基于變頻控制技術(shù)的空氣壓縮機(jī)集中控制系統(tǒng)應(yīng)用

劉麗珍

（霍州煤電集團(tuán)汾河焦煤公司回坡底煤礦，山西 洪洞 031600）

空氣壓縮機(jī)正常工作是井下巷道掘進(jìn)，鉆孔施工等工作正常開展的基礎(chǔ)，同時(shí)也為井下壓風(fēng)自救提供空氣[1～3]。傳統(tǒng)的空氣壓縮機(jī)控制方式是在空氣壓縮機(jī)房進(jìn)行人工現(xiàn)場控制，由于井下需要不間斷的壓縮空氣，空氣壓縮機(jī)值班機(jī)房需要24h不間斷的安排專人進(jìn)行值班，根據(jù)供氣壓力以及供氣量對空氣壓縮機(jī)完成開、停機(jī)操作[4～5]。值班人員上時(shí)間的在值班機(jī)房內(nèi)受到空氣壓縮機(jī)工作噪聲影響十分明顯，長時(shí)間的在這種惡劣環(huán)境中工作，會危害值班人員身體健康。采用人工控制空氣壓縮機(jī)方式不能保證提供的壓風(fēng)質(zhì)量，且不能合理的平衡空氣壓縮機(jī)的工作時(shí)間、造成部分空氣壓縮機(jī)長時(shí)間的空載或者長時(shí)間工作。

1 概 述

回坡底礦為210萬t/a的現(xiàn)代化礦井，主采10號、11號煤層。礦井地面空氣壓縮機(jī)房內(nèi)布置有3臺MLGF螺旋式空氣壓縮機(jī)，并有2臺擴(kuò)容空間，向井下供風(fēng)，在空氣壓縮機(jī)房外部安設(shè)3臺型號為C-18的儲氣罐，1臺空氣壓縮機(jī)用一個(gè)儲氣罐?？諌簷C(jī)采用高壓啟動方式，啟動時(shí)會給供電電網(wǎng)造成一定的沖擊，影響到其他機(jī)電設(shè)備運(yùn)行，同時(shí)需要安排專人進(jìn)行值守，控制空壓機(jī)的啟動，而且耗費(fèi)大量的電力。因此，礦方?jīng)Q定進(jìn)行空壓機(jī)變頻改造，并結(jié)合采用ACS-4000集中控制，改變空壓機(jī)控制方式，增加空壓機(jī)的利用率，降低電力消耗。

空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)依據(jù)。

2.1 方案設(shè)定依據(jù)

1）井下工作面用風(fēng)情況。井下現(xiàn)有一個(gè)綜采工作面、3個(gè)掘進(jìn)工作面（1個(gè)巖層、2個(gè)煤巷），各個(gè)工作面的具體用風(fēng)情況見表1。

表1 井下主要工作點(diǎn)用情況

2）工作人員用風(fēng)情況。按照井下每個(gè)工作班下井280人進(jìn)行計(jì)算，每個(gè)人需要的壓縮風(fēng)量按照0.3m3/min。井下工作人員的需風(fēng)量為：

式中：Q為井下工作人員需要總壓風(fēng)量（m3/min）；K為壓風(fēng)管理漏風(fēng)系數(shù)，無量綱（取值為1.2）；K1為壓風(fēng)自救區(qū)不均衡系數(shù)，無量綱（取值為1.2）；M為井下工作人員人數(shù)（取值280）；q為井下每個(gè)工作人員的平均需風(fēng)量（m3/min）。

因此，可以計(jì)算出，Q=1.2×1.2×280×0.3=121（m3/min）。

根據(jù)井下用風(fēng)設(shè)備以及工作人員需風(fēng)量分析計(jì)算結(jié)果可以知道，礦井地面布置的3臺壓縮式中同時(shí)2臺進(jìn)行工作，就可以滿足井下用風(fēng)需要。當(dāng)井下處于檢修狀態(tài)時(shí)，一臺壓縮機(jī)提供的風(fēng)量就可以滿足礦井井下需風(fēng)量。

2.2 方案設(shè)計(jì)總體概況

正常情況下，2臺空壓機(jī)完成可以滿足井下供風(fēng)需要，因此，為了降低成本，提升空氣壓縮機(jī)的利用率，對3臺空氣壓縮機(jī)中的2臺進(jìn)行高壓變頻改造，并采用ACS-4000集中控制系統(tǒng)對空壓機(jī)進(jìn)行控制，平時(shí)使用變頻控制空壓機(jī)。

ACS-4000集中控制系統(tǒng)主要包括PLC控制器、觸摸屏、人機(jī)交互界面（中文），便于管理人員操控，并將控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)方式與監(jiān)控中心進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對空氣壓縮機(jī)機(jī)房的遠(yuǎn)程控制?？諝鈮嚎s機(jī)集中控制系統(tǒng)有聯(lián)控控制柜以及上位機(jī)等。

3 變頻控制設(shè)計(jì)

3.1 控制總體方案

采用變頻技術(shù)可以有效的減少空氣壓縮機(jī)電力消耗，節(jié)能效果明顯，同時(shí)空氣壓縮機(jī)電動機(jī)啟動過程中對電網(wǎng)沖擊小，將變頻控制技術(shù)與集中控制技術(shù)結(jié)合，可以根據(jù)井下需風(fēng)情況對空氣壓縮機(jī)運(yùn)行進(jìn)行靈活控制，增加空氣壓縮機(jī)的自動化控制水平及運(yùn)行效率。根據(jù)礦井情況，將空氣壓縮機(jī)房內(nèi)的2號、3號空氣壓縮機(jī)改造成變頻控制，1號空氣壓縮機(jī)仍是正常高壓啟動。

3號空氣壓縮機(jī)電機(jī)與放置在空氣壓縮機(jī)機(jī)房內(nèi)的高壓變頻控制柜進(jìn)行連接，通過控制高壓變頻柜的輸出電流頻率對空氣壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，正常情況下空氣壓縮機(jī)處于額定運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)需要加壓時(shí)，通過進(jìn)氣閥進(jìn)行；當(dāng)壓力罐壓力在設(shè)定值之上時(shí)，空氣壓縮機(jī)僅僅需要產(chǎn)生一部分用于自身潤滑以及冷卻的氣體就可，若空氣壓縮機(jī)仍按照加壓時(shí)的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，會造成大量的電力資源消耗，采用高壓變頻控制技術(shù)，對空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行控制，在保證空氣壓縮機(jī)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，降低運(yùn)轉(zhuǎn)速度，從而減少電力消耗，同時(shí)還可以提升空氣壓縮機(jī)電機(jī)的功率因數(shù)（Power Factor），穩(wěn)定電壓，延長電機(jī)的使用壽命。

3.2 ACS-4000集中控制

1）集中控制方式。集中控制采用ACS-4000型集中控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)的單點(diǎn)壓力控制、溫度控制，同時(shí)控制方式也較為靈活。系統(tǒng)單點(diǎn)壓力控制時(shí)是通過布置在壓風(fēng)系統(tǒng)中的壓力傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，對空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，較傳統(tǒng)的分級壓力方式的，單點(diǎn)壓力控制方式較為簡便；溫度控制是通過對系統(tǒng)溫度進(jìn)行監(jiān)測，探測到溫度超過設(shè)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號，必要時(shí)停止空氣壓縮機(jī)運(yùn)行；ACS-4000型集中控制系統(tǒng)可以進(jìn)行聯(lián)機(jī)控制也可進(jìn)行單機(jī)控制，采用聯(lián)機(jī)控制時(shí)可以自動的對控制臺數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

2）壓力控制。采用單點(diǎn)壓力控制方式，將高精度壓力傳感器安裝在壓縮機(jī)連接的儲氣瓶上，便于實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)壓力的精準(zhǔn)測量，在ACS-4000集中控制系統(tǒng)中設(shè)定需要的壓力范圍值，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到壓力低于設(shè)定的壓力范圍時(shí)，通過控制系統(tǒng)內(nèi)部的PLC控制器向高壓變頻器發(fā)出控制信號，根據(jù)設(shè)定的啟動程序，啟動相應(yīng)的空氣壓縮機(jī)；當(dāng)壓力傳感器監(jiān)測到系統(tǒng)壓力達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定壓力的上限值時(shí)，ACS-4000集中控制系統(tǒng)便再次通過PLC控制器向高壓變頻器發(fā)出指令，停止運(yùn)行相應(yīng)的空器壓縮機(jī)；當(dāng)井下處于檢修時(shí)，需要的風(fēng)量較小，長時(shí)間處于卸載狀態(tài)下的空氣壓縮機(jī)會自動停止運(yùn)行，以便降低電力消耗。

3）溫度控制。將高精度的溫度傳感器分別安裝到壓風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)包以及空氣壓縮機(jī)上，對風(fēng)包內(nèi)的溫度及空氣壓縮機(jī)溫度進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)檢測到風(fēng)包溫度、空氣壓縮機(jī)溫度超過設(shè)定值時(shí)，便通過PLC控制器發(fā)出報(bào)警信息，必要時(shí)停止空氣壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行，對空壓系統(tǒng)進(jìn)行形成一定的保護(hù)。采用溫度控制控制框圖如圖1所示。

圖1 溫度控制原理示意框圖

3）空氣壓縮機(jī)啟動順序。采用控制電纜將ACS4000集中控制系統(tǒng)與高壓變頻控制器進(jìn)行連接，便于高壓變頻控制器對集中控制系統(tǒng)控制信號的接收。礦井中3臺空氣壓縮機(jī)中有2臺受到高壓變頻控制（2號、3號空氣壓縮機(jī)），在ACS4000集中控制系統(tǒng)中設(shè)定空氣壓縮機(jī)的啟動順序?yàn)?-2-1（或者2-3-1），平直將采用高壓變頻控制的空氣壓風(fēng)機(jī)處于工作狀態(tài)，并通過井下需要風(fēng)量的變化對空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，當(dāng)井下需風(fēng)量增加時(shí)，儲氣瓶內(nèi)壓力值小于設(shè)定值，一臺空氣壓縮機(jī)不能滿足井下用風(fēng)需要，啟動另外一臺變頻控制空氣壓縮機(jī)。當(dāng)井下需風(fēng)量下降之后，按照與啟動方式相反的順序停止運(yùn)行相應(yīng)的空氣壓縮機(jī)，保證壓風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)壓值處于設(shè)定的范圍之內(nèi)。采用3-2-1空氣壓縮機(jī)啟動順序時(shí)的啟、停邏輯順序如圖2所示。

圖2 空氣壓縮機(jī)啟、停邏輯順序

4 應(yīng)用效果

根據(jù)對井下壓風(fēng)需要量的計(jì)算，在井下需風(fēng)高峰期時(shí)，2臺空氣壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)完全能滿足井下風(fēng)量的需要（根據(jù)對空氣壓縮機(jī)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)記錄的分析，在空氣壓縮機(jī)工作期間，同時(shí)啟動3臺空氣壓縮機(jī)僅有一次，該次是由于井下壓風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)較大泄漏，井下壓風(fēng)還不能停，地面值班不得已時(shí)同時(shí)開啟3臺風(fēng)機(jī)），將2號、3號空氣壓縮機(jī)改造成高壓變頻控制，保留1號備用風(fēng)機(jī)為高壓啟動，不僅可以高效的利用變頻集中控制技術(shù)，而且可以減少系統(tǒng)改造時(shí)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

采用該空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)之后，地面空氣壓縮機(jī)電能消耗每月降低5000元，從控制系統(tǒng)改造完成到現(xiàn)在，僅僅就空氣壓縮機(jī)電力消耗費(fèi)用來說，就已經(jīng)節(jié)能達(dá)到6萬元，降低了礦井生產(chǎn)成本，同時(shí)采用的集中控制系統(tǒng)在地面監(jiān)控中心就可以較為直觀的對空氣壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行掌握，降低了空氣壓縮機(jī)管理人員數(shù)量，提升了礦井自動化水平。

5 總 結(jié)

高壓變頻控制結(jié)合ACS4000集中控制系統(tǒng)在礦井地面空氣壓縮機(jī)控制中得到成功應(yīng)用，不僅增強(qiáng)了空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行效率及設(shè)備利用率，而且還降低了空氣壓縮機(jī)的電力消耗及故障率，具有明顯的實(shí)用價(jià)值。