經(jīng)1分鐘KM1斷開，KM2閉合，1#機(jī)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行。同時(shí)KM3閉合，2#機(jī)變頻啟動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)變頻器的運(yùn)行頻率超出設(shè)定值（若壓力過(guò)低）時(shí)，輸出頻率上限信號(hào)（FU），PLC通過(guò)上限信號(hào)將KM3斷開，KM4閉合，2#機(jī)由變頻轉(zhuǎn)換為工頻運(yùn)行。同時(shí)KM5閉合，3＃機(jī)變頻啟動(dòng)運(yùn)行。相反，若壓力過(guò)高，變頻器輸出頻率下限信號(hào)（OL），PLC通過(guò)下限信號(hào)關(guān)閉KM5、KM4,3#機(jī)退出。KM3閉合,2＃機(jī)變頻啟動(dòng)并運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)再次收到下限信號(hào)時(shí)則關(guān)閉KM3、KM2，2#機(jī)退出。KM1閉合，1＃機(jī)變頻運(yùn)行。

圖3

4 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v/f保持恒值,使壓力-轉(zhuǎn)速-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。使用變頻運(yùn)行時(shí),在設(shè)定壓力為0.5MPa時(shí),其壓力變化幅值可望在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,其變化幅值較高。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)房平均噪音和排氣時(shí)機(jī)房噪音比使用工頻運(yùn)行時(shí)小。由于噪音降低,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)三臺(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

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”。

（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)速明顯降低,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)措施可做到更加完善。

5 節(jié)能效果分析

（1）調(diào)節(jié)不合理所消耗的能量

通常情況下,當(dāng)壓力達(dá)到最大值（極限）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）電機(jī)啟動(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)空載啟動(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1分鐘,這部分能耗在大多數(shù)空壓站中不占主要部分,但在某些靠頻繁啟動(dòng)來(lái)控制排氣量的空壓站時(shí),這部分能耗就顯得很大。

六、結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)利用PLC和變頻器實(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，能滿足了生產(chǎn)的實(shí)際需要,可達(dá)到了預(yù)期節(jié)能效果。

[1]恒壓供水說(shuō)明書-實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)（三向公司）

[2]三菱A740變頻器使用說(shuō)明書

[3]梁光耀.電工新技術(shù)教程,2007.5

[4]中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社.可編程序控制器及其應(yīng)用