基于變頻控制技術的空氣壓縮機集中控制系統應用

劉麗珍

（霍州煤電集團汾河焦煤公司回坡底煤礦，山西 洪洞 031600）

空氣壓縮機正常工作是井下巷道掘進，鉆孔施工等工作正常開展的基礎，同時也為井下壓風自救提供空氣[1～3]。傳統的空氣壓縮機控制方式是在空氣壓縮機房進行人工現場控制，由于井下需要不間斷的壓縮空氣，空氣壓縮機值班機房需要24h不間斷的安排專人進行值班，根據供氣壓力以及供氣量對空氣壓縮機完成開、停機操作[4～5]。值班人員上時間的在值班機房內受到空氣壓縮機工作噪聲影響十分明顯，長時間的在這種惡劣環境中工作，會危害值班人員身體健康。采用人工控制空氣壓縮機方式不能保證提供的壓風質量，且不能合理的平衡空氣壓縮機的工作時間、造成部分空氣壓縮機長時間的空載或者長時間工作。

1 概 述

回坡底礦為210萬t/a的現代化礦井，主采10號、11號煤層。礦井地面空氣壓縮機房內布置有3臺MLGF螺旋式空氣壓縮機，并有2臺擴容空間，向井下供風，在空氣壓縮機房外部安設3臺型號為C-18的儲氣罐，1臺空氣壓縮機用一個儲氣罐。空壓機采用高壓啟動方式，啟動時會給供電電網造成一定的沖擊，影響到其他機電設備運行，同時需要安排專人進行值守，控制空壓機的啟動，而且耗費大量的電力。因此，礦方決定進行空壓機變頻改造，并結合采用ACS-4000集中控制，改變空壓機控制方式，增加空壓機的利用率，降低電力消耗。

空氣壓縮機控制系統依據。

2.1 方案設定依據

1）井下工作面用風情況。井下現有一個綜采工作面、3個掘進工作面（1個巖層、2個煤巷），各個工作面的具體用風情況見表1。

表1 井下主要工作點用情況

2）工作人員用風情況。按照井下每個工作班下井280人進行計算，每個人需要的壓縮風量按照0.3m3/min。井下工作人員的需風量為：

式中：Q為井下工作人員需要總壓風量（m3/min）；K為壓風管理漏風系數，無量綱（取值為1.2）；K1為壓風自救區不均衡系數，無量綱（取值為1.2）；M為井下工作人員人數（取值280）；q為井下每個工作人員的平均需風量（m3/min）。

因此，可以計算出，Q=1.2×1.2×280×0.3=121（m3/min）。

根據井下用風設備以及工作人員需風量分析計算結果可以知道，礦井地面布置的3臺壓縮式中同時2臺進行工作，就可以滿足井下用風需要。當井下處于檢修狀態時，一臺壓縮機提供的風量就可以滿足礦井井下需風量。

2.2 方案設計總體概況

正常情況下，2臺空壓機完成可以滿足井下供風需要，因此，為了降低成本，提升空氣壓縮機的利用率，對3臺空氣壓縮機中的2臺進行高壓變頻改造，并采用ACS-4000集中控制系統對空壓機進行控制，平時使用變頻控制空壓機。

ACS-4000集中控制系統主要包括PLC控制器、觸摸屏、人機交互界面（中文），便于管理人員操控，并將控制系統采用工業以太網方式與監控中心進行連接，實現監控中心對空氣壓縮機機房的遠程控制。空氣壓縮機集中控制系統有聯控控制柜以及上位機等。

3 變頻控制設計

3.1 控制總體方案

采用變頻技術可以有效的減少空氣壓縮機電力消耗，節能效果明顯，同時空氣壓縮機電動機啟動過程中對電網沖擊小，將變頻控制技術與集中控制技術結合，可以根據井下需風情況對空氣壓縮機運行進行靈活控制，增加空氣壓縮機的自動化控制水平及運行效率。根據礦井情況，將空氣壓縮機房內的2號、3號空氣壓縮機改造成變頻控制，1號空氣壓縮機仍是正常高壓啟動。

3號空氣壓縮機電機與放置在空氣壓縮機機房內的高壓變頻控制柜進行連接，通過控制高壓變頻柜的輸出電流頻率對空氣壓縮機的運轉進行控制，正常情況下空氣壓縮機處于額定運轉，當需要加壓時，通過進氣閥進行；當壓力罐壓力在設定值之上時，空氣壓縮機僅僅需要產生一部分用于自身潤滑以及冷卻的氣體就可，若空氣壓縮機仍按照加壓時的速度運轉，會造成大量的電力資源消耗，采用高壓變頻控制技術，對空氣壓縮機的運行速度進行控制，在保證空氣壓縮機正常運行的基礎上，降低運轉速度，從而減少電力消耗，同時還可以提升空氣壓縮機電機的功率因數（Power Factor），穩定電壓，延長電機的使用壽命。

3.2 ACS-4000集中控制

1）集中控制方式。集中控制采用ACS-4000型集中控制系統，該系統可以實現空氣壓縮機的單點壓力控制、溫度控制，同時控制方式也較為靈活。系統單點壓力控制時是通過布置在壓風系統中的壓力傳感器監測數據，對空氣壓縮機的運行狀態進行控制，較傳統的分級壓力方式的，單點壓力控制方式較為簡便；溫度控制是通過對系統溫度進行監測，探測到溫度超過設定值時發出報警信號，必要時停止空氣壓縮機運行；ACS-4000型集中控制系統可以進行聯機控制也可進行單機控制，采用聯機控制時可以自動的對控制臺數進行設定。

2）壓力控制。采用單點壓力控制方式，將高精度壓力傳感器安裝在壓縮機連接的儲氣瓶上，便于實現對系統壓力的精準測量，在ACS-4000集中控制系統中設定需要的壓力范圍值，當系統監測到壓力低于設定的壓力范圍時，通過控制系統內部的PLC控制器向高壓變頻器發出控制信號，根據設定的啟動程序，啟動相應的空氣壓縮機；當壓力傳感器監測到系統壓力達到系統設定壓力的上限值時，ACS-4000集中控制系統便再次通過PLC控制器向高壓變頻器發出指令，停止運行相應的空器壓縮機；當井下處于檢修時，需要的風量較小，長時間處于卸載狀態下的空氣壓縮機會自動停止運行，以便降低電力消耗。

3）溫度控制。將高精度的溫度傳感器分別安裝到壓風系統的風包以及空氣壓縮機上，對風包內的溫度及空氣壓縮機溫度進行監測，當檢測到風包溫度、空氣壓縮機溫度超過設定值時，便通過PLC控制器發出報警信息，必要時停止空氣壓風機運行，對空壓系統進行形成一定的保護。采用溫度控制控制框圖如圖1所示。

圖1 溫度控制原理示意框圖

3）空氣壓縮機啟動順序。采用控制電纜將ACS4000集中控制系統與高壓變頻控制器進行連接，便于高壓變頻控制器對集中控制系統控制信號的接收。礦井中3臺空氣壓縮機中有2臺受到高壓變頻控制（2號、3號空氣壓縮機），在ACS4000集中控制系統中設定空氣壓縮機的啟動順序為3-2-1（或者2-3-1），平直將采用高壓變頻控制的空氣壓風機處于工作狀態，并通過井下需要風量的變化對空氣壓縮機的運行狀態進行控制，當井下需風量增加時，儲氣瓶內壓力值小于設定值，一臺空氣壓縮機不能滿足井下用風需要，啟動另外一臺變頻控制空氣壓縮機。當井下需風量下降之后，按照與啟動方式相反的順序停止運行相應的空氣壓縮機，保證壓風系統中風壓值處于設定的范圍之內。采用3-2-1空氣壓縮機啟動順序時的啟、停邏輯順序如圖2所示。

圖2 空氣壓縮機啟、停邏輯順序

4 應用效果

根據對井下壓風需要量的計算，在井下需風高峰期時，2臺空氣壓縮機運轉完全能滿足井下風量的需要（根據對空氣壓縮機運行統計記錄的分析，在空氣壓縮機工作期間，同時啟動3臺空氣壓縮機僅有一次，該次是由于井下壓風系統出現較大泄漏，井下壓風還不能停，地面值班不得已時同時開啟3臺風機），將2號、3號空氣壓縮機改造成高壓變頻控制，保留1號備用風機為高壓啟動，不僅可以高效的利用變頻集中控制技術，而且可以減少系統改造時經濟負擔。

采用該空氣壓縮機控制系統之后，地面空氣壓縮機電能消耗每月降低5000元，從控制系統改造完成到現在，僅僅就空氣壓縮機電力消耗費用來說，就已經節能達到6萬元，降低了礦井生產成本，同時采用的集中控制系統在地面監控中心就可以較為直觀的對空氣壓縮機運行狀態進行掌握，降低了空氣壓縮機管理人員數量，提升了礦井自動化水平。

5 總 結

高壓變頻控制結合ACS4000集中控制系統在礦井地面空氣壓縮機控制中得到成功應用，不僅增強了空氣壓縮機的運行效率及設備利用率，而且還降低了空氣壓縮機的電力消耗及故障率，具有明顯的實用價值。