鄧慧鉞（華潤水泥（湛江）有限公司,廣東　湛江　524300）

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變頻器在螺桿式空壓機(jī)上的應(yīng)用

鄧慧鉞
（華潤水泥（湛江）有限公司,廣東湛江524300）

摘 要：隨著變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，其調(diào)速技術(shù)愈加成熟并在工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用。根據(jù)螺桿式空壓機(jī)實(shí)際使用過程中存在能耗大，噪音大的情況，利用變頻器對螺桿式空壓機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。通過實(shí)際改造結(jié)果對比，節(jié)能效果明顯，可廣泛推廣。

關(guān)鍵詞：螺桿式空壓機(jī)；變頻調(diào)速；變頻器；節(jié)能改造；節(jié)能減排

0　前言

螺桿式空壓機(jī)由于其可以根據(jù)生產(chǎn)所需氣量的變化自動進(jìn)行加載-卸載工作，且其運(yùn)行性能及使用效果較好，如今已在工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用。但螺桿空壓機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中，由于受現(xiàn)場設(shè)備的工作狀況或者不同的生產(chǎn)工藝流程的影響，用氣量會根據(jù)這些影響因素的不同而隨之變化，由此造成空壓機(jī)頻繁加載、卸載。根據(jù)空壓機(jī)的控制原理，卸載后其電機(jī)仍處于運(yùn)行狀態(tài)，既浪費(fèi)電能又增加機(jī)械設(shè)備的磨損。同時(shí)，一般空壓機(jī)電機(jī)功率都較大，多采用星-三角啟動方式啟動，這使得空壓機(jī)在啟動時(shí)會有較大的啟動電流，加載和卸載的瞬時(shí)對設(shè)備機(jī)械造成較大沖擊；不但造成電壓波動，影響到其他用電設(shè)備的運(yùn)行安全，而且輸出壓力靠卸載閥來調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)速度慢，波動大，精度低，也會使壓縮氣源有較大的波動；同時(shí)空壓機(jī)的啟動電流高達(dá)5～8倍額定電流，頻繁的加、卸載還會加速設(shè)備的磨損，降低設(shè)備的使用年限。如何使設(shè)備能運(yùn)行在更好的狀態(tài)并保證氣源符合生產(chǎn)需要，是我們要考慮解決的問題。

1　螺桿空壓機(jī)節(jié)能改造的可行性

螺桿空壓機(jī)包括壓縮機(jī)（主機(jī)）、電動機(jī)、氣路系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、電氣控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)及安全保護(hù)系統(tǒng)（原理如圖1）。其電氣控制系統(tǒng)普遍采用后端管道上安裝的壓力傳感器來控制空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行?？諌簷C(jī)啟動時(shí)，加載閥處于不工作狀態(tài)，空壓機(jī)頭進(jìn)氣口關(guān)閉，電機(jī)空載啟動。電動機(jī)正常運(yùn)行后，在低于下限設(shè)定壓力時(shí)，加載閥工作，大量空氣通過空濾進(jìn)入主機(jī)內(nèi)，壓縮機(jī)開始負(fù)載工作。當(dāng)氣壓達(dá)到卸載壓力時(shí)，此時(shí)加載閥關(guān)閉，隔斷空氣進(jìn)入主機(jī)，壓縮機(jī)處于卸載狀態(tài)運(yùn)行，但此時(shí)電動機(jī)仍處于運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)功耗約占滿載時(shí)的30%～50%。可見，如解決長時(shí)間空載運(yùn)行問題將可節(jié)省一部分電能消耗。

同時(shí)對空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造，能夠使電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟起軟停，避免了瞬時(shí)啟停造成對設(shè)備的沖擊，延長設(shè)備使用年限；而且由于電機(jī)運(yùn)行頻率可變，由此空壓機(jī)可根據(jù)用氣量的大小自動調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少了電機(jī)頻繁的加載和卸載，既維持了供氣系統(tǒng)氣壓穩(wěn)定，又可降低了空壓機(jī)的能耗。

2　變頻改造的實(shí)際應(yīng)用

空壓機(jī)的變頻控制系統(tǒng)原理如下：通過系統(tǒng)壓力傳感器對氣源壓力的檢測，所獲得的檢測值與變頻器的壓力設(shè)定值比較，經(jīng)變頻器的PID運(yùn)算獲得作用于電動機(jī)的頻率值，通過改變輸出交流電的頻率和幅值，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，空壓機(jī)根據(jù)實(shí)際工況運(yùn)行，使壓縮空氣壓力變化，直至氣源壓力與設(shè)定壓力值達(dá)到平衡。空壓機(jī)變頻控制系統(tǒng)原理圖如圖2：

我司的兩條生產(chǎn)線的壓縮空氣供給原來由六臺螺桿式空壓機(jī)分別進(jìn)行供氣，各臺空壓機(jī)的運(yùn)行情況如下：

改造前1#線由2臺75KW及1臺37KW空壓機(jī)進(jìn)行供氣，2臺75KW為開一備一，37KW的作為輔助；2#線由3臺132KW空壓機(jī)進(jìn)行供氣，開一備二。在正常生產(chǎn)時(shí)，兩條線空壓機(jī)平均日消耗電能為5500千瓦時(shí)（24小時(shí)運(yùn)行）。

根據(jù)變頻器改造原理，對我司3臺132KW螺桿式空壓機(jī)進(jìn)行了變頻改造：

（1）在各臺空壓機(jī)主回路接入一臺變頻器，保留原星-三啟動主回路的接觸器作為電動機(jī)繞組連接回路，在電動機(jī)繞組完成星-三轉(zhuǎn)換后才由變頻器啟動輸出到電動機(jī)。

（2）空壓機(jī)原有控制回路（見圖3）保留使用，只是把原電動機(jī)運(yùn)行電流檢測的互感器CT1移到變頻器輸入電源前安裝，作為過載保護(hù)檢測；并在交流接觸器KM3（角形接法接觸器）取一常開輔助觸點(diǎn)連接到變頻器FWD及CM端子，作為變頻器啟動控制信號；將空壓機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改：原星角延時(shí)由6秒改為3秒，加載延時(shí)時(shí)間由2秒改為15秒，主機(jī)啟動時(shí)間由8秒改為20秒，以使變頻器在20秒內(nèi)完成啟動過程后才進(jìn)行加載。

（3）在每臺儲氣罐安裝一個(gè)壓力傳感器作為供氣管網(wǎng)壓力檢測，檢測信號接入變頻器模擬輸入端子AI2及GND，與變頻器PID參數(shù)中的壓力設(shè)定值進(jìn)行比較，通過變頻器自帶的PID功能進(jìn)行調(diào)節(jié)輸出相應(yīng)的頻率和幅值的交流電，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行相應(yīng)調(diào)速，以達(dá)到調(diào)節(jié)供氣壓力的目的，使之與設(shè)定壓力一致。

（4）由于我司有六臺空壓機(jī)，一般生產(chǎn)運(yùn)行兩臺132KW空壓機(jī)可滿足要求，另外的四臺可作為備用，即使有一臺變頻器壞也可以轉(zhuǎn)用備用空壓機(jī)，所以，為簡化線路本次改造沒設(shè)置工頻旁路線路。

（5）空壓機(jī)運(yùn)行控制由中控進(jìn)行控制運(yùn)行、停止及切換空壓機(jī)，無需另外增加PLC及觸摸屏作為現(xiàn)場控制，減少投入及簡化線路。

改造后對兩條生產(chǎn)線實(shí)行集中供氣，從運(yùn)行3個(gè)月情況看，正常生產(chǎn)平均每天空壓機(jī)消耗電能約為4500千瓦時(shí)，相對于原來的5500千瓦時(shí)空壓機(jī)電能降低了消耗18%左右。以我司生產(chǎn)運(yùn)行需要，保持兩臺132KW的螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行為例，按全年運(yùn)行時(shí)間300天（每天24小時(shí)運(yùn)行），電費(fèi)按0.6元/度，改造后每天節(jié)電約1000度，則每年可節(jié)省電費(fèi)300×1000×0.6=180000元，投資成本約在半年左右全部收回（兩臺變頻器選用國產(chǎn)產(chǎn)品）。同時(shí)，變頻改造后還可帶來其他益處：（1）供氣氣壓穩(wěn)定，排氣溫度基本恒定，使供氣質(zhì)量提高；（2）減少設(shè)備高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，潤滑油使用壽命延長，降低潤滑油消耗；（3）實(shí)現(xiàn)設(shè)備軟啟動，避免了電氣及機(jī)械的沖擊，大大延長了設(shè)備使用壽命及檢修周期，設(shè)備的日常維護(hù)費(fèi)用相應(yīng)降低；（4）進(jìn)氣閥的開閉次數(shù)大為減少，避免了其頻繁動作而損壞；（5）基本上空壓機(jī)都運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速之下，其運(yùn)行噪音有明顯降低。

此外，該系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況由現(xiàn)場進(jìn)行啟停控制，或者設(shè)置“現(xiàn)場”及“中控”控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，根據(jù)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換控制方式。

3　變頻改造的注意事項(xiàng)

（1）盡可能維持原有設(shè)備電路的完整性，對其改動越少越好；這有利于在變頻器發(fā)生故障或是檢修時(shí)，使空壓機(jī)可以根據(jù)需要在變頻和工頻之間進(jìn)行選擇，同時(shí)也可以在改造時(shí)不用對原有PLC程序進(jìn)行修改。

（2）如沒有配置備用空壓機(jī)，盡量保留空壓機(jī)原有的運(yùn)行電氣線路，并設(shè)置旁路電氣線路，這樣在變頻器出故障時(shí)，可以很快切換到原有的模式下運(yùn)行，降低了對生產(chǎn)所造成的影響。

（3）由空壓機(jī)原角形交流接觸器控制變頻器的啟動信號，即在星形接觸器吸合時(shí)變頻器不啟動，待角形接觸器吸合時(shí)，通過其常開輔助觸點(diǎn)吸合才啟動輸出。

（4）延時(shí)加載時(shí)間要保證變頻器正常運(yùn)行后才加載，以避免變頻器由于低頻運(yùn)行造成的過負(fù)荷跳停。

（5）一般要對變頻器的下限運(yùn)行頻率重新設(shè)置（我司為30赫茲），下限值設(shè)置不當(dāng)，會造成油氣分離器無法對油氣進(jìn)行有效分離，從而出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，造成潤滑油的浪費(fèi)。但要下限頻率值的設(shè)定要根據(jù)所使用的空壓機(jī)型號而定，因?yàn)榭諌簷C(jī)其機(jī)械配合磨損和效率不盡相同，其不漏油的下限頻率要求也相同。

（6）為避免由于壓力超限而發(fā)生事故，壓力傳感器其安裝位置選擇必須恰當(dāng)。不能安裝在過濾器或是閥門的后面，要盡量靠近空壓機(jī)，而且壓力傳感器和空壓機(jī)之間嚴(yán)禁安裝任何閥門元件，以防過濾器堵塞或是閥門關(guān)閉后，空壓機(jī)不停機(jī)而發(fā)生爆炸危險(xiǎn)。

（7）保留空壓機(jī)原有控制線路及保護(hù)功能，既可保證設(shè)備運(yùn)行安全，又節(jié)約了投資成本。

4　結(jié)語

變頻調(diào)節(jié)技術(shù)在壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和泵類等流體設(shè)備的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行的重要途徑，是節(jié)能減排的一項(xiàng)重點(diǎn)推廣技術(shù)。變頻技術(shù)的應(yīng)用，既提高生產(chǎn)效率及降低能耗，又促進(jìn)生產(chǎn)工藝水平的提高，并由此降低了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用，直接和間接經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。因此，在使用到壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和泵類等流體設(shè)備的行業(yè)中，特別是工業(yè)領(lǐng)域，可結(jié)合自身實(shí)際情況推廣實(shí)施此項(xiàng)技術(shù)，對推進(jìn)節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境具有很大實(shí)際效果。

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DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.180