浅谈变频器在空气压缩机中的节能改造应用
时间：2021-01-30 04:01:58 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要:详细介绍了大功率变频器在化纤纺织厂的空压机上的成功应用,并取得的良好节能效果。
关键词:空压机 变频器
中图分类号:TN77文献标识码:A文章编号:1674-098X(2012)01(a)-0054-02
空压机在化纤纺织企业中应用十分普遍,它作为化纤纺织企业的核心设备,为企业的自动化生产所需的压缩空气提供足够的供气压力,是保证生产流程顺畅的重要因素。由于化纤企业的生产是连续性不间断的生产线,因此要求空压机常年连续运转,如果间断运行或是停止运行,将直接影响生产的正常运行和产品的质量。即便是瞬间的压降,也会直接影响到最终产品的品质。随着变频技术的成熟,变频器在电气传动领域中应用越来越广泛。其控制方式的多样性、完善的电机保护功能以及其特有的优点是目前在工控领域其它无可比拟的,关键是它能达到较好的节能效果。
化纤纺织企业常常使用的空压机一般有两种,螺杆式空压机和活塞式空压机。
1 螺杆式空压机的工作原理:
螺杆式空气压缩机的工作过程分为吸气密封及输送、压缩、排气四个过程。当螺杆在壳体内转动时,螺杆与壳体的齿沟相互啮合,空气由进气口吸入,同时也吸入机油,由于齿沟啮合面转动将吸入的油气密封并向排气口输送;在输送过程中齿沟啮合间隙逐渐变小,油气受到压缩;当齿沟啮合面旋转至壳体排气口时,较高压力的油气混合气体排出机体。
2 活塞式空压机的工作原理
活塞式空压机主要有气缸、活塞、曲轴—连杆机构以及进、排气阀等组成。活塞是由外力(内燃机或电动机通过空压机的曲轴—连杆机构传来)驱使在气缸内做往复运动。当它下行时,气缸上部容积变大,缸内形成部分真空,于是在缸内外压力差的作用下,进气阀被打开,空气被吸入气缸内,此为吸气过程。当活塞上行时,进气阀关闭,此时由于气缸内容积逐渐由大变小,缸内空气被压缩,压力上升,此为压缩过程。当缸内空气压力升高到足以克服排气阀的背压(包括弹簧力)时,排气阀便打开,排出压缩空气。由此可知,活塞在气缸内往返两个行程即构成了一个工作循环,活塞式空压机就是按这样的工作循环周而复始地工作的。
工厂空气压缩气供气系统一般由空气压缩机、冷干机、过滤器、储气罐、管路、阀门和用气设备组成。
在工厂的空气压缩机控制系统中,普遍采用后端管道上安装的压力继电器来控制空气压缩机的运行。空压机启动时,加载阀处于不工作态,加载气缸不动作,空压机头进气口关闭,电机空载启动。当空气压缩机启动运行后,如果后端设备用气量较大,储气罐和后端管路中压缩气压力未达到压力上限值,则控制器动作加载阀,打开进气口,电机负载运行,不断地向后端管路产生压缩气。如果后端用气设备停止用气,后端管路和储气罐中压缩气压力渐渐升高,当达到压力上限设定值时,压力控制器发出卸载信号,加载阀停止工作,进气口关闭,电机空载运行。这就带来了一系列的问题,比如以下四个方面的问题:(1)如何提高供气质量;(2)如何节约高额的电费开支;(3)如何降低工作环境的噪音;(4)如何延长空压机的使用寿命(检修周期)。
要解决这些问题,一方面首先我们知道原空压机电控系统的有如下几个缺点:
(1)化纤纺织企业空压机的电动机一般功率很大,一般都在90～300KW左右,空压机的电动机一般采用星/三角转换起动,或是采用自耦变压器降压起动,这样起动电流大,容易造成接触器的触点熔焊,而且对设备和电网的冲击比较大。
(2)供气压力主要靠增减空压机的运行台数来调整,供气质量差,为了避免空压机的频繁起停,工厂经常会发生这样的现象:比如,当少开一台空压机时,供气压力偏低,不能满足生产用气的要求;而多开一台空压机时,供气压力又偏高,电耗高,供气成本又增高的情况。
(3)由于空压机全速运转,且要用出口阀门调整供气压力,造成空压机房噪声大;尤其是活塞式空压机。
(4)系统排气压力高,管径的配置达不到空压机气体的流速要求,造成管路压降偏高,减荷能耗大。
另一方面,工厂在设计选用空压机的电动机容量时,通常是按设备满负荷长时间运行来选择的,因此设计容量一般都偏大。而在实际生产运行中电动机的负载率偏低,且轻载运行时间所占的比例很大。这就会造成高额的电费开支并影响空压机的使用寿命。另外,对于空压机,一般采用调整出口门开度来调整出口压力,当出口门开度减小时,电动机的运行功率减少并不多,这样空压机的运行处于低效状态,同样造成大量的电能浪费。如果采用变频调速,则可根据生产现场的需要用气量来动态调节空压机的出口压力,也就是说可以将现场的用气量设为恒定,通过压力传感器给变频器一个反馈信号来调节电动机的转速,这样既提高了空压机的运行效率,又达到节能的目的。
比如:某化纤厂有活塞式空压机3台,造气量为:1台40m3/h和2台15m3/h;电动机功率分别为250kW１台,120kW2台。每台空压机出口有气压罐,通过阀门连接到总气管上。气压罐上装有自动放气阀,在气压过高时可自动开启放气阀以保证空压机的安全(要求出口压力不小于0.45MPa,大于0.5MPa时自动排空)。根据生产用气量的变化,一般启动1台大机或启动2台小机即可满足生产用气的需要;但在用气高峰期,要求短时启动一大一小2台空压机。
我们采用变频恒压供气系统来改造其控制线路:
即:每台空压机均用一台变频器驱动,采用一拖一带工频旁路设计方案,如图1所示。当变频器出现故障时,空压机可以切换到工频旁路运行,以保证供气系统的可靠性。
恒压供气控制由DCS系统完成,即由储气罐压力传感器向DCS提供压力信号,与控制台的压力设定信号进行比较后经PID运算,向变频器送出频率指令信号,控制变频器的输出频率,从而控制空压机的转速,达到恒压供气的目的。DCS系统送出的频率指令信号为4～20mA的电流信号,相当于(0～100)%调速范围。由于变频器电流信号输入端子的阻抗为250Ω,若将3台变频器的信号端子串联,总阻抗为750Ω,超出了DCS输出信号的负载能力,所以采用一只500Ω标准电阻,将4～20mA电流信号转换成2～10V电压信号,再并联接到3台变频器的电压信号输入端子VG,让3台运行。空压机变频调速控制原理框图如图2所示。出退和入投时随时可以任何1台工频运行,另一台变频运行。
通过改造后,变频恒压供气系统功能和节能效果如下:
(1)3台空压机全部采用变频驱动,且同步运行,实现了最大限度的节能效果;
(2)根据储气罐压力,DCS系统自动判断开停空压机的台数和大小,并能实现自动开停机;
(3)全部机组实现了软起动,大大减小了起动电流,避免了对电网和设备的冲击,延长了设备的使用寿命;
(4)每台机组都具备变频和工频运行双重功能,当变频器故障时可以切换到工频运行,保证供气的连续性;
(5)供气压力设定值可根据实际生产情况由用户随时在DCS操作台上修改,操作简单;
(6)恒压供气确保管网不受压力突变的冲击,延长了管网的使用寿命,降低了维修成本;
(7)具有完善的保护措施(过流、过压、过载、过热及电机相间和对地短路等),且变频器具有自诊断功能,大大提高了系统的运转率和可靠性;
(8)变频空压机一般运行频率在35～40Hz之间,其节能率在20%～30%之间。
变频改造后,我们把改造后每天正常运行生产所抄的电表的数据和没改造以前的电表读数数据相对比,可以看出,平均每天节省电费大约20%～30%左右。
3 结语
我国目前电力紧缺,不少地方实行拉闸限电,因而节能降耗是我国大力倡导和推进的一项重要工作。另一方面,对于生产型企业来讲,能否有效的提高生产效率,改善工艺,节能降耗,从而降低生产成本已经成为生产型企业能否生存发展的重要因素。目前,耗电大户的风机、水泵和压缩机等采用变频器节能改造是一种趋势,其经济效益是相当可观的。
参考文献
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