高效節能空壓機系統改造方案研究

王 鄭 鄭烯睿 鄭建強

1.引言

近年來，空氣壓縮系統在鋼鐵工業生產中應用廣泛，然而，傳統的空壓機存在巨大的能源消耗問題。空壓機卸載運行時的能耗嚴重，其負載率約為66%，而卸載運行功率僅為滿載時的20%～40%。因此卸載運行所消耗的電能約占系統總能耗的9%～18%，能耗浪費情況非常嚴重。此外，空壓機組自動化程度低，噪聲大，當用氣量不斷變化時，傳統的空壓機組依靠頻繁加/卸載來調節供氣量，調節速度慢、精度低，且輸出壓力波動大又供壓不穩。此外，空壓機電機啟動電流相當大，一般為其額定電流的5～7倍，在啟動電流沖擊下，電機磨損加劇，并且頻繁地加/卸載，致使空壓機部件不斷地重復動作，部件磨損嚴重易老化，并對電網的安全穩定運行構成威脅。因此，空壓機節能已成為行業研究的重點。

2.空壓機節能方案

2.1 變頻調速技術

在空壓機系統中，可以通過安裝一個頻率可調的變頻器，在交流電機和電網之間來實現調節系統壓力的目的。這種變頻調速技術可以根據末端壓力的變動，改變電動機的工作頻率，從而有效提高空壓機輕載運行狀態下的工作效率。對于使用相同型號空壓機的空壓站，如果想要達到節電的目的，只需要將其中一臺空壓機改造成變頻機，配合其他普通空壓機使用即可（見圖1）。

圖1 調速度控制示意圖

2.2 多機組聯控技術

使用PLC集成控制系統可以監控多臺空壓機，實時監測末端用氣量，并自動分配所需空壓機數。在低用氣量或者低壓力要求時，分配1臺變頻空壓機，通過變頻技術調節轉速控制供氣量和壓力；當工況要求用氣量超過變頻空壓機能力時，系統則會自動分配一臺普通空壓機運行，如果通過變頻空壓機進行變頻技術調節仍然達不到要求時，系統會繼續分配一臺普通空壓機加入運行，直到滿足要求；同理當供氣量或壓過剩時系統則會減少相應的普通空壓機。

2.3 用高效電機替換存量普通效率電機

采用高效電機替代和變頻調速技術相結合。高效電機替換僅僅是替換空壓機配套的電機，因此需要選擇安裝空位和尺寸、底座高度尺寸一致的高效電機替換，如果安裝尺寸符合要求，施工不存在技術難點。如果采用高效電機再制造技術，可將原電機拆回，替換繞組、軸承、潤滑系統和風扇等制成高效電機，最后再裝回原空壓機。由于高效電機再制造時僅更新內部，外殼不改變，因此安裝尺寸影響不大。

2.4 余熱回收技術

如果空壓機的熱量沒能及時轉移，這樣就會導致空壓機的溫度升高，并且功率消耗會更大，甚至還有可能造成空壓機損壞。為了避免這些問題，從節能環保的角度出發，我們可以加裝一個余熱回收裝置在空壓機的回收裝置中，從而實現對能源的循環利用。

2.5 智能監控

監控系統分為三個層次：數據采集終端（以每個空壓機用戶的聯控柜為一個采集點），數據傳輸終端，監控中心（Web、數據庫以及相關等服務器組成）。

3.基于云平臺空壓機智能狀態監控系統

3.1 整體方案

該系統采用SCADA技術，可實現空壓機的智能監控及故障診斷。遠程數據采集模塊通過互聯網和數據庫技術，監測空壓機的壓力、溫度、電流、流量等參數，實時記錄、報警和診斷故障。傳感器接入遠程數據采集模塊下位機，下位機將監測參數通過ModBus Tcp通信協議傳入上位機監控軟件，生成統計分析報表及趨勢分析，并將故障數據傳輸至故障診斷中心，實現遠程故障分析。該系統支持PC端和手機端監控，并具有報警功能、趨勢分析功能和歷史數據查詢功能。遠程采集模塊采用網絡通信，利用ModBus Tcp網絡協議，第一時間將故障數據傳輸至診斷中心，實現遠程故障分析及診斷。該系統采用SQL Sever作為數據庫，它不光能數據記錄并且它處理速度快，數據存儲量大、易于移植，并且采用模塊化開發，便于后續擴展更多空壓機系統。

3.2 技術路線

根據實際需要，確定相關的溫度、電量以及壓力為主要的系統參數，采用溫度、電量、壓力傳感器進行采集，通過變送器轉換為正負5V或者4～20mA的PLC標準輸入信號,并采用屏蔽電纜傳遞信號。

（1）溫度監控。壓縮機在工作過程中，溫度參數的控制十分重要。其中吸排氣溫度、冷卻水溫度和潤滑系統溫度是最關鍵的參數。根據工程熱力學理論，等溫壓縮工況下的循環功最少。盡管實際工況無法完全達到等溫壓縮，但為了實現節能，必須盡可能確保壓縮過程接近等溫壓縮。為了實現這個目標，系統需要采集各臺壓縮機每級的吸排氣溫度和冷卻水溫度，并在PLC中編寫控制程序。一旦發現冷卻效果出現偏差，就需要調節冷卻水的流量，以保持壓縮過程接近等溫壓縮。同時，采集潤滑系統的溫度也是非常重要的，這可以確保潤滑系統正常工作，避免潤滑故障。一旦發現潤滑故障，系統會通過聲光報警裝置發出報警提示，及時處理故障，確保生產的正常運行。

（2）電參數監控。電參數是指空壓機在運行過程中所涉及的電氣特性參數，如電壓、電流、功率等。這些電參數的測量和監測可以反映出空壓機的基本運行狀態，幫助操作人員及時發現運行異常情況，進行維修和保養。此外，相關的電參數也被編入了程序，通過對電參數的監測和控制，可以避免一些誤操作，保證空壓機的安全性和可靠性。例如，在空壓機的自動化控制系統中，電參數可以被用來判斷設備是否處于正常運行狀態，如電流過載、電壓不穩定等異常情況，從而采取相應的措施，保障設備和工作人員的安全。因此，電參數的監測和控制對于空壓機的正常運行和安全性具有重要作用。

（3）壓力監控。壓力參數是指在壓縮空氣系統中需要關注的一些關鍵指標，主要包括空壓機各級吸排氣壓力、儲氣罐的壓力以及冷卻水管路的壓力。其中，儲氣罐的目標壓力需要根據實際風動力需求量進行調整。當需要大量壓縮氣體時，就需要將儲氣罐的儲氣壓力設定為一個較大的值，通過控制空壓機的運行臺數和變頻器來跟隨儲氣罐的壓力設定值進行調節。而當壓縮氣體需求較小時，就需要將儲氣罐的儲氣壓力設定為一個較小的值。不過，需要注意的是系統要求儲氣罐的壓力不得超過設定值，一旦超限就需要發出警報并調節變頻器和機器的運行臺數。此外，采集冷卻水管路的壓力也是很重要的，其目的是確保冷卻系統不斷水。因為在空氣壓縮過程中，需要通過冷卻系統將產生的熱量散發出去，否則就會導致空壓機過熱而出現故障。因此，通過監測冷卻水管路的壓力，可以確保冷卻系統正常運行，提高空壓機的穩定性和可靠性。

（4）振動監控。通過監控振動值并進行頻譜分析確定故障部位及原因。

4.結論

空壓機節能問題是行業內研究的重點，已有多種技術方案。基于云平臺的高效節能空壓機系統，是一種高效節能空壓機系統閉環控制系統。該系統采用智能狀態監控技術，針對空壓機在運行中的關鍵參數進行監控，可以實現空壓機系統的高效、智能、環保運行。

參考文獻略