高壓變頻技術在空壓機節能改造中的應用

羅紅生

摘要：本文介紹了以高壓變頻器為核心的空壓機節能控制系統，利用變頻器強大的控制功能和計算功能，對空壓機的控制方法進行了改進。該系統不僅把出口壓力做為控制參數，還考慮了現場工作情況的特點，同時還把日常運行的數據做為控制的參考值，從而可以輸出一個空壓機系統運行的最佳值。該系統通過變頻技術和傳感器技術相結合，由PLC統一控制，使控制更加科學、合理、智能。根據實際工程應用的結果，該系統比原空壓機控制系統節電率達到10%-30%。

0引言

交流變頻調速是現代集電力電子、自動控制、微電子學和電機學等技術之精華的一項高新技術。它以其優異的調速性能、顯著的節電成果和廣泛的適用性而被國內外公認是國際上應用最廣、效率最高、最理想的電氣傳動控制方案。尤其是21世紀發展成熟起來的高壓變頻調速技術，是IT頂尖技術與傳統行業相嫁接的完美結合，它為節約能源、低消耗、減排減污、提高企業經濟效益提供了重要的新途徑。從目前高壓變頻器的一般使用效果來看，平均節電可達10%～30%左右。

1、變頻技術介紹

高壓交流變頻調速技術是90年代迅速發展起來的一種新型電力拖動調速技術，應用了先進的電力電子技術、計算機控制技術、現代信息技術和高壓電氣、電機拖動等綜合性領域的學科技術，其技術和性能勝過其他任何一種調速方式，變頻調速以其調速效率高，啟動能耗低，調速范圍寬，可實現無級調速，動態響應速度快，調速精度很高，操作簡便，保護功能完善，易于實現生產工藝控制自動化，運行安全可靠、維修維護方便，安裝場地條件比較靈活，應用范圍廣泛，使之成為企業采用電機節能方式的首選。

高壓交流變頻技術具備如下特點：

（1）一體化設計，安裝調試簡單;

（2）無須更改原有電機，可實現工頻/變頻切換;

（3）不需另加升壓變壓器、輸入濾波器、輸出濾波器，電抗器、功率因數補償裝置和緩沖電路等附加電路;

（4）諧波污染極小，對周圍設備電磁干擾極小;

（5）功率因數高、效率高;

（6）各類保護完善，操作簡單，運行穩定可靠。

2、以山東星星化工有限公司空壓機為例進行分析

2.1既有空壓機配置及工作原理

既有空壓機配備電機功率為2500kW，額定電壓為10KV，采用GE公司VersaMax的PLC控制系統，啟動方式為液阻柜軟啟動。其啟動及控制方式如下：

首先啟動空壓機輔助油泵，當油壓正常、系統正常則申請高壓合閘信號;

髙壓合閘后，液阻啟動柜開始對電機進行軟起動;

當啟動完成，液阻控制柜QF2閉合，電機星點短接。全部啟動過程完成?？諌簷C啟動正常后，調節進口閥門開度滿足工藝所需的壓力及流量。

2.2既有空壓機存在以下缺點：

（1）空壓機本身設計的裕量過大

在選擇空壓機時，為了保證在任何情況下都能使生產正常進行，

必須按照廠里的最大生產工況來設計空壓機的裝機容量，實際安裝的空壓機，由于種種原因，其額定供氣能力要比最大的用氣量大10%左右。而在實際生產過程中，絕大多數情況下只能用到額定供氣量的50%-60%0這種大馬拉小車的配置方式，造成了大量電能浪費。

（2）節流裝置不合理

由于設計裕量較大，在實際的使用過程中，為滿足工況要求，在進風管道中設置電動閥門、擋風板等裝置，通過閥門開度來調節風量。但這種通過增加系統阻力來改變風量的辦法，造成大量的電能消耗。

（3）流量調節不及時

由于生產工藝不規律，因此所需風量及風壓也在適時進行變化，原有的開環調節方式便顯得較為滯后、精確度低;且針對離心式空氣壓縮機而言，當壓力較大時多余氣體通過放空閥排空，從而導致了電能的浪費。

由此可見，由于技術落后原因，既有空壓機控制系統存在顯著的缺陷，從而造成不必要的浪費，亟需進行節能改造。

3、空壓機變頻節能改造方案

為保證設備穩定運行，變頻系統同原有系統為兩套獨立的調節系統（控制程序中進行適當修改）。原液阻啟動方式作為備用留用，當變頻器需要檢修或出現故障時，將恢復液阻啟動方式啟動。其一次線路方案如下：

如圖所示除配置一臺高壓變頻器主體裝置外，另增加一套旁路柜和星點柜）刀閘具備輔助接點，并可將合分開關量信號送到空壓機控制系統或高莊開關柜用以確認及顯示變/工頻。

空壓機改變頻控制，需對其高壓控制系統、空壓機控制系統和空壓機設備三項進行改造：

3.1高壓控制系統改造

（1）高壓一次設備改造

高壓一次設備增加QS1-QS5共5臺隔離開關，其中QS1、QS3和QS4刀閘開關的合閘信號可送入用戶PLC控制系統做為聯鎖條件信號作為變頻投入條件;QS2和QS5亦可送入控制系統，做為恢復原有啟動及運行狀態的條件信號。

（2）高壓控制系統改造

控制系統必須屏蔽掉液阻啟動器，使液阻送入的信號不能響應。當控制系統具備合閘條件時，合上QF1;

當QS2和QS5合閘時，表示空壓機按改造前原方式啟動（即按液阻方式啟動），恢復至原工頻啟動方式。

3.2空壓機設備改造

原空壓機設備中帶有輔助油泵、機械主油泵。輔助油泵用于啟動前先保證油壓穩定（不低于設定值0.2MPa，不做改造。當空壓機釆用變頻器拖動時，其轉速比較慢，機械油泵可能起不到正常供應穩定油壓（大于0.23MPa）的作用，因此空壓機改變頻拖動后，將不考慮機械油泵的泵油作用.

空壓機原自帶的輔助油泵，在原設計中為短時間工作制，當空壓機采用變頻拖動后，由于電機主軸轉數相應降低導致油壓減小，此時輔助油泵需長期工作。從安全方面考慮，空壓機改變頻拖動同時增加一臺油泵，啟動風機前開啟此油泵，并隨空壓機運行，當新增油泵出現故障跳閘時，原輔助油泵自動投入。

3.3空壓機控制系統改造

3.3.1新增控制設備

新增一臺油泵，相應增加控制箱，電源引自增設的配電箱內。

3.3.2新增油泵可與原輔助油泵進行聯鎖

輔助油泵開機時啟動轉換開關打至手動狀態，在空壓機投運后再打至自動啟動方式處于熱備狀態。

3.3.33空壓機控制系統與高壓變頻器的連接

（1）根據現場實際需要，變頻器自身具有DCS/PLC遠程接口，可通過硬接線方式將高壓變頻器啟、停信號、狀態顯示信號、調速模擬等信號接至用戶控制系統中。

（2）將原出口壓力信號傳至新增油泵控制箱PID表上，由pid進行邏輯比較及調整后做為變頻器的調速模擬信號。

（3）調速信號亦可通過通訊口由PLC向變頻器傳送空壓機出口壓力的模擬量信號，變頻器根據此信號自動調節頻率（即調節轉速），將空壓機出口壓力恒定在設定壓力上。

（4）空壓機控制系統PLC和監控顯示界面需作如下的修改：當空壓機由變頻器拖動時，將入口風門自動調節到人工設定的固定的開度。修改原PLC中的保護程序，將變頻器傳送來的故障信號分析后，發出報警、跳閘指令。并可向高壓系統發出跳閘指令。

4、空壓機節能改造效果

4.1經濟效益分析

系統采用變頻調節，直接通過改變頻率改變電動機的轉速來滿足不同工況的需求：電機轉速計算如下公式（1）：

n=60f（1-s）/p...............（1）

式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數。

空氣壓縮機負載屬于恒轉矩負載，功率計算如下公式（2）：

PL=TL*nL/9550...................（2）

式中PL為空氣壓縮機功率;TL為空氣壓縮機轉矩;nL為空氣壓縮機轉速。

由公式（2）可知其功率同轉速基本成正比關系，功率隨轉速的降低而減小。因此變頻調速的節電效果非常顯著。且變頻調速方式調速范圍寬，線性度很好，其本身的電子損耗很低，因而無論在輕載還是滿載都有很高的效率。

既有空壓機有功功率Pe=1700kW（改造前實際運行功率）

壓縮機功率與額定出口壓力、流量之間的關系：

Pe=λ×H1×Ql可得出：

λ=Pe/（H1×Q1）≈0.58（Hl=0.65MPa，Ql=4500m3/h）

則：P'=λ×H×Q≈1190kW（H1=0.52MPa，Q1=3950m3/h）

考慮高壓變頻器的效率≈η1=0.96、其它損耗η2=0.85，則改造完成后空壓機有功功率為：

Pb=P'/η1/η2=l190kW/0.96/0.85≈1460kW（改造后實際運行功率）

改造后電機每小時節能：

W=1700kW-1460kW=240KW

節電率：

η節=240kW/1700kW×100%≈15%

單臺電機年節電：

Z=240kW×24小時/天×330天/年×0.67元/度=127萬元

考慮改造所需設備、輔助設施、房屋及建筑安裝費，單臺電機改造費用為230萬元。

則投資回收期=230/127=1.7年。

空壓機安裝使用的高壓變頻器的設計使用壽命為15年，壽命周期內投資效益為：

S=127×15-230=1675萬元。

由此可見，空壓機變頻調速節能改造所獲取的經濟效益十分顯著。

4.2間接效益分析

采用變頻調節，除了能夠節約大量能源外，還具有如下優點：

（1）徹底避免大功率電動機啟動時的沖擊力矩對電機的損壞。

（2）延長了電機和管道的檢修周期，減輕檢修人員的維護工作量。

（3）提高了機組自動裝置的穩定性。

（4）空壓機的運行參數得到了改善，提高了運行效率。

（5）空壓機實現閉環自動控制后，實現無人值班，節約管理費用。

（6）功率因數得以提高，可省去功率因數補償裝置;

（7）調節性能優越，有利于實現分散控制系統改造，進一步優化系統;

（8）電動機轉速降低使環境噪音影響得到大大改善。

5、結束語

通過對山東星星化工有限公司空壓機進行高壓變頻調速改造，可以大大降低空壓機能耗，有效實現節能，在獲得良好直接經濟效益同時，還提高了設備的穩定性及可靠性，有效減少了維護工作量，減輕維護人員工作強度。因此，大力研究和推廣中高壓變頻調速技術在空壓機領域的應用，對提高空壓機的工作效率、降低維護費用、節約能源及提高國民經濟綜合效益、推動和促進我國相關高技術產業的發展，具有非常重要意義。

參考文獻

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