變頻調(diào)速技術(shù)在螺桿式空壓機(jī)上的節(jié)能應(yīng)用

陳國防

（山西蘭花集團(tuán)東峰煤礦有限公司，山西 高平048400）

煤礦壓風(fēng)系統(tǒng)不僅具有維持井下正常生產(chǎn)的作用，而且具有在煤礦井下發(fā)生災(zāi)害時為礦工提供自救的功能。在保證井下壓風(fēng)自救系統(tǒng)保持正常運(yùn)行，滿足礦井用氣量不斷變化的同時，如何最大限度地節(jié)約用電，已經(jīng)成為煤礦技術(shù)人員的一個課題。

機(jī)電產(chǎn)品發(fā)展日新月異，煤礦用活塞式、回轉(zhuǎn)式和離心式等空壓機(jī)已經(jīng)逐漸退出了歷史舞臺，螺桿式空壓機(jī)已經(jīng)成為煤礦壓風(fēng)設(shè)備的主流?，F(xiàn)在煤礦井下用氣設(shè)備品種多、用氣量大，在生產(chǎn)過程中，使用的時段、方式也不盡相同。原有工作方式不僅不利于設(shè)備的正常運(yùn)行和維護(hù)保養(yǎng)，而且提供的氣源不穩(wěn)定、波動較大，空載時間較長，也浪費(fèi)了不少電能，對煤礦安全生產(chǎn)帶了隱患。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，目前最佳解決方案是對螺桿式空氣壓縮機(jī)實(shí)行變頻節(jié)能控制。

2013年10月，山西蘭花集團(tuán)東峰煤礦對在用的4臺空氣壓縮機(jī)進(jìn)行了變頻調(diào)速技術(shù)改造，節(jié)能效果顯著。

1 空壓機(jī)的變頻調(diào)速節(jié)能原理

根據(jù)空壓機(jī)工作原理，空壓機(jī)的軸功率、排氣量和軸轉(zhuǎn)速符合下列公式：

由上述公式可知，在空壓機(jī)的吸氣容積一定的條件下，只有調(diào)節(jié)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速才能改變排氣量，空壓機(jī)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，空壓機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速呈正比變化。在空壓機(jī)總排氣量大于用氣量時，通過變頻調(diào)速降低空壓機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)供風(fēng)壓力，是達(dá)到空壓機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有效方法，其優(yōu)點(diǎn)是壓力給定方便，可根據(jù)用氣量的變化隨時調(diào)整設(shè)定值，能夠?qū)崿F(xiàn)壓力閉環(huán)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)壓縮空氣的恒壓供應(yīng)，提高空壓機(jī)的運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能的目的。

2 空壓機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能方案

2.1 空壓機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能方案的確定

通過多個方案比較，決定采用一拖四的方案，利用一臺變頻器，配合可編程控制器PLC，以及主電路控制柜對4臺空壓機(jī)進(jìn)行變頻控制。在運(yùn)行時可根據(jù)需要，通過人工確定工頻、變頻運(yùn)行方式，也可系統(tǒng)智能完成空壓機(jī)的循環(huán)切換，實(shí)現(xiàn)恒壓供風(fēng)。

2.2 空壓機(jī)的電路控制方式

主電路為4臺空壓機(jī)編組運(yùn)行。接觸器KM作為主電路的控制元件，可用于系統(tǒng)的緊急停車等。接觸器1～8 KM分別用于空壓機(jī)的變頻／工頻切換和各臺空壓機(jī)之間的切換，各個接觸器由PLC控制。

正常情況下啟動1號空壓機(jī)時，1KM吸合，1號空壓機(jī)變頻啟動，隨著頻率的升高，電動機(jī)轉(zhuǎn)速上升，系統(tǒng)壓力隨之增大，當(dāng)頻率接近工頻（上限切換頻率50Hz）時，系統(tǒng)壓力若仍達(dá)不到工作壓力，2KM吸合，同時1KM斷開，則1號空壓機(jī)切換為工頻運(yùn)行。3KM吸合，2號空壓機(jī)變頻啟動，2號空壓機(jī)啟動后，隨著頻率的升高，當(dāng)系統(tǒng)壓力上升到壓力上限時（0.75MP），系統(tǒng)在變頻器PID功能的作用下，維持系統(tǒng)穩(wěn)定的壓力。當(dāng)用戶不斷增多，系統(tǒng)壓力低于壓力下限時（0.45MP），控制系統(tǒng)將使2號空壓機(jī)切換為工頻運(yùn)行，3號空壓機(jī)變頻啟動，以保持系統(tǒng)的工作壓力。當(dāng)用戶不斷減少時，系統(tǒng)壓力上升達(dá)到壓力上限時（0.75MP），變頻器輸出頻率降低，當(dāng)頻率下降到下限切換頻率時（35Hz），5KM 斷開，3號空壓機(jī)退出運(yùn)行，3KM吸合，4KM斷開，2號空壓機(jī)切換為變頻運(yùn)行，并維持系統(tǒng)工作壓力（見圖1）。

圖1 主電路

在空壓機(jī)實(shí)際工作中，變頻器輸入端PR用于設(shè)置來自于空壓機(jī)儲氣罐上的壓力變送器，F(xiàn)UP、FDN分別輸出上限、下限壓力信號，F(xiàn)U2、FU分別輸出上、下限切換頻率信號，這些連續(xù)的信號便于PLC發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)各臺空壓機(jī)之間、變頻／工頻之間的相互、有序切換（見圖2）。

圖2 PLC的接線圖

相關(guān)參數(shù)的設(shè)置：壓力上限設(shè)置為0.75MP，考慮到在最低氣壓時能夠打開井下相對用氣量小的氣動風(fēng)門、氣動道岔等設(shè)備，壓力下限設(shè)置為0.45MP。上限切換頻率設(shè)置為50Hz，設(shè)置下限切換頻率時，嘗試設(shè)置為30Hz，在此頻率條件下長時間運(yùn)行，電機(jī)低速冷卻變壞，溫度升高較快，不利于電機(jī)的長期安全運(yùn)行。因此，將下限切換頻率調(diào)整為35Hz，電機(jī)的運(yùn)行溫升得到很好的改善。

3 變頻改造節(jié)能分析

東峰煤礦井下風(fēng)動絞車、風(fēng)動水泵、噴漿機(jī)等用氣設(shè)備較多，用氣量變化大，空壓機(jī)運(yùn)行臺數(shù)高峰時多達(dá)3臺?？紤]到其它空壓機(jī)是工頻運(yùn)行，僅對變頻運(yùn)行的當(dāng)臺空壓機(jī)進(jìn)行了節(jié)能分析。

對空壓機(jī)工頻運(yùn)行滿載、空載時和變頻運(yùn)行空載時電機(jī)電壓、電流、功率因數(shù)等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了檢測，計算出空壓機(jī)變頻改造前、改造后每天的節(jié)能量。

空壓機(jī)工頻運(yùn)行時所消耗的能量：

空壓機(jī)變頻運(yùn)行時所消耗的能量：

因此節(jié)電率為：16%，每年運(yùn)行按345天計算，每年可節(jié)約電能2×105kWh，每度電費(fèi)按0.5元計算，年可節(jié)約電費(fèi)10萬元，大約三年可收回投資，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。同時，變頻改造后，首先操作方法簡便 ，可根據(jù)需要進(jìn)行人工／自動切換，使用變頻運(yùn)行，消除了電機(jī)起動時對電網(wǎng)大電流的沖擊現(xiàn)象；第二，風(fēng)壓變化幅值小，氣壓能夠在0.45～0.75MPa區(qū)間平穩(wěn)變化，而且風(fēng)量充足，供風(fēng)質(zhì)量提高，大大減少了由于壓風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定給安全帶來的不利影響；第三，噪音大幅降低，工作環(huán)境得到很大的改善。

4 結(jié)語

經(jīng)過一年多時間的運(yùn)行，變頻器改造的優(yōu)越性逐漸顯現(xiàn)出來，不僅節(jié)約了能源，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，有利于企業(yè)的安全生產(chǎn)，而且改善了職工工作環(huán)境，提高了職工自信心和對企業(yè)的滿意度，在收到了較好的經(jīng)濟(jì)效益的同時，也收獲了更大的社會效益，這種技術(shù)改造具有很大的推廣價值。

〔1〕邱 江，劉 富.礦山電力拖動與控制〔M〕.北京：煤炭工業(yè)出版社，2012.

〔2〕唐耀華，徐慶龍.空壓站變頻改造的節(jié)能分析和參數(shù)監(jiān)控〔J〕.變頻器世界，2004.