空壓機房變頻節能集控系統的設計與應用

劉乙霖閆東慧蔡旭峰陳 磊高 新董淑棠

（1.大同煤礦集團有限責任公司同大科技研究院，山西省大同市，037003；2.大同煤礦集團有限責任公司四臺礦，山西省大同市，037003；3.太原惠特科技有限公司，山西省晉中市，030600）

空壓機房變頻節能集控系統的設計與應用

劉乙霖1閆東慧1蔡旭峰2陳 磊3高 新3董淑棠3

（1.大同煤礦集團有限責任公司同大科技研究院，山西省大同市，037003；2.大同煤礦集團有限責任公司四臺礦，山西省大同市，037003；3.太原惠特科技有限公司，山西省晉中市，030600）

針對煤礦大功率螺桿式空壓機在運行過程中存在供氣量與用氣量不能保持動態平衡而造成供氣不足或供氣過量，缺乏統一集中監控和信息化管理等問題，通過研制以變頻器、PLC可編程控制器、組態軟件為技術核心的空壓機房變頻節能集控系統，實現了礦井供、用氣的動態平衡和整個系統的節能控制、遠程起停、故障報警、數據采集與存儲等功能。

空壓機 集中監控 節能控制

1　概述

空壓機是煤礦生產過程中氣動設備的動力源，屬于煤礦高能耗設備。目前，國內外大多數空壓機采用Y/△調壓起動，額定工頻運行。在使用過程中由于井下用氣量的不確定性，空壓機不能根據用氣量的大小自動調節電機轉速和空壓機運行臺數，從而調整排氣量。當用氣量小時，隨著氣壓的增高，卸載閥頻繁動作造成電能的浪費和設備的加速損壞，同時缺乏信息化管理和自動化控制，空壓機的設定參數、運行參數、故障信息和冷卻系統的設定參數、運行參數、故障信息不能實時監控，也不能上傳到值班室或調度室。空壓機房變頻節能集控系統解決了大功率空壓機的變頻節能集中控制與監視，對空壓機的節能降耗，提升自動化控制水平，提高礦井經濟效益具有一定意義。

2　工作原理

空壓機房變頻節能集控系統工作原理如圖1所示，由上位工控機、PLC控制柜、變頻器、高壓柜、低壓起動柜、壓力變送器、溫度變送器、流量傳感器、視頻監視器、硬盤錄像機、交換機和攝像頭等組成。其中上位工控機采用亞控組態王軟件（King View）對監控系統進行詳細的組態，完成系統所有設備的起、停操作及相關數據的存儲、查詢、報表以及故障診斷等；PLC控制柜采用SIEMENS可編程控制器S7-200作為中央控制處理器，集中控制整個系統的啟動、運行、切換、故障報警和數據采集等，并將運行參數通過以太網上傳給上位工控機；變頻器為系統核心調速設備，用于調節所控空壓機電機轉速；高壓柜用于工頻起停空壓機；低壓柜用于起停冷卻系統的冷卻水泵和冷卻風扇；壓力變送器、溫度變送器和流量傳感器提供系統所需中間數據；視頻監視器、硬盤錄像機、交換機和攝像頭組成視頻監控系統。

圖1　空壓機房變頻節能集控系統工作原理

3　關鍵技術研究

3.1集中控制

空壓機房變頻節能集控系統具有本地控制和遠程控制兩種控制方式，分別用于開關柜處的就地操作和上位工控機處的遠程操作。

3.1.1本地控制

在本地控制方式下，上位工控機只進行數據采集、顯示和故障報警，不對現場設備進行控制。空壓機、冷卻水泵和冷卻風扇只能通過各自開關柜上的操作按鈕控制各自的起/停。當進行日常檢修、故障處理以及特殊需要時，可采用該控制方式。

3.1.2遠程控制

在遠程控制方式下，上位工控機能對整個系統中各臺設備進行啟動、停止和加載操作。遠程控制又分為手動變頻、手動工頻、自動變頻和自動工頻四種控制模式。其中自動變頻模式可實現空壓機系統的節能控制。為了保證空壓機安全運行，在遠程控制方式下，空壓機的啟動受冷卻系統閉鎖控制，只有在冷卻系統正常運行后，空壓機才能啟動運行。

3.2集中監視

3.2.1空壓機監視

空壓機房變頻節能集控系統可實時顯示每臺空壓機運行狀態、運行電壓、運行電流、排氣壓力、排氣溫度、電機溫度、潤滑油溫度、故障信息和累計運行時間等信息。

3.2.2冷卻系統監視

空壓機房變頻節能集控系統可實時顯示冷卻水泵電機、冷卻風扇電機的運行狀態、運行電壓、運行電流、故障狀態和斷水報警等信息。

3.2.3視頻監視

空壓機房變頻節能集控系統可實時監控空壓機房、配電室和控制室的環境狀態。

3.2.4歷史數據查詢

空壓機房變頻節能集控系統對空壓機的監視數據、冷卻系統的監視數據、各場所的視頻監視數據進行記錄，并保存最近3個月（最長1年）的數據，可供相關授權人員隨時查詢，便于檢查和診斷各種設備的狀況。

3.3節能控制

3.3.1控制原理

空壓機運行曲線如圖2所示，通過變頻器調節空壓機電機轉速，從而調節供氣量，使供氣量始終與用氣量保持動態平衡，避免在供氣量大于用氣量時，卸載閥頻繁動作，浪費電能。

從圖2中可以看出，工頻控制時，空壓機處于額定工作狀態，供氣量大于實際用氣量，多余的空氣通過卸載閥而釋放；變頻控制時可以調整供氣量，使供氣量與用氣量保持動態平衡，從而節約電能。圖中在0～t3時間段內，陰影部分為使用變頻控制時所節約的能量。

圖2　空壓機運行曲線

3.3.2控制策略

節能控制策略如圖3所示，通過PLC控制柜、變頻器、壓力傳感器對空壓機進行PID閉環控制，使空壓機按需風量運行在最佳狀態。PLC控制柜用于根據壓力傳感器反饋值和壓力設定值進行運算，控制變頻器的運行；變頻器用于調節空壓機電機轉速；壓力傳感器用于管網壓力檢測，并作為系統控制參數。

圖3　節能控制策略

圖4　節能控制流程

3.3.3控制流程

節能控制流程如圖4所示，以集中控制兩臺空壓機為例，其中1號空壓機為變頻器控制，2號空壓機為高壓柜工頻控制。系統啟動后，檢測管網壓力，當管網壓力小于給定值時，變頻器自動啟動1號空壓機，并根據管網壓力大小以PID方式自動調整1號空壓機電機轉速，當1號空壓機電機轉速達到額定值且保持運行一定時間后，管網壓力仍小于給定值且壓力不再增加時，自動啟動2號空壓機工頻運行，隨著管網壓力的上升，當壓力值大于設定值時，1號空壓機電機減速運行，當氣體供需平衡、壓力穩定時，保持當前轉速不變，否則一直減速至最小設定頻率。同理，當管網壓力大于給定值時，根據管網壓力大小以PID方式自動調整1號空壓機電機轉速，當1號空壓機電機減速至最小頻率且保持運行一定時間后，管網壓力仍大于給定值且壓力不再減小時，自動停止2號空壓機，隨著井下用氣設備的用氣和漏氣，管網壓力下降，當壓力值小于給定值時，1號空壓機電機加速運行，當氣體供需平衡、壓力穩定時，停止加速，保持當前轉速不變，否則一直加速直至工頻運行。多臺空壓機節能集中控制流程與兩臺空壓機節能集中控制流程類似。

3.4保護研究

3.4.1空壓機保護

PLC控制柜通過MODBUS-RTU通訊協議讀取空壓機的各種信息，并根據設定值及時間對空壓機進行保護。

3.4.2冷卻系統保護

（1）對冷卻系統的水泵、風扇進行過載、短路和斷水保護。

（2）冷卻系統與空壓機運行系統具有閉鎖關系。冷卻系統啟動運行正常后才允許空壓機啟動運行；冷卻系統停止、故障時禁止空壓機運行。

4　應用效果

4.1工業性應用

該套系統設計完成后，于2015年5月21日運行至今，在同煤集團四臺礦空壓風機房4臺空壓機上進行工業性應用，其中2臺為單電機驅動的LU560W-8型空壓機，其額定功率為560 k W，額定電壓為6 k V，額定電流為63.3 A，排氣壓力為0.8 MPa；2臺為雙電機驅動的LGS-107/8G型空壓機，其額定功率為2×315 k W，額定電壓為6 k V，額定電流為2×37.7 A，排氣壓力為0.8 MPa。

4.2節能降耗效果

4.2.1卸載次數計量

通過空壓機房變頻節能集控系統的數據采集及記錄，得到單臺空壓機工頻模式運行電流與頻率曲線，如圖5所示，變頻模式運行電流與頻率曲線，如圖6所示。分別統計了單臺空壓機在工頻模式和變頻模式下1 h內的運行電流與頻率曲線，當空壓機運行電流低時，空壓機處于卸載狀態，從圖5、圖6中可看出，工頻模式下空壓機卸載4次/h；變頻模式下空壓機卸載1次/h且卸載時空壓機低頻運行；由此可得到該系統可降低空壓機卸載閥動作次數達75%。

圖5　工頻模式運行電流與頻率曲線

圖6　變頻模式運行電流與頻率曲線

4.2.2節能計量

為了對比空壓機房變頻節能集控系統節能效果，于2015年2月10日在空壓機雙供電回路分別安裝電度表，記錄系統使用前、后總用電量。在井下用氣設備沒有改變，供風距離基本一致的情況下，2015年2月10日-5月10日，系統使用前的用電量為615330 k W·h；2015年5月21日-8月21日，系統使用后的用電量為432270 k W·h，節電量為183060 k W·h，節電率達到29.75%，可以推算出節電量為732240 k W·h/a，節約電費約48.3萬元。

4.3使用效果

空壓機房變頻節能集控系統采用工頻與變頻相結合技術，始終保證有一臺空壓機變頻調速運行，多臺空壓機配合工頻運行，根據井下實際用氣量大小，自動控制空壓機投入運行數量和變頻運行速度，實現供氣量與用氣量的動態平衡；減少了空壓機卸載閥動作次數，降低了設備損耗；減少能源消耗，節約了電費，實現了遠程集中監控，具備了對空壓機各種數據的監測、記錄和故障報警等功能，可將監測數據上傳。在工業性使用期間，該套系統操作簡便、節能效果顯著、性能穩定可靠。

5　結論

空壓機房變頻節能集控系統在性能上達到了預期的技術指標。該系統經計量統計節能效果達到了29.75%，卸載閥動作次數降低了75%，具備變頻節能、自動控制、在線監控和聯網通訊等功能，達到了空壓機監測信息化管理和自動化控制的目標。

［1］ 姚偉，丁功江，陳延康.礦井雙螺桿空壓機集中變頻控制系統設計［J］.煤炭工程，2012（10）

［2］ 李秤華，孫楊，孔毅麗.空壓機集中遠程監控系統［J］.廣船科技，2013（5）

［3］ 李偉生，劉相楠，孔濤.空壓機綜合保護控制系統的應用［J］.水力采煤與管道運輸，2008（1）

［4］ 顧潮青，吳奶明，王濤等.管板輸送機用變頻器設計與應用［J］.煤炭科學技術，2015（3）

［5］ 董淑棠.淺談礦用變頻器的設計與應用 ［J］.科技與企業，2015（17）

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［7］ 林勇，董淑棠等.刮板輸送機用隔爆兼本質安全型交流變頻器研發［J］.煤炭科學技術，2016（5）

［8］ 李軍，申生太，董淑棠等.礦用中低壓變頻調速設備技術的現狀分析［J］.中國煤炭，2016（3）

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（責任編輯 孫英浩）

東北三省去產能壓力差異大

2016年上半年，東北三省部分主要經濟指標仍低于全國平均水平，各省經濟運行走勢也有一些分化。在東北三省經濟仍然面臨下行壓力的背景下，遼寧省、吉林省和黑龍江省的去產能工作也在緊張地進行著。

遼寧省2016年計劃退出粗鋼產能602萬t，全面完成化解鋼鐵過剩產能任務。2018年，化解煤炭過剩產能2731萬t，到2020年，全面完成煤炭化解過剩產能3040萬t的任務，關閉退出煤礦140家。截至2016年6月底，遼寧省已退出煤炭產能350萬t，2016年全年計劃完成1327萬t。遼寧省煤炭行業去產能主要集中在阜新礦業、鐵法能源、沈煤集團3家企業，在2016年將退出產能1200萬t。

黑龍江省計劃用3～5年時間化解煤炭過剩產能2567萬t，分流安置職工6.2萬人，其中2016年化解產能983萬t、分流安置職工3萬人，2016年前7個月已化解過剩產能222萬t、分流安置職工10485人，分別占年度計劃的23.7%和35%。另外，黑龍江省還計劃壓減粗鋼610萬t、煉鐵219萬t，全部在2016年完成。

吉林省計劃用2～3年時間壓減煤炭產能2733萬t、退出煤礦132處。此外，吉林省計劃用5年時間合計壓減煉鐵產能136萬t、煉鋼產能108萬t。截至目前，吉林省鋼鐵行業已經完成了壓減粗鋼產能108萬t的2016年度目標，煤炭行業完成進度也已經達到了52.7%。相比黑龍江省和遼寧省而言，吉林省去產能的壓力最小，因為吉林省的人均鋼、煤產量都不高，所面臨的過剩產能矛盾也并不突出。

Design and application on air compressor room frequency conversion and energy saving centralized control system

Liu Yilin1，Yan Donghui1，Cai Xufeng2，Chen Lei3，Gao Xin3，Dong Shutang3
（1.Tongda Scientific and Technology Research Institute，Datong Coal Mine Co.，Ltd.，Datong，Shanxi 037003，China；2.Sitai Coal Mine，Datong Coal Mine Co.，Ltd.，Datong，Shanxi 037003，China；3.Taiyuan Huite Science and Technology Co.，Ltd.，Jinzhong，Shanxi 030600，China）

Aiming at mining high-power rotary screw air compressor had the problems during operational process，such as air demand and air consumption could not keep dynamic equilibrium，and lack of unified centralized monitoring and informatization management，the authors developed air compressor room frequency conversion and energy saving centralized control system which rely on frequency converter，programmable logic controller（PLC），configuration software as core technology.The system achieved dynamic equilibrium between air demand and air consumption，energy-saving control，remote control start and stop，failure warning，data collection and saving and so on.

air compressor，centralized monitoring，energy saving control

TD443

A

劉乙霖（1984-），男，山西大同人，助理工程師，目前就職于大同煤礦集團有限責任公司同大科技研究院，從事礦山機電工作。