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1　問題的提出
　　空氣壓縮機是礦山生產的重要設備之一,它生產壓縮空氣,用以帶動風動鑿巖機、風動裝巖機等設備以及其它風動工具,其耗電量約占全礦總電耗的8%～11% ,隨著礦井的延深,耗電量還將進一步增加。空氣壓縮機氣量的供求關系主要表現(xiàn)為排氣壓力的變化,當排氣量正好滿足生產用氣量要求時,儲氣壓力保持不變,但由于礦山生產用風量的不均衡,而裝機容量需根據(jù)礦井zui大用風量并留有余量設計,故實際運行中空氣壓縮機供風量遠大于實際用風量。若空氣壓縮機仍恒速運轉,則儲氣罐內的氣體壓力越來越大,當罐內壓力上升達到設定壓力時,一般采用兩種辦法:一種是空氣壓縮機卸荷運行,不產生壓縮氣體,電動機處于空載運轉,其用電量仍為滿負載的30% ～60% ,這部分電能被白白浪廢掉;另外一種辦法是停止空氣壓縮機運行,但將會帶來電動機的頻繁啟動?？諝鈮嚎s機的空載啟動電流大約是額定電流的5～7倍,對電網(wǎng)及其它用電設備沖擊較大,同時使空氣壓縮機的使用壽命也會縮短。為滿足生產設備用氣要求,儲氣罐內空氣運行壓力通常設為0. 55～0. 65MPa,目前大多數(shù)空氣壓縮機均采用切斷進氣的調節(jié)方式來改變排至儲氣罐的氣量。隨著電力電子技術的發(fā)展,目前*解決方案是對空氣壓縮機實行變頻調速節(jié)能控制。為空氣壓縮機運行開辟了新途徑。
2　變頻調速的實現(xiàn)方案
(1) 改造前運行現(xiàn)狀
　　平時運行時,由操作工每小時巡檢一次各儀表指示,根據(jù)儀表指示的總管壓力值做出判斷,手動啟、?？諝鈮嚎s機。開車的工作通常是先關閉送氣閥,打開放氣閥,空氣壓縮機通過起動器啟動,等電機的啟動過程完成后關上放氣閥,打開送氣閥,空氣壓縮機開始工作?？諌赫镜倪@種控制方式帶來了許多問題。人工手動開關空氣壓縮機,使供氣量無法連續(xù)調節(jié),當用氣量不斷變化時,供氣壓力不可避免地產生較大幅度的波動,繁瑣操作容易造成誤操作致使設備損壞,同時人工開關空氣壓縮機對電網(wǎng)和空氣壓縮機有相當?shù)臎_擊。
(2) 變頻節(jié)能改造思路
　　選用與一臺電機容量相當?shù)牡铝ξ髯冾l器輪換驅動兩臺空氣壓縮機,通過檢測儲氣罐壓力,實現(xiàn)系統(tǒng)的壓力閉環(huán)控制,自動調節(jié)空氣壓縮機的轉速和空氣壓縮機的運轉臺數(shù)。改造后的空壓站控制系統(tǒng)由兩個基本系統(tǒng)組成,即恒壓變頻調速系統(tǒng)和微機控制參數(shù)監(jiān)測管理系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時,壓力變送器YB將總管壓力P轉變?yōu)殡娦盘査椭悄苷{節(jié)儀與壓力設定值Po 比較,并根據(jù)差值的大小按既定控制模式進行運算,產生控制信號送變頻調速器VVVF和可編程控制器PLC,通過變頻器控制電機的轉速,通過可編程控制器控制空氣壓縮機運行的臺數(shù),使實際壓力P始終接近設定壓力Po。在用風系統(tǒng)需一臺空氣壓縮機運行時,單臺空氣壓縮機變頻運行維持恒壓供風;用風系統(tǒng)運行風量不足時,變頻器運行頻率升高為50Hz,原變頻運行空氣壓縮機自動延時轉為工頻運行,變頻器啟動另一臺空氣壓縮機變頻運行維持恒壓供風。兩臺空氣壓縮機都由變頻器來啟動,實現(xiàn)帶載軟啟動,避免了啟動沖擊電流和啟動給空氣壓縮機帶來的機械沖擊。系統(tǒng)循環(huán)帶載軟啟動、循環(huán)停機的工作方式,實現(xiàn)了供氣量的連續(xù)調節(jié),保證了總管壓力穩(wěn)定。

(4) 改造后系統(tǒng)運行特點
1) 風壓幅值變化小
　　由于該變頻器是以壓力控制的,即v / f保持恒值,使壓力- 轉數(shù)- 功率達到動態(tài)匹配,在設定的壓力下穩(wěn)定運行。實測使用變頻運行時,其壓力變化幅值為0. 034MPa即在設定壓力為0. 5MPa時,其壓力在0. 486～0. 52MPa區(qū)間變化。而工頻運行時,在同樣的條件下,其壓力在0. 368～0. 523MPa區(qū)間變化,其變化幅值為0. 155MPa。因風壓幅值變化小,使用風負荷穩(wěn)定,供風質量好,生產效率高。
2) 噪音低
　　使用變頻運行時,機房平均噪音為72dB (A) ,排氣時機房噪音平均為81. 125 dB (A) ,不排氣時機房噪音平均76. 625 dB (A) 。使用變頻比使用工頻運行排氣時平均降低噪音9. 125 dB (A) ,不排氣時
平均降低噪音4. 625 dB (A) 。由于噪音降低,改善了工作環(huán)境。
3) 操作簡便
　　使用變頻運行,只要按動起動按鈕就可使設備運行。甩掉了傳統(tǒng)的減荷閥控制,省去了繁瑣的操作程序,同時,可實現(xiàn)兩臺電動機循環(huán)軟啟動,消除了電機起動時對電網(wǎng)大電流的沖擊現(xiàn)象。
4) 節(jié)約空氣壓縮機潤滑油40%
　　采用變頻調速后,在空氣壓縮機低轉速運行時,潤滑油耗量也就變小,即所謂"低轉速,低潤滑"。以4L220 /3型空氣壓縮機為例,據(jù)統(tǒng)計測算,使用工頻運行時,潤滑油平均每小時用105g,而使用變頻運行平均每小時有42g就夠了。
5) 延長設備使用壽命
　　由于變頻器V / f保持恒定值的優(yōu)點,使之壓力- 轉速- 功率達到動態(tài)匹配,轉數(shù)明顯降低,一般情況在220～584 r /min之間,機械磨損減小,延長設備的使用壽命。
6) 提高運行可靠性
　　原電控系統(tǒng)與改造后電控系統(tǒng)可互為備用,提高了運行可靠性,同時各項保護措施更加完善。
3　節(jié)能效果分析
　　設Po 為現(xiàn)有空壓站的壓力設定值。系統(tǒng)改造前,因人工控制方式下送氣量不能連續(xù)調節(jié),為保證正常供氣,須使壓力在Po 附近上下波動。Pmax是zui高壓力值,當管網(wǎng)壓力達到此值時,空壓站關閉吸氣閥使電機處于空轉狀態(tài)。Pmin是zui低壓力值,即能夠保證用氣設備正常工作的zui低壓力,當管網(wǎng)壓力達到此值時,空壓站重新開啟吸氣閥。一般情況下,Pmax、P0、Pmin之間關系可以用下式來表示:
Pmax = (1 + 2δ) Pmin
P0 = (1 +δ) Pmin
δ是一個百分數(shù),其數(shù)值大致在15% ～30%之間,即15% ≤δ≤30%。改造后,系統(tǒng)可連續(xù)調節(jié)供氣量使管網(wǎng)壓力恒定,因此,可將壓力設定在能滿足設備用氣的zui低壓力值Pmin附近。改造后系統(tǒng)所節(jié)約的能量主要分析為:
(1) 超過Pmin的壓力所消耗的能量
　　改造后空氣壓縮機對氣體所做的功可以表示為W = Pmin ×Qmin ,可以假設改造前壓力常年工作在P1附近,此時空氣壓縮機所做的功可以表示為:
W1 = ( Pmin +ΔP) (Qmin +ΔQ),式中的ΔP =δPmin、ΔQ ≈ Qo - Qmin ,若假設系統(tǒng)改造前、后的管網(wǎng)的情況和用氣的工況不變, P -
Q之間的管阻曲線是一條二次曲線,通常情況下可以用直線來表示。則系統(tǒng)改造后的節(jié)能率η可以表示為:
η = (W1 - W ) /W1=1 - W /W1
由計算可知,節(jié)能率η的值可達相應δ值的一倍以上,因此超壓部分的節(jié)能潛力很大。
(2) 調節(jié)方法不合理所消耗的能量
　　通常情況下,當壓力達到Pmax時,空氣壓縮機通過關閉吸氣閥使電機空轉調節(jié)排氣量,但空氣壓縮機在空轉中還是帶動活塞做往復運動,此時的能耗約占空氣壓縮機滿載運行時的30% ～50%,將這部分能量節(jié)省下來的數(shù)量,也相當可觀。
(3) 電機起動時所消耗的能量
　　空氣壓縮機是大轉動慣量負載,電機空載起動時所需的功率大致相當于電機滿載運行時所消耗功率的2～3倍,時間約為1min,這部分能耗在大多數(shù)空壓站中不占主要部分,在某些靠頻繁起動來控制排氣量的空壓站時,這部分能耗就顯得很大。
4　結語
　　本系統(tǒng)利用一臺變頻器實現(xiàn)多臺空氣壓縮機的變頻節(jié)能改造,在降低投資的同時實現(xiàn)*節(jié)能效果,既降低開機、停機時瞬間電流沖擊對電氣和機械設備的影響,又提高了設備運行的可靠性，系統(tǒng)至今運行十分正常,滿足了生產的需要,達到了預期節(jié)能效果。根據(jù)節(jié)能測試:采用德力西空氣壓縮機恒壓控制變頻調速系統(tǒng)平均每天節(jié)電量５３０kWh。按照年工作日3５0d計,則采用恒壓控制變頻調速系統(tǒng)每年可節(jié)電１８５５００kWh,按照現(xiàn)行電價0. 4８ 元/kWh計,每年可節(jié)約電費８.３萬元,兩年內即可收回全部投資。該系統(tǒng)應用的成功為活塞式空氣壓縮機的節(jié)能運行提供了重要的新手段,對于企業(yè)節(jié)能降耗,提高企業(yè)經(jīng)濟效益有重要意義,有廣闊的推廣應用前景。