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1　問題的提出
　　空氣壓縮機(jī)是礦山生產(chǎn)的重要設(shè)備之一,它生產(chǎn)壓縮空氣,用以帶動(dòng)風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)、風(fēng)動(dòng)裝巖機(jī)等設(shè)備以及其它風(fēng)動(dòng)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(jìn)一步增加。空氣壓縮機(jī)氣量的供求關(guān)系主要表現(xiàn)為排氣壓力的變化,當(dāng)排氣量正好滿足生產(chǎn)用氣量要求時(shí),儲(chǔ)氣壓力保持不變,但由于礦山生產(chǎn)用風(fēng)量的不均衡,而裝機(jī)容量需根據(jù)礦井zui大用風(fēng)量并留有余量設(shè)計(jì),故實(shí)際運(yùn)行中空氣壓縮機(jī)供風(fēng)量遠(yuǎn)大于實(shí)際用風(fēng)量。若空氣壓縮機(jī)仍恒速運(yùn)轉(zhuǎn),則儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體壓力越來越大,當(dāng)罐內(nèi)壓力上升達(dá)到設(shè)定壓力時(shí),一般采用兩種辦法:一種是空氣壓縮機(jī)卸荷運(yùn)行,不產(chǎn)生壓縮氣體,電動(dòng)機(jī)處于空載運(yùn)轉(zhuǎn),其用電量仍為滿負(fù)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(jī)運(yùn)行,但將會(huì)帶來電動(dòng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)?？諝鈮嚎s機(jī)的空載啟動(dòng)電流大約是額定電流的5～7倍,對電網(wǎng)及其它用電設(shè)備沖擊較大,同時(shí)使空氣壓縮機(jī)的使用壽命也會(huì)縮短。為滿足生產(chǎn)設(shè)備用氣要求,儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣運(yùn)行壓力通常設(shè)為0. 55～0. 65MPa,目前大多數(shù)空氣壓縮機(jī)均采用切斷進(jìn)氣的調(diào)節(jié)方式來改變排至儲(chǔ)氣罐的氣量。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,目前*解決方案是對空氣壓縮機(jī)實(shí)行變頻調(diào)速節(jié)能控制。為空氣壓縮機(jī)運(yùn)行開辟了新途徑。
2　變頻調(diào)速的實(shí)現(xiàn)方案
(1) 改造前運(yùn)行現(xiàn)狀
　　平時(shí)運(yùn)行時(shí),由操作工每小時(shí)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(dòng)啟、停空氣壓縮機(jī)。開車的工作通常是先關(guān)閉送氣閥,打開放氣閥,空氣壓縮機(jī)通過起動(dòng)器啟動(dòng),等電機(jī)的啟動(dòng)過程完成后關(guān)上放氣閥,打開送氣閥,空氣壓縮機(jī)開始工作?？諌赫镜倪@種控制方式帶來了許多問題。人工手動(dòng)開關(guān)空氣壓縮機(jī),使供氣量無法連續(xù)調(diào)節(jié),當(dāng)用氣量不斷變化時(shí),供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng),繁瑣操作容易造成誤操作致使設(shè)備損壞,同時(shí)人工開關(guān)空氣壓縮機(jī)對電網(wǎng)和空氣壓縮機(jī)有相當(dāng)?shù)臎_擊。
(2) 變頻節(jié)能改造思路
　　選用與一臺(tái)電機(jī)容量相當(dāng)?shù)牡铝ξ髯冾l器輪換驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)空氣壓縮機(jī),通過檢測儲(chǔ)氣罐壓力,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的壓力閉環(huán)控制,自動(dòng)調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和空氣壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)。改造后的空壓站控制系統(tǒng)由兩個(gè)基本系統(tǒng)組成,即恒壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和微機(jī)控制參數(shù)監(jiān)測管理系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時(shí),壓力變送器YB將總管壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送智能調(diào)節(jié)儀與壓力設(shè)定值Po 比較,并根據(jù)差值的大小按既定控制模式進(jìn)行運(yùn)算,產(chǎn)生控制信號(hào)送變頻調(diào)速器VVVF和可編程控制器PLC,通過變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,通過可編程控制器控制空氣壓縮機(jī)運(yùn)行的臺(tái)數(shù),使實(shí)際壓力P始終接近設(shè)定壓力Po。在用風(fēng)系統(tǒng)需一臺(tái)空氣壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí),單臺(tái)空氣壓縮機(jī)變頻運(yùn)行維持恒壓供風(fēng);用風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)量不足時(shí),變頻器運(yùn)行頻率升高為50Hz,原變頻運(yùn)行空氣壓縮機(jī)自動(dòng)延時(shí)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行,變頻器啟動(dòng)另一臺(tái)空氣壓縮機(jī)變頻運(yùn)行維持恒壓供風(fēng)。兩臺(tái)空氣壓縮機(jī)都由變頻器來啟動(dòng),實(shí)現(xiàn)帶載軟啟動(dòng),避免了啟動(dòng)沖擊電流和啟動(dòng)給空氣壓縮機(jī)帶來的機(jī)械沖擊。系統(tǒng)循環(huán)帶載軟啟動(dòng)、循環(huán)停機(jī)的工作方式,實(shí)現(xiàn)了供氣量的連續(xù)調(diào)節(jié),保證了總管壓力穩(wěn)定。

(4) 改造后系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)
1) 風(fēng)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(zhuǎn)數(shù)- 功率達(dá)到動(dòng)態(tài)匹配,在設(shè)定的壓力下穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)測使用變頻運(yùn)行時(shí),其壓力變化幅值為0. 034MPa即在設(shè)定壓力為0. 5MPa時(shí),其壓力在0. 486～0. 52MPa區(qū)間變化。而工頻運(yùn)行時(shí),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(fēng)壓幅值變化小,使用風(fēng)負(fù)荷穩(wěn)定,供風(fēng)質(zhì)量好,生產(chǎn)效率高。
2) 噪音低
　　使用變頻運(yùn)行時(shí),機(jī)房平均噪音為72dB (A) ,排氣時(shí)機(jī)房噪音平均為81. 125 dB (A) ,不排氣時(shí)機(jī)房噪音平均76. 625 dB (A) 。使用變頻比使用工頻運(yùn)行排氣時(shí)平均降低噪音9. 125 dB (A) ,不排氣時(shí)
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(yùn)行,只要按動(dòng)起動(dòng)按鈕就可使設(shè)備運(yùn)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(shí),可實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)循環(huán)軟啟動(dòng),消除了電機(jī)起動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)大電流的沖擊現(xiàn)象。
4) 節(jié)約空氣壓縮機(jī)潤滑油40%
　　采用變頻調(diào)速后,在空氣壓縮機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí),潤滑油耗量也就變小,即所謂"低轉(zhuǎn)速,低潤滑"。以4L220 /3型空氣壓縮機(jī)為例,據(jù)統(tǒng)計(jì)測算,使用工頻運(yùn)行時(shí),潤滑油平均每小時(shí)用105g,而使用變頻運(yùn)行平均每小時(shí)有42g就夠了。
5) 延長設(shè)備使用壽命
　　由于變頻器V / f保持恒定值的優(yōu)點(diǎn),使之壓力- 轉(zhuǎn)速- 功率達(dá)到動(dòng)態(tài)匹配,轉(zhuǎn)數(shù)明顯降低,一般情況在220～584 r /min之間,機(jī)械磨損減小,延長設(shè)備的使用壽命。
6) 提高運(yùn)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(yùn)行可靠性,同時(shí)各項(xiàng)保護(hù)措施更加完善。
3　節(jié)能效果分析
　　設(shè)Po 為現(xiàn)有空壓站的壓力設(shè)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(diào)節(jié),為保證正常供氣,須使壓力在Po 附近上下波動(dòng)。Pmax是zui高壓力值,當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到此值時(shí),空壓站關(guān)閉吸氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。Pmin是zui低壓力值,即能夠保證用氣設(shè)備正常工作的zui低壓力,當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到此值時(shí),空壓站重新開啟吸氣閥。一般情況下,Pmax、P0、Pmin之間關(guān)系可以用下式來表示:
Pmax = (1 + 2δ) Pmin
P0 = (1 +δ) Pmin
δ是一個(gè)百分?jǐn)?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(diào)節(jié)供氣量使管網(wǎng)壓力恒定,因此,可將壓力設(shè)定在能滿足設(shè)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(jī)對氣體所做的功可以表示為W = Pmin ×Qmin ,可以假設(shè)改造前壓力常年工作在P1附近,此時(shí)空氣壓縮機(jī)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(shè)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(jì)算可知,節(jié)能率η的值可達(dá)相應(yīng)δ值的一倍以上,因此超壓部分的節(jié)能潛力很大。
(2) 調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量
　　通常情況下,當(dāng)壓力達(dá)到Pmax時(shí),空氣壓縮機(jī)通過關(guān)閉吸氣閥使電機(jī)空轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)排氣量,但空氣壓縮機(jī)在空轉(zhuǎn)中還是帶動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng),此時(shí)的能耗約占空氣壓縮機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)的30% ～50%,將這部分能量節(jié)省下來的數(shù)量,也相當(dāng)可觀。
(3) 電機(jī)起動(dòng)時(shí)所消耗的能量
　　空氣壓縮機(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載,電機(jī)空載起動(dòng)時(shí)所需的功率大致相當(dāng)于電機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)所消耗功率的2～3倍,時(shí)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(dòng)來控制排氣量的空壓站時(shí),這部分能耗就顯得很大。
4　結(jié)語
　　本系統(tǒng)利用一臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)多臺(tái)空氣壓縮機(jī)的變頻節(jié)能改造,在降低投資的同時(shí)實(shí)現(xiàn)*節(jié)能效果,既降低開機(jī)、停機(jī)時(shí)瞬間電流沖擊對電氣和機(jī)械設(shè)備的影響,又提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，系統(tǒng)至今運(yùn)行十分正常,滿足了生產(chǎn)的需要,達(dá)到了預(yù)期節(jié)能效果。根據(jù)節(jié)能測試:采用德力西空氣壓縮機(jī)恒壓控制變頻調(diào)速系統(tǒng)平均每天節(jié)電量５３０kWh。按照年工作日3５0d計(jì),則采用恒壓控制變頻調(diào)速系統(tǒng)每年可節(jié)電１８５５００kWh,按照現(xiàn)行電價(jià)0. 4８ 元/kWh計(jì),每年可節(jié)約電費(fèi)８.３萬元,兩年內(nèi)即可收回全部投資。該系統(tǒng)應(yīng)用的成功為活塞式空氣壓縮機(jī)的節(jié)能運(yùn)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(jì)效益有重要意義,有廣闊的推廣應(yīng)用前景。