變頻調速技術在礦山空氣壓縮機中的應用

摘要：本文以兩臺4L-20/8型空氣壓縮機變頻調速節能改造系統為例，闡述了利用一臺變頻器實現多臺空氣壓縮機的變頻節能改造的思路、運行參數微機監控功能的實現、改造后系統運行特點、節能效果計算方法等，為活塞式空氣壓縮機節能運行提供了新的手段。

關鍵詞：礦山 4L-20/8型空氣壓縮機 變頻調速 微機監控 節能

0 引言

空氣壓縮機是礦山生產的重要設備之一，它生產壓縮空氣，用以帶動風動鑿巖機、風動裝巖機等設備以及其它風動工具，其耗電量約占全礦總電耗的8%~11%，隨著礦井的延深，耗電量還將進一步增加?？諝鈮嚎s機氣量的供求關系主要表現為排氣壓力的變化，當排氣量正好滿足生產用氣量要求時，儲氣壓力保持不變，但由于礦山生產用風量的不均衡，而裝機容量需根據礦井最大用風量并留有余量設計，故實際運行中空氣壓縮機供風量遠大于實際用風量。若空氣壓縮機仍恒速運轉，則儲氣罐內的氣體壓力越來越大，當罐內壓力上升達到設定壓力時，一般采用兩種辦法：一種是空氣壓縮機卸荷運行，不產生壓縮氣體，電動機處于空載運轉，其用電量仍為滿負載的30% ~60%，這部分電能被白白浪廢掉；另外一種辦法是停止空氣壓縮機運行，但將會帶來電動機的頻繁啟動?？諝鈮嚎s機的空載啟動電流大約是額定電流的5~7倍，對電網及其它用電設備沖擊較大，同時使空氣壓縮機的使用壽命也會縮短。為滿足生產設備用氣要求，儲氣罐內空氣運行壓力通常設為0.55~0.65MPa，目前大多數空氣壓縮機均采用切斷進氣的調節方式來改變排至儲氣罐的氣量。隨著電力電子技術的發展，目前最佳解決方案是對空氣壓縮機實行變頻調速節能控制。本文以兩臺4L-20/8型空氣壓縮機進行了變頻調速節能技術改造，節能效果顯著，為空氣壓縮機高效運行開辟了新途徑。

1 變頻調速的實現方案

1.1 改造前運行現狀 某礦共有四臺4L-20/8型空氣壓縮機，兩用兩備，其拖動電機額定功率均為132kW，額定電壓380V，每臺空氣壓縮機都有一臺電機降壓起動裝置。平時運行時，由操作工每小時巡檢一次各儀表指示，根據儀表指示的總管壓力值做出判斷，手動啟、?？諝鈮嚎s機。開車的工作通常是先關閉送氣閥，打開放氣閥，空氣壓縮機通過起動器啟動，等電機的啟動過程完成后關上放氣閥，打開送氣閥，空氣壓縮機開始工作?？諌赫镜倪@種控制方式帶來了許多問題。人工手動開關空氣壓縮機，使供氣量無法連續調節，當用氣量不斷變化時，供氣壓力不可避免地產生較大幅度的波動，繁瑣操作容易造成誤操作致使設備損壞，同時人工開關空氣壓縮機對電網和空氣壓縮機有相當的沖擊。

1.2 變頻節能改造思路 選用與一臺電機容量相當的ABB變頻器輪換驅動兩臺空氣壓縮機，通過檢測儲氣罐壓力，實現系統的壓力閉環控制，自動調節空氣壓縮機的轉速和空氣壓縮機的運轉臺數。改造后的空壓站控制系統由兩個基本系統組成，即恒壓變頻調速系統和微機控制參數監測管理系統。系統工作時，壓力變送器YB將總管壓力P轉變為電信號送智能調節儀與壓力設定值Po比較，并根據差值的大小按既定控制模式進行運算，產生控制信號送變頻調速器VVVF和可編程控制器PLC，通過變頻器控制電機的轉速，通過可編程控制器控制空氣壓縮機運行的臺數，使實際壓力P始終接近設定壓力Po。在用風系統需一臺空氣壓縮機運行時，單臺空氣壓縮機變頻運行維持恒壓供風；用風系統運行風量不足時，變頻器運行頻率升高為50Hz，原變頻運行空氣壓縮機自動延時轉為工頻運行，變頻器啟動另一臺空氣壓縮機變頻運行維持恒壓供風。兩臺空氣壓縮機都由變頻器來啟動，實現帶載軟啟動，避免了啟動沖擊電流和啟動給空氣壓縮機帶來的機械沖擊。系統循環帶載軟啟動、循環停機的工作方式，實現了供氣量的連續調節，保證了總管壓力穩定。

1.3 微機監控參數功能的實現系統在進行變頻改造的同時增加微機監控功能，就是將空氣壓縮機的主要參數(溫度、壓力、流量、電量等)通過傳感器進行檢測，再經過變送、轉換電路轉換成標準信號送計算機系統處理，并進行實時顯示、定時打印和報警提示。為減小開發難度，參數檢測管理系統采用MCGS監控組態軟件實現。每臺空氣壓縮機被監測的主要參數有：

1.3.1 溫度 主要是一級排氣溫度、二級排氣溫度、電機溫度、潤滑油溫度及冷卻水溫度。

1.3.2 壓力 主要是一級排氣壓力、二級排氣壓力、潤滑油壓力及冷卻水壓力。系統可對每臺空氣壓縮機的一級排氣溫度過溫、二級排氣溫度過溫、電機溫度過溫、冷卻水壓力低、流量低、及潤滑油低壓力實現越限報警，延時停機功能。由溫度、壓力、流量傳感器檢測出的參數值經信號轉換電路變成電壓信號與相應參量設定的報警值相比較，若越限則輸出報警信號(指示燈指示)，同時在顯示器畫面上進行報警提示；若連續越限，則自動停機并聲響報警。

1.4 改造后系統運行特點

1.4.1 風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-轉數-功率達到動態匹配，在設定的壓力下穩定運行。實測使用變頻運行時，其壓力變化幅值為0.034MPa即在設定壓力為0.5MPa時，其壓力在0.486~0.52MPa區間變化。而工頻運行時，在同樣的條件下，其壓力在0.368~0.523MPa區間變化，其變化幅值為0.155MPa。因風壓幅值變化小，使用風負荷穩定，供風質量好，生產效率高。

1.4.2 噪音低 使用變頻運行時，機房平均噪音為72dB(A)，排氣時機房噪音平均為81.125dB(A)，不排氣時機房噪音平均76.625 dB(A)。使用變頻比使用工頻運行排氣時平均降低噪音9.125dB(A)，不排氣時平均降低噪音4.625dB(A)。由于噪音降低，改善了工作環境。

1.4.3 操作簡便 使用變頻運行，司機只要按動起動按鈕就可使設備運行。甩掉了傳統的減荷閥控制，省去了繁瑣的操作程序，同時，可實現兩臺電動機循環軟啟動，消除了電機起動時對電網大電流的沖擊現象。

1.4.4 節約空氣壓縮機潤滑油40% 采用變頻調速后，在空氣壓縮機低轉速運行時，潤滑油耗量也就變小，即所謂“低轉速，低潤滑”。以4L-20/3型空氣壓縮機為例，據統計測算，使用工頻運行時，潤滑油平均每小時用105g，而使用變頻運行平均每小時有42g就夠了。

1.4.5 延長設備使用壽命 由于變頻器V/f保持恒定值的優點，使之壓力-轉速-功率達到動態匹配，轉數明顯降低，一般情況在220~584r/min之間，機械磨損減小，延長設備的使用壽命。

1.4.6 提高運行可靠性 原電控系統與改造后電控系統可互為備用，提高了運行可靠性，同時各項保護措施更加完善。

2 節能效果分析

2.1 調節方法不合理所消耗的能量 通常情況下，當壓力達到Pmax時，空氣壓縮機通過關閉吸氣閥使電機空轉調節排氣量，但空氣壓縮機在空轉中還是帶動活塞做往復運動，此時的能耗約占空氣壓縮機滿載運行時的30%~50%，將這部分能量節省下來的數量，也相當可觀。

2.2 電機起動時所消耗的能量 空氣壓縮機是大轉動慣量負載，電機空載起動時所需的功率大致相當于電機滿載運行時所消耗功率的2~3倍，時間約為1min，這部分能耗在大多數空壓站中不占主要部分，在某些靠頻繁起動來控制排氣量的空壓站時，這部分能耗就顯得很大。

3 結語

本系統利用微機控制管理系統，利用一臺變頻器實現多臺空氣壓縮機的變頻節能改造，在降低投資的同時實現最佳節能效果，既降低開機、停機時瞬間電流沖擊對電氣和機械設備的影響，又提高了設備運行的可靠性。對于企業節能降耗，提高企業經濟效益有重要意義，有廣闊的推廣應用前景。