周華亮 趙西磊 石振華 冉祥鵬 梁偉

摘要

首先以海洋石油工程股份有限公司使用的供風(fēng)系統(tǒng)為例進(jìn)行了介紹，對其中的不足進(jìn)行了闡述，隨后重點(diǎn)探討了變頻技術(shù)在工廠供風(fēng)系統(tǒng)（空壓機(jī)）節(jié)能改造過程中的應(yīng)用，最后通過比較改造前后，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。

關(guān)鍵詞：供風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能變頻

1．引言

目前我國經(jīng)濟(jì)正處于高速發(fā)展階段，但是，高發(fā)展也帶來了高能耗。據(jù)計(jì)算，2003年我國單位國民生產(chǎn)總值的能耗，比美國高2.3倍，比歐盟高4.5倍，比日本高8倍。能源利用率低在未來將大大制約國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展?；诖?，國家提出要節(jié)能降耗，?？偤秃９ひ蚕嗬^制定了各項(xiàng)措施與目標(biāo)，以求節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)效益的最大化。在建造公司的電費(fèi)中，供風(fēng)系統(tǒng)的電力消耗所占比重接近30％，因此，供風(fēng)系統(tǒng)如果能有效節(jié)能，將大大降低公司的生產(chǎn)成本。本文就著重討論了場地供風(fēng)系統(tǒng)在能源消耗及浪費(fèi)方面存在的各種問題，對其進(jìn)行了分析，并提出了對供風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能問題的建議和看法。

經(jīng)大量現(xiàn)場實(shí)際調(diào)研得知，場地對風(fēng)的需求量較大，空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)間較長，而且運(yùn)行時(shí)間不均衡。海工公司對風(fēng)的使用主要集中在兩個(gè)方面：一、舾裝車間噴砂噴漆，以及噴漆后風(fēng)干。其中噴砂是整個(gè)建造場地中，風(fēng)的主要消耗源。二、各個(gè)車間對風(fēng)動(dòng)工機(jī)具的使用。噴砂要求風(fēng)壓要高(約為7bar以上)而且用風(fēng)量相當(dāng)大，風(fēng)動(dòng)工機(jī)具大部分都是中小型工具，對風(fēng)壓的要求相對要稍小一些，但也基本上在6bar以上，風(fēng)量要小的多。另外，二者之間的不同是：舾裝車間噴砂噴漆場所比較固定 ，風(fēng)動(dòng)工機(jī)具為手持工具， 所用風(fēng)管線不固定。

2．場地供風(fēng)系統(tǒng)的組成

供風(fēng)系統(tǒng)主要由5臺阿特拉斯螺桿式空氣壓縮機(jī)（參數(shù)見下表）、儲氣罐、風(fēng)包、流量計(jì)、控制閥以及供風(fēng)管線組成。另外設(shè)有4臺移動(dòng)式空壓機(jī),以滿足突發(fā)情況的用風(fēng)。

額定輸氣量 額定排氣壓力 加/卸載壓力 實(shí)際用氣壓力 滿負(fù)荷運(yùn)行功率 滿負(fù)荷運(yùn)行電流 驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率

31.8m3/min 13bar 7-8bar 7.5bar 268kw 400A 93%

圖1阿特拉斯空氣壓縮機(jī)參數(shù)表（1bar=105 N/m2 ）

3．供風(fēng)系統(tǒng)存在的主要問題

3.1 空壓機(jī)存在的問題

3.1.1 供氣控制方式

空壓機(jī)現(xiàn)在的供氣方式為加卸載供氣控制方式，就是通過控制進(jìn)氣閥門的開關(guān)量來控制進(jìn)氣量的多少，從而控制排風(fēng)量。用氣量低于空壓機(jī)額定排氣量時(shí)，儲氣罐壓力上升。當(dāng)壓力超過事先設(shè)定的最小Pmin，進(jìn)氣閥門部分關(guān)閉，減少進(jìn)氣量，以使供氣與用氣趨于平衡。若管線壓力繼續(xù)上升，超過設(shè)定的最大值Pmax時(shí)，進(jìn)氣口則完全關(guān)閉，空壓機(jī)卸載運(yùn)行，此時(shí)管線的壓力開始下降，當(dāng)壓力下降到低于Pmin時(shí)，進(jìn)氣閥就全部打開，空壓機(jī)組全負(fù)荷運(yùn)行。Pmin與Pmax即空壓機(jī)的加載壓力和卸載壓力。與此同時(shí)，會帶來以下幾點(diǎn)問題；

◆在卸載運(yùn)行時(shí)，由于進(jìn)氣閥已經(jīng)關(guān)閉，空壓機(jī)并不再壓縮氣體進(jìn)行作功，但是空壓機(jī)在空轉(zhuǎn)中仍然需要帶動(dòng)螺桿作功。即空壓機(jī)在卸載運(yùn)行時(shí)，幾乎全部在作無用功，此時(shí)消耗的電能其實(shí)被白白浪費(fèi)，空壓機(jī)卸載運(yùn)行時(shí)間越長，能量浪費(fèi)越多。

◆機(jī)械方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，使供氣量無法連續(xù)調(diào)節(jié)，當(dāng)用氣量不斷變化時(shí)，供氣壓力也會不可避免的產(chǎn)生大幅波動(dòng)，一方面影響供氣質(zhì)量，另一方面也使管網(wǎng)不斷受壓力變化的沖擊，縮短了使用壽命。

◆當(dāng)空壓機(jī)頻繁的加載卸載時(shí)，使電動(dòng)機(jī)頻繁加減負(fù)荷，容易產(chǎn)生較大沖擊電流，對設(shè)備和電網(wǎng)造成危害。另外，由于頻繁的加減載運(yùn)行，造成電磁閥動(dòng)作、進(jìn)氣閥門開閉也都比較頻繁，縮短這些元件的使用壽命。

3.1.2 電氣方面

◆空壓機(jī)采用了標(biāo)準(zhǔn)的三相鼠籠式交流異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速近似的決定于電機(jī)的極對數(shù)和頻率。當(dāng)接到工頻電源上時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是恒定的?？諌簷C(jī)啟動(dòng)以后，不管是加載還是卸載，電動(dòng)機(jī)一直以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。由供氣控制方式的問題得知，當(dāng)空壓機(jī)運(yùn)行在卸載狀態(tài)時(shí)，電機(jī)本身在作無用功，因?yàn)槭褂媒涣魅喈惒诫姍C(jī)，卸載時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速不會下降，仍以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。雖然這時(shí)進(jìn)氣量減少，使電機(jī)空載運(yùn)行，導(dǎo)致耗電量減少，但是據(jù)測算，即使是在卸載時(shí)間所占比例不大的情況下，空壓機(jī)卸載時(shí)的能耗也能占到滿載運(yùn)行時(shí)的10％~15％。

◆另外，阿特拉斯空壓機(jī)的電動(dòng)機(jī)采用Y－Δ降壓啟動(dòng)，比全壓啟動(dòng)時(shí)的電流要小很多（約為全壓啟動(dòng)時(shí)的1/3），但是，由于全壓啟動(dòng)電流可以達(dá)到電動(dòng)機(jī)額定電流的7倍，再加上空壓機(jī)額定電流原本就比較大，所以空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)對設(shè)備和電網(wǎng)仍能構(gòu)成相當(dāng)大的沖擊。

4．場地供風(fēng)系統(tǒng)的改進(jìn)建議

4.1 空壓機(jī)的改造方案節(jié)能原理

空壓機(jī)在管路特性曲線（1）工作時(shí)，工況點(diǎn)為A，此時(shí)風(fēng)壓為H2，風(fēng)量為Q1，軸功率N1與Q1、H2的乘積成正比，在圖中可用面積AH20Q1表示。如果生產(chǎn)工藝要求，風(fēng)量需要從Q1減至Q2，可以看出，用調(diào)節(jié)風(fēng)門的方法相當(dāng)于增加管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性變到曲線（3），系統(tǒng)由原來的工況點(diǎn)A變到新的工況點(diǎn)B運(yùn)行。從圖中看出，風(fēng)壓反而增加，軸功率與面積BH10Q2成正比。顯然，軸功率下降不大。如果采用變頻器調(diào)速器調(diào)速控制方式，空壓機(jī)轉(zhuǎn)速由N1降到N2，根據(jù)空壓機(jī)參數(shù)的比例定律，畫出在轉(zhuǎn)速N2風(fēng)量（Q-H）特性，如曲線（4）所示?？梢娫跐M足同樣風(fēng)量Q2情況下，風(fēng)壓H3大幅度降低，功率N3隨著顯著減少，用面積CH30Q2表示。節(jié)省的功率△N=（H1-H3）*Q2，用面積BH1H3C表示。顯然，節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效果是十分明顯的。

圖2風(fēng)機(jī)風(fēng)壓H—風(fēng)量Q曲線特性圖

曲線（1）為空壓機(jī)在額定轉(zhuǎn)速N1時(shí)的風(fēng)壓—風(fēng)量（H-Q）特性

曲線（2）為管路阻力最小時(shí)的阻力特性

曲線（3）為管路阻力增大到某一數(shù)組時(shí)的阻力特性

曲線（4）為空壓機(jī)降速運(yùn)行在N2時(shí)的風(fēng)壓—風(fēng)量（H-Q）特性

電動(dòng)機(jī)調(diào)速有三種方法：變頻調(diào)速、變極調(diào)速和改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。綜合比較后選擇變頻調(diào)速的方法，原因是變頻調(diào)速效率高，沒有附加轉(zhuǎn)差損耗，調(diào)速的范圍大、精度高、實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速容易。由于可以利用原鼠籠式電動(dòng)機(jī)，所以特別適合用于對舊設(shè)備的技術(shù)改造，它既保持了原電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、可靠耐用、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到節(jié)電的顯著效果。

4.2 空壓機(jī)改造方案

4.2.1 系統(tǒng)工作原理

將儲氣罐壓力作為控制對象，壓力傳感器檢測儲氣罐的壓力并將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，傳遞給控制器，控制器與事先設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，然后根據(jù)兩者差值，產(chǎn)生控制信號送到變頻器，通過變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的工作頻率和轉(zhuǎn)速。

4.2.2 變頻器及其控制方式的選擇

選擇變頻器時(shí)遵循的主要原則就是：變頻器的輸出功率和電流選擇必須等于或大于被驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)的功率和電流。因?yàn)樽冾l器的過載能力沒有電機(jī)的過載能力強(qiáng)，一旦電機(jī)過載，首先損壞的將是變頻器。變頻器型號的選擇應(yīng)該根據(jù)使用要求及使用環(huán)境作詳細(xì)的選擇。

對于通用變頻器，一般采用恒壓頻比的調(diào)速方式，即V/F為常數(shù)。此方式的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)起來比較容易，調(diào)速效果好。

4.2.3 新方案的電路

按照恒壓供氣方式的思路，只要在原電路中加幾個(gè)電氣元件就可以，因此并不需要對原有電路進(jìn)行大規(guī)模改動(dòng)。況且在生產(chǎn)如此緊張的情況下，也不允許長時(shí)間停工對供風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造。該方案只是在原有電路中添加了傳感器、控制器、變頻器三個(gè)元件，并且改造裝置并不改變空壓機(jī)原有控制原理，保留了電動(dòng)機(jī)原有的Y－Δ啟動(dòng)方式，這也是為了保證當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)仍能正常供風(fēng)。

4.2.4 新方案的擴(kuò)展性

該方案僅僅給出了一臺變頻器控制一臺空壓機(jī)的簡單電路，由于變頻器價(jià)格比較昂貴，在實(shí)際操作中，我們也可以像變頻空調(diào)那樣采用一拖二的調(diào)速方式，用一臺變頻器拖動(dòng)兩臺空壓機(jī)。先變頻啟動(dòng)一臺空壓機(jī)，滿負(fù)荷以后，若壓力達(dá)不到設(shè)定要求，將此空壓機(jī)工頻運(yùn)行，啟動(dòng)另一臺空壓機(jī)即可，當(dāng)檢測到變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)在下限頻率壓力值還偏高時(shí)，停止一臺空壓機(jī)，另一臺變頻運(yùn)行。

控制器也可以選用PLC，一方面PLC可以通過傳感器信號控制變頻器， 另一方面利用PLC比較強(qiáng)大的功能，對五臺空壓機(jī)組成的供風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中控制，并且可以實(shí)時(shí)監(jiān)測空壓機(jī)的運(yùn)行狀況，利于對空壓機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)。

4.3 供風(fēng)系統(tǒng)中其它問題的改進(jìn)

4.3.1 漏風(fēng)問題

一方面要加強(qiáng)對供風(fēng)管線的巡查，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)問題隨時(shí)解決，另一方面要考慮減少漏風(fēng)口的數(shù)量。由于對管網(wǎng)進(jìn)行大面積改造存在較大難度，因此可以考慮劃片供風(fēng)這一思路，就是將場地按照用風(fēng)多少、用風(fēng)頻率及管線接口的多少，劃分成幾個(gè)區(qū)域，進(jìn)行區(qū)域性供風(fēng)，并在這幾大區(qū)域間的供風(fēng)管線上加裝控制閥。當(dāng)僅僅是某個(gè)區(qū)域用風(fēng)時(shí)，則將通往其它區(qū)域的閥門關(guān)閉，這樣就將風(fēng)限制在了用風(fēng)的這個(gè)區(qū)域里，相對減少了供風(fēng)系統(tǒng)中的漏風(fēng)口的數(shù)量。

4.3.2 管壓降問題

管壓降與管線內(nèi)徑和風(fēng)在管線中經(jīng)過的長度有關(guān)，增大內(nèi)徑，縮短長度，管壓降都會減小。考慮到工廠狀態(tài)，縮短長度是一個(gè)比較好的辦法。當(dāng)場地上有臨時(shí)用風(fēng)時(shí)，用風(fēng)量又比較大的情況時(shí)，可以考慮用移動(dòng)式空壓機(jī)直接到用風(fēng)地點(diǎn)進(jìn)行供風(fēng)，這樣就縮短了管線長度。不過，如果沒有對移動(dòng)式空壓機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造的話，只有在需風(fēng)量比較大的時(shí)候用此法更劃算。若用風(fēng)量比較少，移動(dòng)式空壓機(jī)達(dá)不到滿負(fù)荷工作狀態(tài)，仍會浪費(fèi)電能。

4.4 改進(jìn)后系統(tǒng)的特點(diǎn)

◆節(jié)能明顯。根據(jù)空壓機(jī)原理，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，空壓機(jī)轉(zhuǎn)速下降可以得到立方級的節(jié)能效果。

◆采用變頻器，調(diào)速范圍大、精度高，變頻器調(diào)速范圍能適應(yīng)各種調(diào)速的要求。

◆維護(hù)成本降低。空壓機(jī)軟啟動(dòng)，減少對電機(jī)電氣元件的電沖擊的同時(shí)，也減少了對設(shè)備的機(jī)械沖擊，啟動(dòng)電流小延長了電機(jī)和接觸器的壽命，機(jī)械沖擊小則延長了軸承、齒輪箱的壽命，使電氣與機(jī)械故障率降低，節(jié)約維護(hù)費(fèi)用。

◆系統(tǒng)的工頻與變頻可以切換，改造后使供氣質(zhì)量提高，從而提高生產(chǎn)效率，缺點(diǎn)是變頻器價(jià)格較高，而且使用過程中易發(fā)熱，如果沒有良好的散熱設(shè)施容易燒毀。

5．結(jié)束語

供風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能改造，在節(jié)能的同時(shí)減輕了設(shè)備的機(jī)械負(fù)荷，延長了設(shè)備的使用壽命。據(jù)統(tǒng)計(jì)，空壓機(jī)經(jīng)過節(jié)能改造后，大約可以節(jié)約20％到30％的電費(fèi)，不僅提高了公司的效益，而且實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的計(jì)劃。

6.參考文獻(xiàn)

[1] 徐忠主編離心式壓縮機(jī)原理西安交通大學(xué)2000

[2] 李峰，許全錄，孫敬榮變頻調(diào)速技術(shù)在空壓機(jī)上的應(yīng)用【J】煤礦安全，2000（5）：14-15

[3] 歐陽焰嘯關(guān)于空壓機(jī)節(jié)能方法的探索【J】環(huán)境保護(hù)，2009（5）：58-60

[4] 洪天星空壓機(jī)的變頻調(diào)節(jié)技術(shù)【J】壓縮機(jī)技術(shù)，2006,8（8）：27-29

Brief talk on energy conservation of air supplying system in factory

Zhou Hualiang Zhao Xilei Shi Zhenhua Ran Xiangpeng Liangwei

(Offshore Oil Engineering (Qing Dao) Co., Ltd.)

(NO.492 Lianjiang Road, Qingdao ETD Zone, China 266520)

Abstract

Firstly, introduce the air supplying system used by COOEC and talk about its some deficiencies, then discuss how to use transducer technology on the modification of air supplying system, finally by comparison, the energy conservation is achieved.

7.作者簡介

周華亮（1981.7—），男，本科，海洋石油工程（青島）有限公司電氣工程師，主要從事海洋平臺機(jī)電儀的質(zhì)量檢驗(yàn)及管理工作。

趙西磊 （1985.8—），男，本科，海洋石油工程（青島）有限公司電儀工程師，主要從事海洋平臺機(jī)電儀的質(zhì)量檢驗(yàn)工作。

石振華（1984.4—），男，本科，海洋石油工程（青島）有限公司電儀工程師，主要從事海洋平臺機(jī)電儀的質(zhì)量檢驗(yàn)工作。

冉祥鵬（1983.2—），男，本科，海洋石油工程（青島）有限公司電儀工程師，主要從事海洋平臺機(jī)電儀的質(zhì)量檢驗(yàn)工作。

梁偉（1986.2—），男，本科，海洋石油工程（青島）有限公司電儀工程師，主要從事海洋平臺機(jī)電儀的質(zhì)量檢驗(yàn)工作。