定變頻螺桿空壓機(jī)組在制藥中的應(yīng)用

朱菊紅 樓衛(wèi)紅 趙飛松

摘要：空壓機(jī)是制藥行業(yè)中不可缺少的空氣壓縮設(shè)備，但是目前空壓機(jī)普遍采用定頻方式運(yùn)行，能耗較高，不利于制藥企業(yè)的節(jié)能減排目標(biāo)，采用變頻方式運(yùn)行，設(shè)備投資大。本文對基于變頻、定頻聯(lián)動的空壓機(jī)組節(jié)能改造進(jìn)行了一定的分析。

關(guān)鍵詞：螺桿空壓機(jī)組；節(jié)能改造；變頻技術(shù)

引言

制藥工業(yè)是當(dāng)前國民經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)之一，隨著現(xiàn)代醫(yī)藥工業(yè)的飛速發(fā)展，藥品的質(zhì)量越來越受到人們的重視，現(xiàn)代化自動生產(chǎn)線對壓縮空氣的依賴性較大，要鎖空氣的品質(zhì)對保證產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要?？諌簷C(jī)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的空氣壓縮設(shè)備，但是空壓機(jī)在使用的過程中存在耗電量過大的問題。根據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計資料顯示，空壓機(jī)的耗電量占大型工業(yè)設(shè)備耗電量的15%左右，如何降低空壓機(jī)的耗電量成為了當(dāng)前制藥企業(yè)面臨的重大問題。而隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，通過將其應(yīng)用到螺桿空壓機(jī)組節(jié)能改造中，實現(xiàn)空壓機(jī)的變頻、定頻聯(lián)動運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的節(jié)能目的。

1.螺桿空壓機(jī)工作原理

螺桿式空氣壓縮機(jī)（螺桿空壓機(jī)）工作原理為：吸氣、密封及輸送、壓縮、排氣四個過程。當(dāng)螺桿在殼體內(nèi)轉(zhuǎn)動時，螺桿與殼體的齒溝相互嚙合，空氣由進(jìn)氣口吸入，同時也吸入機(jī)油，由于齒溝嚙合面轉(zhuǎn)動將吸入的油氣密封并向排氣口輸送；在輸送過程中齒溝嚙合間隙逐漸變小，油氣受到壓縮；當(dāng)齒溝嚙合面旋轉(zhuǎn)至殼體排氣口時，較高壓力的油氣混合氣體排出機(jī)體。（單螺桿空壓機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖見圖1）然后將混合氣體排入油氣分離機(jī)，在這里，經(jīng)過壓縮后所排除的混合氣體由碰撞、攔截、轉(zhuǎn)折以及離心分離等方面的作用，大部分油介質(zhì)會從空氣中分離出來，之后含有少量潤滑油的壓縮空氣進(jìn)入到油精分離器中進(jìn)行二次分離，從而得到含油量非常低的壓縮空氣。當(dāng)空氣的壓力達(dá)到規(guī)定的壓力值時，開啟最小壓力閥，壓縮的空氣被排入到冷卻器中進(jìn)行冷卻，最后送入系統(tǒng)進(jìn)行使用。其工作原理如圖2所示[1]，。

螺桿空壓機(jī)采用變頻器可通過改變螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的方式來改變排氣量，當(dāng)用氣量發(fā)生變化時，變頻器改變轉(zhuǎn)速的方式調(diào)節(jié)空壓機(jī)的排氣量，達(dá)到排氣壓力恒定不變，并節(jié)約能源的目的。

圖2螺桿空壓機(jī)的工作原理

2.變頻節(jié)能分析

2.1變頻控制原理

異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式如下[2]：

公式中的f表示電源頻率，S表示電動機(jī)轉(zhuǎn)差率，P表示電動機(jī)的極對數(shù)。當(dāng)S和P的值確定后，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率呈正比關(guān)系，因此，可以通過調(diào)整電源頻率來實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，從而實現(xiàn)變頻調(diào)速。

2.2變頻調(diào)節(jié)的原理

空壓機(jī)在運(yùn)行過程中通常屬于恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行狀態(tài)，通過變頻技術(shù)根據(jù)實際的供氣量變化對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，可以始終保持電機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速之間成正比關(guān)系。排氣口的壓力會隨著用氣量的降低而上升，通過閉環(huán)向變頻器進(jìn)行反饋，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，降低電機(jī)的輸出功率；而在用氣量上升之后，排氣口的壓力會相應(yīng)下降，此時，通過閉環(huán)反饋，變頻控制系統(tǒng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速提升，電機(jī)的輸出功率也會相應(yīng)增加。因此，變頻空壓機(jī)系統(tǒng)可以通過壓力閉環(huán)對供氣系統(tǒng)的實時負(fù)載進(jìn)行動態(tài)跟蹤，并根據(jù)跟蹤結(jié)果對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，使得通過電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整，始終將排氣口的壓力保持在一個恒定的狀態(tài)，從而使壓縮機(jī)電機(jī)的運(yùn)行更具經(jīng)濟(jì)性。

2.3變頻控制過程

變頻調(diào)速系統(tǒng)主要是對空壓機(jī)壓縮空氣時的輸出壓力進(jìn)行控制，變頻調(diào)速器主要由變頻器、壓力傳感器、PLC、電機(jī)等部件構(gòu)成閉環(huán)恒壓控制系統(tǒng)[3]，其工作壓力值可以通過操作面板直接進(jìn)行設(shè)置，現(xiàn)場壓力由傳感器采集，傳感器在采集到壓力值后，通過將壓力值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號反饋到變頻器，變頻器通過那只的PID對電流信號進(jìn)行比較計算，從而對輸出頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而將電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在合理的水平。由此可以看出只要對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，就可以實現(xiàn)對電機(jī)軸輸出功率的調(diào)節(jié)，使空壓機(jī)的送風(fēng)量與用風(fēng)量相匹配，從而實現(xiàn)恒壓供氣與節(jié)能的目的。

3.螺桿空壓機(jī)變頻與定頻聯(lián)動

變頻空壓機(jī)與定頻空壓機(jī)聯(lián)動控制，即在同一壓縮空氣供氣站中用一臺變頻空壓機(jī)與一臺定頻空壓機(jī)組成一個供氣系統(tǒng)，給用氣管網(wǎng)提供穩(wěn)定的壓縮空氣源。在供氣系統(tǒng)中變頻空壓機(jī)作為主機(jī)，定頻空壓機(jī)作為從機(jī)。變頻空壓機(jī)與定頻空壓機(jī)聯(lián)動運(yùn)行，能避免網(wǎng)絡(luò)中空壓機(jī)的頻繁加卸載和啟停，避免損壞設(shè)備及減少對電網(wǎng)沖擊，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。

3.1聯(lián)動控制的網(wǎng)絡(luò)連接

將變頻機(jī)設(shè)為主機(jī)、定頻空壓機(jī)設(shè)為從機(jī)，同時可以允許多臺空壓機(jī)聯(lián)動運(yùn)行。聯(lián)動控制網(wǎng)絡(luò)采用屏蔽較好的通信線路將網(wǎng)絡(luò)中空壓機(jī)控制器的通信端口A、B連接起來，布線過程中盡量避免強(qiáng)電干擾，信號線與電源線分別走不通的管道，具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示[4]。

圖3 空壓機(jī)聯(lián)動控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2聯(lián)動改造系統(tǒng)設(shè)置方法

（1）主機(jī)設(shè)置。第1步，在變頻空壓機(jī)停止?fàn)顟B(tài)下，進(jìn)入用戶參數(shù)，將通信方式設(shè)置為聯(lián)動，聯(lián)動狀態(tài)設(shè)置為主機(jī)；第二步，設(shè)定聯(lián)動壓力的下限、聯(lián)動壓力上限以及變頻工作的壓力。注意聯(lián)動壓力的上下限值應(yīng)在單機(jī)的供氣加載壓力與單機(jī)的供氣卸載壓力值之間。變頻工作壓力值需要設(shè)置在聯(lián)動壓力值上限制及下限值范圍之間。

（2）從機(jī)設(shè)置。在定頻空壓機(jī)停止?fàn)顟B(tài)下，進(jìn)入用戶參數(shù)，將通信方式選項設(shè)置為聯(lián)動，聯(lián)動狀態(tài)設(shè)置為從機(jī)，從機(jī)的供氣加載壓力與供氣卸載壓力值與主機(jī)保持相同水平。

3.3聯(lián)動改造系統(tǒng)運(yùn)行特點

（1）變頻空壓機(jī)作為主機(jī)，啟動網(wǎng)絡(luò)，用戶只需開啟變頻機(jī)；

（2）聯(lián)控過程中，壓力不夠時，變頻主機(jī)優(yōu)先啟動，然后再啟動定頻空壓機(jī)；

（3）當(dāng)主機(jī)壓力在聯(lián)控壓力上下限之間時，主機(jī)根據(jù)壓力與變頻工作壓力比較，調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率，維持壓力穩(wěn)定；

（4）當(dāng)壓力高于主機(jī)變頻工作壓力時，主機(jī)首先降低頻率運(yùn)行，若壓力還上升，達(dá)到聯(lián)動壓力上限時，主機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)中從機(jī)卸載或停機(jī)，主機(jī)按最低頻率運(yùn)行，不會停機(jī)；

（5）當(dāng)從機(jī)卸載或停機(jī)運(yùn)行時，主機(jī)處于變頻運(yùn)行狀態(tài)，壓力達(dá)到主機(jī)供氣卸載壓力，主機(jī)卸載運(yùn)行，只有當(dāng)主機(jī)卸載運(yùn)行時間達(dá)到空車過久停機(jī)時間時，主機(jī)才會空久停機(jī)；

（6）主機(jī)空久停機(jī)后，當(dāng)壓力低于聯(lián)動壓力下限時，主機(jī)優(yōu)先啟動。

3.4經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）案例概況。某車間的用氣量約為20.63m3，車間的用氣設(shè)備工作壓力要求保持在0.6Mpa以上。對此，采用一臺LU75-8GPIVR的變頻空壓機(jī)（產(chǎn)氣量為5.7m3/min-14.2m3//min）以及一臺LU75-8GP的定頻機(jī)（產(chǎn)氣量是14.2m3/min）經(jīng)計算總的產(chǎn)氣量可以達(dá)到是28.4m3/min，滿足技術(shù)要求。將變頻機(jī)設(shè)為主機(jī)，將定頻機(jī)設(shè)為從機(jī)，變頻機(jī)的壓力設(shè)定值為0.78Mpa，聯(lián)控卸載壓力設(shè)定值為0.8Mpa，聯(lián)控加載壓力設(shè)定值為0.7Mpa。

（2）聯(lián)動控制技術(shù)實踐

①各個用氣階段空壓機(jī)的工作狀態(tài)。從表1可以看出在不同的用氣量范圍內(nèi)，節(jié)能效果不同，該分析可以為企業(yè)的設(shè)備選型提供一定的參考。

②狀態(tài)4是時聯(lián)控系統(tǒng)的工作過程。以狀態(tài)4為例，聯(lián)控系統(tǒng)的工作過程如下：啟動變頻機(jī)一加載運(yùn)行一增頻運(yùn)行（增大產(chǎn)氣量）一滿負(fù)荷不能到達(dá)設(shè)定的變頻壓力，控制器發(fā)出啟動定頻機(jī)的指令一定頻機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行到達(dá)變頻壓力設(shè)定值一變頻機(jī)減頻運(yùn)行（減小產(chǎn)氣量）一壓力降低一（達(dá)到用氣量和產(chǎn)氣量平衡時穩(wěn)定頻率工作，流量在此區(qū)間變化時變頻空壓機(jī)會自動調(diào)節(jié)工作頻率來滿足生產(chǎn)的用氣需求）此用氣量區(qū)間的節(jié)能效果較好。

4.結(jié)語

在制藥行業(yè)中，螺桿空壓機(jī)是最主要的空氣壓縮設(shè)備，但是目前螺桿空壓機(jī)的定頻運(yùn)行方式在運(yùn)行過程中會造成大量的電能浪費(fèi)，而且設(shè)備磨損較快，不利于企業(yè)的正常生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的提高。通過利用變頻技術(shù)對螺桿空壓機(jī)組進(jìn)行改造，實現(xiàn)變頻空壓機(jī)與定頻空壓機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行，通過智能控制，保證設(shè)備處于最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)，同時可以有效實現(xiàn)空壓機(jī)的自動恒壓供氣，提高設(shè)備的利用率，延長設(shè)備使用壽命，保證藥品的質(zhì)量和制藥企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

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