某公司空壓系統(tǒng)高壓電機(jī)變頻節(jié)能控制技術(shù)的應(yīng)用

航空工業(yè)成飛公司 楊招虎

某空壓站共有英格索蘭MH350-2S 的螺桿式空氣壓縮機(jī)15臺(tái)，紐曼泰克的冷干機(jī)15臺(tái)。擔(dān)負(fù)著為公司不間斷供氣的任務(wù)，正常運(yùn)行為8～10臺(tái)空壓機(jī)，大約每小時(shí)用電2800～3500kW 左右，平均大約為3150kW，系統(tǒng)的管網(wǎng)距離長(zhǎng)，大約有4～5公里左右，工廠的管道使用時(shí)間較長(zhǎng)，各單位的用氣量有較大的差異。為保證公司分布的各個(gè)用氣點(diǎn)的壓力要求，引進(jìn)兩臺(tái)施耐德高壓變頻節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試

1.1 系統(tǒng)概述

對(duì)某空壓站2臺(tái)350kW 兩級(jí)壓縮空壓機(jī)改裝高壓變頻器控制，通過加裝高效變頻節(jié)能控制器，在保證機(jī)器正常的作功下自動(dòng)的調(diào)速達(dá)到節(jié)能目的．同時(shí)顯著提高電機(jī)的功率因素，穩(wěn)定輸出氣壓，通過變頻改造改變電機(jī)的起動(dòng)方式，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。采用2套高效節(jié)能控制系統(tǒng)分別對(duì)兩臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行控制，其中1套對(duì)6臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能控制；另一套對(duì)9臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能控制。使用時(shí)白天采用兩套變頻系統(tǒng)同時(shí)調(diào)節(jié)、晚上采用一套變頻系統(tǒng)調(diào)節(jié)以滿足用氣量的需求。在空壓機(jī)的實(shí)際工作中，用氣量是變化的[1]。所以對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能控制，在用氣量變化較大的階段可顯著提高系統(tǒng)節(jié)能量；同時(shí)也能更好滿足用氣量變化的需求,提高供氣質(zhì)量。利用空壓系統(tǒng)后臺(tái)控制實(shí)現(xiàn)變頻系統(tǒng)對(duì)空壓機(jī)的起停進(jìn)行控制，保證兩個(gè)變頻系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，從而實(shí)現(xiàn)故障空壓機(jī)從控制系統(tǒng)中脫離，以免產(chǎn)生誤動(dòng)作。

1.2 系統(tǒng)組成

參數(shù)設(shè)定器（顯示界面）?？稍诿姘迳显O(shè)置變頻器所調(diào)節(jié)的壓力目標(biāo)設(shè)定值以及可顯示變頻器檢測(cè)到的多種的參數(shù)；變頻柜。由變頻器、智能集成控制元件、低壓元器件和柜體組成。裝有的移相整流變壓器為各個(gè)功率模塊提供交流電源；功率柜。由功率器件、控制元件、低壓元器件和柜體組成。裝有模塊化組裝的多個(gè)功率器件組成整流、逆變主回路，向壓空系統(tǒng)高壓電動(dòng)機(jī)提供變頻后的可調(diào)電源；控制柜。由控制元件、低壓元器件和柜體組成。裝有西門子S-300PLC 控制器，控制高壓變頻系統(tǒng)的工作，處理相關(guān)數(shù)據(jù)，具備人機(jī)界面通信接口和變頻系統(tǒng)接口功能；旁路柜。由控制元件、各種轉(zhuǎn)換開關(guān)和柜體組成。該部分在變頻器故障（正常）情況下將電機(jī)切換至工頻電網(wǎng)（變頻系統(tǒng)），執(zhí)行旁路功能。

1.3 系統(tǒng)需要達(dá)到的性能

可根據(jù)各單位用氣點(diǎn)的用氣需求，通過參數(shù)設(shè)置設(shè)定好壓空系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)壓力，變頻系統(tǒng)根據(jù)壓力變送器監(jiān)測(cè)到的管網(wǎng)實(shí)際壓力，PLC 控制器對(duì)壓空系統(tǒng)的高壓電動(dòng)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的變頻調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)空壓站對(duì)用戶用氣需求的調(diào)節(jié)。變頻系統(tǒng)的頻率可調(diào)范圍是19Hz～50Hz。

節(jié)能。根據(jù)空壓機(jī)的工況一般能節(jié)能15～50%。節(jié)能多少由以下因素決定：變頻器PID 參數(shù)的設(shè)置、變頻系統(tǒng)對(duì)管網(wǎng)壓力變送器所傳實(shí)際壓力的調(diào)節(jié)和跟蹤特性、空壓機(jī)的工況，最主要的因素是英格索蘭空壓機(jī)的實(shí)際工況，當(dāng)用氣點(diǎn)壓力波動(dòng)大，系統(tǒng)節(jié)能的程度就能達(dá)到最佳。

維護(hù)成本降低。由于采用了高壓變頻系統(tǒng)，壓空系統(tǒng)高壓電動(dòng)機(jī)的變頻啟動(dòng)減少了電流對(duì)電動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)電氣元件的沖擊，啟動(dòng)電流減小，延長(zhǎng)了高壓電動(dòng)機(jī)和高壓斷路器的使用壽命。系統(tǒng)變頻啟動(dòng)減少了對(duì)機(jī)械設(shè)備的沖擊，高壓電動(dòng)機(jī)軸承、壓縮機(jī)主機(jī)軸承和齒輪都延長(zhǎng)了使用時(shí)間。變頻器PLC 控制器使壓空系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于加載運(yùn)行狀態(tài)，各類相關(guān)的電磁閥和氣動(dòng)閥都減少了動(dòng)作次數(shù)，因此無論電氣元器件和機(jī)械部分零部件的故障發(fā)生率都大大降低，減少了壓空系統(tǒng)更換零部件的費(fèi)用和工時(shí)費(fèi)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.4 變頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

本單位更換的高壓變頻系統(tǒng)為高-高電壓源型變頻調(diào)速系統(tǒng)，直接通過旁路柜高壓輸入，經(jīng)過移相變壓器和功率模塊后高壓輸出。電源側(cè)采用移相整流技術(shù)，使公司輸入電網(wǎng)側(cè)高次諧波污染小，提高了電網(wǎng)功率因數(shù)，符合國家GB14549-93標(biāo)準(zhǔn)和國際IEEE std519-1992電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電壓、電流諧波失真度的要求。控制系統(tǒng)采用PLC 控制器控制，有強(qiáng)大的自診斷功能，能對(duì)功率模塊和系統(tǒng)所發(fā)生的故障類型及部位進(jìn)行顯示，也能遠(yuǎn)傳報(bào)警，便于系統(tǒng)的運(yùn)維。具有就地啟動(dòng)和遠(yuǎn)方監(jiān)測(cè)功能。變頻系統(tǒng)變頻柜、功率柜、控制柜自帶冷卻風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)風(fēng)機(jī)先啟動(dòng)，保證了散熱要求，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性[2]。

1.5 變頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的保護(hù)

每個(gè)功率模塊帶輸入熔斷保護(hù)功能。系統(tǒng)帶有過電壓保護(hù)：如超過額定電壓的110%，則保護(hù)停機(jī)；過電流保護(hù)：超過高壓電動(dòng)機(jī)額定電流的120%，則保護(hù)停機(jī)；缺相保護(hù)：缺相保護(hù)設(shè)置在電源側(cè)上。當(dāng)輸入電源缺相則保護(hù)停機(jī)；過熱保護(hù)：分設(shè)兩重保護(hù)，在變壓器柜內(nèi)設(shè)置溫度傳感器檢測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)安裝位置環(huán)境溫度超過預(yù)先設(shè)定值時(shí)發(fā)報(bào)警。另外在主要整流變壓器繞組內(nèi)部和功率模塊內(nèi)置鉑電阻檢測(cè)溫度，一旦超過系統(tǒng)設(shè)定溫度（變壓器130℃、功率器件70℃）則保護(hù)停機(jī)；接地保護(hù)：系統(tǒng)輸出側(cè)裝配有精準(zhǔn)的電壓檢測(cè)裝置，正常運(yùn)行時(shí)三相輸出相電壓UA+UB+UC=0，一旦發(fā)生輸出單相接地故障三相輸出相電壓之和不為零，準(zhǔn)確檢測(cè)輸出電壓的變化，通過內(nèi)部比較電路將故障信號(hào)報(bào)警，系統(tǒng)立即保護(hù)停機(jī)[3]。空壓機(jī)變頻改造需要考慮旁路功能,從而確保最高的運(yùn)行可靠性,旁路功能參考如圖2。

圖2 旁路功能

1.6 系統(tǒng)調(diào)試

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：內(nèi)置PID 調(diào)節(jié)器可調(diào)節(jié)壓力的設(shè)定值，變頻系統(tǒng)將根據(jù)被控壓空系統(tǒng)的實(shí)際值，按照PLC 控制器設(shè)定的PID 參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制高壓電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使被控壓空系統(tǒng)的實(shí)際值自動(dòng)跟隨設(shè)定值，保證壓空系統(tǒng)供氣壓力的穩(wěn)定；高壓電動(dòng)機(jī)的變頻啟動(dòng)。能降低啟動(dòng)時(shí)大電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，可通過PLC 控制器控制啟動(dòng)時(shí)的緩慢加速，從而減少對(duì)設(shè)備電氣部件及機(jī)械部件的沖擊；系統(tǒng)壓力的恒壓控制。根據(jù)系統(tǒng)壓力變送器的壓力反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)高壓電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，提供恒定的壓力輸出，使壓空系統(tǒng)的輸出壓力與用戶用氣點(diǎn)需求壓力相匹配。輸出氣量隨高壓電動(dòng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)而改變，輸出壓力變化可保證在0.01公斤的精度。

智能控制系統(tǒng)：變頻系統(tǒng)具有斷電維持功能。短時(shí)間掉電（10秒內(nèi)），維持壓空系統(tǒng)運(yùn)行；掉電停機(jī)功能。當(dāng)電網(wǎng)掉電后系統(tǒng)停機(jī)，當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電系統(tǒng)不能自動(dòng)啟動(dòng)、仍處于停機(jī)狀態(tài)，需通過操作人員實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)；自動(dòng)調(diào)度功能。操作人員可在變頻系統(tǒng)后臺(tái)報(bào)表內(nèi)填寫壓力數(shù)據(jù)，變頻器可依據(jù)PLC 控制器安排，在需要時(shí)間段內(nèi)，按照系統(tǒng)設(shè)定自動(dòng)工作在需求模式、需求速度下，方便系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按需供氣；無憂切換功能。變頻器輸出可和電網(wǎng)同步，實(shí)現(xiàn)工頻無擾切換功能。某空壓站兩套高壓變頻系統(tǒng)經(jīng)分別調(diào)試后，達(dá)到設(shè)計(jì)功能，滿足使用要求。

2 某空壓站變頻改造后節(jié)能情況

某空壓站高壓變頻系統(tǒng)調(diào)試成功后穩(wěn)定運(yùn)行半年。

變頻改造前其壓空系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行的空壓機(jī)存在不是滿負(fù)荷的運(yùn)行，也就是說空壓機(jī)的運(yùn)行方式為本機(jī)的調(diào)節(jié)模式，此種模式是為恒壓設(shè)計(jì)的，從能耗角度來講空壓機(jī)的調(diào)節(jié)模式比加卸載方式要耗能。所有空壓機(jī)的運(yùn)行都是靠自身的壓力反饋實(shí)現(xiàn)控制的，而空壓機(jī)自身運(yùn)行設(shè)定壓力也有0.8Bar 左右的壓力帶，是犧牲了能耗來達(dá)到的。圖3中紅色線為Mod 模式、即調(diào)節(jié)模式，其負(fù)荷變化在70%～100%之間變化，而氣量為0～100%變化。空壓站有美國英格索蘭生產(chǎn)的MH350-2S 空壓機(jī)15臺(tái)，平時(shí)運(yùn)行情況為白天8～10臺(tái)，平均9臺(tái)，晚上用氣量較小，平均5臺(tái)左右，各機(jī)器運(yùn)行模式為Mod 調(diào)節(jié)模式空壓站的運(yùn)行情況如下：

圖3 改造前后節(jié)能情況

負(fù)荷比例在80%～90%；所有機(jī)器運(yùn)行電流在22～24A，平 均23A 左 右，電 壓 為10kV， 以23A計(jì)算單臺(tái)的耗電情況：?jiǎn)螜C(jī)負(fù)荷23×10000×0.90×1.732=358kW，白天運(yùn)行的9臺(tái)的時(shí)間按照12小時(shí)計(jì)算，晚上5臺(tái)運(yùn)行也按照12小時(shí)計(jì)算，單位天里耗電為9×358×12+5×358×12=38664+2 1480=60114kWh，折合人民幣（按照0.75元/度）為45000元左右。年耗電按照330天計(jì)算，大約為1983.8萬kWh，折合人民幣1487.8萬元。

變頻改造后可實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的氣量從60%～100%進(jìn)行調(diào)整，如以65%計(jì)算，那單臺(tái)的負(fù)荷為額定的65%，基本上為232kW 左右，單臺(tái)就可以節(jié)約每小時(shí)126kW，2臺(tái)為252kW，每天運(yùn)行方式改為白天運(yùn)行2臺(tái)改造后的機(jī)器，晚上運(yùn)行一臺(tái)改造后的機(jī)器，運(yùn)行方式各分配12小時(shí)，則每天大概可節(jié)約電能4536kWh，折合人民幣3402元。如按照每年330天運(yùn)行，折合每年大概節(jié)約人民幣112.26萬元。運(yùn)行及修理人員相應(yīng)減少，設(shè)備修理頻次降低，因此運(yùn)維人工費(fèi)及備品備件費(fèi)每年節(jié)約估算為10萬元。

通過的系統(tǒng)測(cè)試、計(jì)算和分析，得到如下數(shù)據(jù)（602a 空壓站）：系統(tǒng)平均壓力7.5（實(shí)際不低于7.0）Barg，每年系統(tǒng)運(yùn)行330天，電費(fèi)電價(jià)0.75元/kWh，當(dāng)前年能耗估計(jì)值1983.8萬kWh，年電耗估計(jì)總成本1487.8萬元，年電耗節(jié)約估計(jì)值112.26萬元，年修理人工費(fèi)和備件費(fèi)估算10萬元，總節(jié)約值122.26萬元。

綜上，對(duì)某空壓站進(jìn)行變頻改造，既節(jié)能降耗、符合國家的產(chǎn)業(yè)政策，又能延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、減少設(shè)備維護(hù)量，保障全廠壓縮空氣的供應(yīng)，提高供氣品質(zhì)，為單位的科研生產(chǎn)保駕護(hù)航。