四臺礦空壓機變頻節能集控系統的改造與應用

施建東

（大同煤礦集團有限責任公司四臺礦，山西 大同 037003）

1 概述

同煤集團四臺礦空壓機房負責全礦井風動設備的動力源，屬于高能耗設備，額定工頻運行。在使用過程中井下用氣量存在不確定性，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視。本次對空壓機的變頻節能集控改造實現了該礦空壓機的節能和集中控制與監視，對空壓機節能降耗，提升自動化控制水平具有重大意義。

2 系統改造前工作原理和存在的問題

四臺礦空壓機房采用雙回路供電，供電電壓6kV，控制回路供電電壓為380VAC。1號、2號空壓機為單電機空壓機功率各為560kW，每臺空壓機采用一臺高壓開關柜控制。3號、4號空壓機為雙電機空壓機功率為315kW×2，每臺空壓機采用兩臺高壓開關柜控制。四臺空壓機冷卻方式均為水冷，其冷卻系統包括三臺冷卻水泵、兩臺冷卻風扇，工作電壓為380VAC，冷卻系統的水泵、風扇由單獨的開關柜控制。各種設備供電系統圖如圖1所示。

圖1 改造前空壓機房供電系統圖

該系統存在的主要問題有：

（1）無集控系統。各設備自由起停，無起停、互鎖的邏輯控制。

（2）無供氣量自動調節功能。通過一臺或多臺空壓機直起運行，只能按照單臺空壓機額定供氣量成倍增減總氣量，會造成氣量突增或突減，難以實現氣量供需平衡，造成供氣不足或是供氣過量。

（3）無系統設備、管路運行狀況監控功能。缺乏供氣系統的實時監控，無法保證井下實時變化的用氣需求。

3 系統改造情況分析說明

3.1 高壓變頻器及高壓配電柜改造

增加1臺高壓變頻器控制1號空壓機；將原來1號空壓機的高壓開關柜替換為帶有電能計量功能的開關柜，當做變頻器的進線柜；增加1臺切換柜，正常工作時，KM1閉合，KM2斷開，當1號空壓機檢修或者故障時，可以斷開KM1，閉合KM2，用變頻器控制2號空壓機，從而實現一臺變頻器分時控制兩臺空壓機變頻運行，即空壓機分時雙變頻系統。如圖2所示。

在用4臺空壓機通過礦井用風量分析對比，通過一臺空壓機的啟停即可滿足生產需要，并實現節能最優，故在此選擇投入1臺高壓變頻器。

圖2 單臺變頻器控制

3.2 低壓配電柜改造

（1）配電室的低壓配電柜由于使用時間過久，部分電氣元件損壞，且負載設備發生了變化，已不能滿足現場使用，所以將低壓配電柜全部更換。

（2）原來冷卻系統的水泵及風扇的開關柜只能進行本地控制，沒有遠控功能，且沒有采集電機電壓電流信號，如果需要集控并且進行短路、過載保護，就必須更換新的開關柜。

改造后的高低壓供電系統如圖3所示。

3.3 改造后實現功能

（1）將現場的4臺空壓機，3臺水泵，2臺風扇進行集中控制，依據空壓機和冷卻系統的邏輯控制關系，統一由上位機按照起停順序控制。

（2）1號空壓機或2號空壓機可分時使用變頻調速，且自動變頻模式時，始終保證有一臺空壓機進行著變頻調速，實現氣量的連續調節。

（3）2號空壓機作為備用空壓機，其既可作為變頻備用，又可作為工頻備用。

（4）實時監測空壓機和冷卻系統的運行狀態及運行參數。

（5）實時監測供氣管路壓力，當供氣管路壓力發生變化時，自動模式下系統進行自動調節。

（6）對系統各設備進行集中保護，發生故障時，系統報警，作出相應停機動作。

（7）可以對系統的運行參數及故障信息進行記錄，可供隨時查詢。

（8）信息上傳。可將集控系統全部信息上傳調度室，也可進行遠程網絡訪問。

圖3 改造后空壓機房供電系統圖

4 節能控制

4.1 系統節能原理

通過變頻器調節空壓機轉速，從而調節供氣量，使供氣量始終等于用氣量，避免供氣量大于用氣量時，卸載閥工作，浪費電能。其原理圖如圖4所示。

圖4 空壓機運行曲線

圖中曲線1為空壓機直接控制運行曲線，曲線2為空壓機變頻控制運行曲線，Qn為空壓機額定供氣量，Q1為實際用氣量。從圖中可以看出，直接控制時，空壓機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，使其等于用氣量，從而節約電能。圖中在0～t3時間段內，陰影部分為使用變頻器控制時所節約的能量。

4.2 控制策略

通過增加變頻器、PLC控制柜、壓力傳感器對空壓機進行PID閉環控制，使空壓機按需運行在最佳狀態。變頻器用于調節空壓機轉速，壓力傳感器用于管網壓力檢測，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。根據供氣系統的運行工況，分為“供氣不足”、“供氣過量”、“供需平衡”三種情況。

（1）供氣不足

當檢測到管網壓力小于設定值下限時，表明“供氣不足”，提高變頻器的頻率輸出，使空壓機轉速上升，從而增加空壓機的供氣量。當本臺空壓機達到額定供氣量，仍然供氣不足時，需增加一臺空壓機投入運行，此時會出現：①供氣過量，需把變頻器控制的空壓機減速運行，直至管網壓力達到設定范圍。②仍然“供氣不足”，需增加另一臺空壓機直至出現“供氣過量”時，才可把變頻器控制的空壓機減速運行，直至管網壓力達到設定范圍。

（2）供氣過量

當檢測到管網壓力大于設定值上限時，表明“供氣過量”，降低變頻器的頻率輸出，使空壓機轉速下降，從而減少空壓機的供氣量。當本臺空壓機達到最低供氣量，仍然為“供氣過量”時，需減少一臺空壓機投入運行，此時會出現：①“供氣不足”，需把變頻器控制的空壓機加速運行，直至管網壓力達到設定范圍。②仍然“供氣過量”，需減少另一臺空壓機直至出現供氣不足時，才可把變頻器控制的空壓機加速運行，直至管網壓力達到設定范圍。

（3）供需平衡

當檢測到的壓力在設定值范圍內時，保持變頻器的頻率輸出不變，使空壓機轉速恒定，從而使管網壓力維持在設定范圍。

5 使用效果

5.1 優點

（1）該項目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，自動控制空壓機運行數量和變頻運行的速度，實現供氣量與用氣量的動態平衡，從而減少空壓機卸載閥動作次數，降低能源消耗，節約電能。

（2）可實現遠程集中監測及控制。具有對空壓機運行數據監測、記錄、報警等功能，可將監測數據上傳至調度室，從而達到空壓機監測信息化。

（3）采用一臺變頻器分時控制兩臺空壓機變頻運行，從而實現空壓機分時雙變頻系統。

5.2 節電量

2015年2月10日在空壓機雙供電回路分別安裝1#電度表、2#電度表，記錄使用空壓機變頻節能集控系統前、后空壓機總用電量，便于節電量計算。

電度表采用三相三線有功電度表，額定電壓3×100V，互感器變比75A/5A。

2015年2月10日至2015年5月10日使用空壓機變頻節能集控系統前用電量：

1#電度表記錄數值：336.6kW·h

2#電度表記錄數值：347.1kW·h

總用電量：（336.6+347.1）×（6000/100）×（75/5）=615330kW·h

2015年5月21日至2015年8月21日使用空壓機變頻節能集控系統后用電量：

1#電度表記錄數值：201.9kW·h

2#電度表記錄數值：278.4kW·h

總用電量：（201.9+278.4）×（6000/100）×（75/5）=432270kW·h

節電率：（615330-432270）/615330=29.75%

年節電量約為：

4×（615330-432270）=732240kW·h， 基 本 達到預期指標。

6 結論

該套集控系統于 2015年5月到礦，對礦內各相關人員進行了原理、操作、維護等培訓，并對相關設備進行了空載試驗，設備各種功能運行正常。2015年5月10日安裝調試正常后，于2015年5月10日在四臺礦空壓機房四臺空壓機上進行工業性試驗，該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、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。