航空工業(yè)成飛公司 楊招虎

某空壓站共有英格索蘭MH350-2S 的螺桿式空氣壓縮機15臺，紐曼泰克的冷干機15臺。擔負著為公司不間斷供氣的任務，正常運行為8～10臺空壓機，大約每小時用電2800～3500kW 左右，平均大約為3150kW，系統(tǒng)的管網(wǎng)距離長，大約有4～5公里左右，工廠的管道使用時間較長，各單位的用氣量有較大的差異。為保證公司分布的各個用氣點的壓力要求，引進兩臺施耐德高壓變頻節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設計及系統(tǒng)調(diào)試

1.1 系統(tǒng)概述

對某空壓站2臺350kW 兩級壓縮空壓機改裝高壓變頻器控制，通過加裝高效變頻節(jié)能控制器，在保證機器正常的作功下自動的調(diào)速達到節(jié)能目的．同時顯著提高電機的功率因素，穩(wěn)定輸出氣壓，通過變頻改造改變電機的起動方式，延長設備的使用壽命。采用2套高效節(jié)能控制系統(tǒng)分別對兩臺空壓機進行控制，其中1套對6臺空壓機進行變頻節(jié)能控制；另一套對9臺空壓機進行變頻節(jié)能控制。使用時白天采用兩套變頻系統(tǒng)同時調(diào)節(jié)、晚上采用一套變頻系統(tǒng)調(diào)節(jié)以滿足用氣量的需求。在空壓機的實際工作中，用氣量是變化的[1]。所以對空壓機進行變頻節(jié)能控制，在用氣量變化較大的階段可顯著提高系統(tǒng)節(jié)能量；同時也能更好滿足用氣量變化的需求,提高供氣質(zhì)量。利用空壓系統(tǒng)后臺控制實現(xiàn)變頻系統(tǒng)對空壓機的起停進行控制，保證兩個變頻系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，從而實現(xiàn)故障空壓機從控制系統(tǒng)中脫離，以免產(chǎn)生誤動作。

1.2 系統(tǒng)組成

參數(shù)設定器（顯示界面）。可在面板上設置變頻器所調(diào)節(jié)的壓力目標設定值以及可顯示變頻器檢測到的多種的參數(shù)；變頻柜。由變頻器、智能集成控制元件、低壓元器件和柜體組成。裝有的移相整流變壓器為各個功率模塊提供交流電源；功率柜。由功率器件、控制元件、低壓元器件和柜體組成。裝有模塊化組裝的多個功率器件組成整流、逆變主回路，向壓空系統(tǒng)高壓電動機提供變頻后的可調(diào)電源；控制柜。由控制元件、低壓元器件和柜體組成。裝有西門子S-300PLC 控制器，控制高壓變頻系統(tǒng)的工作，處理相關數(shù)據(jù)，具備人機界面通信接口和變頻系統(tǒng)接口功能；旁路柜。由控制元件、各種轉(zhuǎn)換開關和柜體組成。該部分在變頻器故障（正常）情況下將電機切換至工頻電網(wǎng)（變頻系統(tǒng)），執(zhí)行旁路功能。

1.3 系統(tǒng)需要達到的性能

可根據(jù)各單位用氣點的用氣需求，通過參數(shù)設置設定好壓空系統(tǒng)實現(xiàn)的目標壓力，變頻系統(tǒng)根據(jù)壓力變送器監(jiān)測到的管網(wǎng)實際壓力，PLC 控制器對壓空系統(tǒng)的高壓電動機進行相應的變頻調(diào)速控制，實現(xiàn)空壓站對用戶用氣需求的調(diào)節(jié)。變頻系統(tǒng)的頻率可調(diào)范圍是19Hz～50Hz。

節(jié)能。根據(jù)空壓機的工況一般能節(jié)能15～50%。節(jié)能多少由以下因素決定：變頻器PID 參數(shù)的設置、變頻系統(tǒng)對管網(wǎng)壓力變送器所傳實際壓力的調(diào)節(jié)和跟蹤特性、空壓機的工況，最主要的因素是英格索蘭空壓機的實際工況，當用氣點壓力波動大，系統(tǒng)節(jié)能的程度就能達到最佳。

維護成本降低。由于采用了高壓變頻系統(tǒng)，壓空系統(tǒng)高壓電動機的變頻啟動減少了電流對電動機和控制系統(tǒng)電氣元件的沖擊，啟動電流減小，延長了高壓電動機和高壓斷路器的使用壽命。系統(tǒng)變頻啟動減少了對機械設備的沖擊，高壓電動機軸承、壓縮機主機軸承和齒輪都延長了使用時間。變頻器PLC 控制器使壓空系統(tǒng)長時間處于加載運行狀態(tài)，各類相關的電磁閥和氣動閥都減少了動作次數(shù)，因此無論電氣元器件和機械部分零部件的故障發(fā)生率都大大降低，減少了壓空系統(tǒng)更換零部件的費用和工時費。

圖1 系統(tǒng)結構圖

1.4 變頻系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

本單位更換的高壓變頻系統(tǒng)為高-高電壓源型變頻調(diào)速系統(tǒng)，直接通過旁路柜高壓輸入，經(jīng)過移相變壓器和功率模塊后高壓輸出。電源側采用移相整流技術，使公司輸入電網(wǎng)側高次諧波污染小，提高了電網(wǎng)功率因數(shù)，符合國家GB14549-93標準和國際IEEE std519-1992電能質(zhì)量標準對電壓、電流諧波失真度的要求?？刂葡到y(tǒng)采用PLC 控制器控制，有強大的自診斷功能，能對功率模塊和系統(tǒng)所發(fā)生的故障類型及部位進行顯示，也能遠傳報警，便于系統(tǒng)的運維。具有就地啟動和遠方監(jiān)測功能。變頻系統(tǒng)變頻柜、功率柜、控制柜自帶冷卻風機，系統(tǒng)啟動時風機先啟動，保證了散熱要求，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性[2]。

1.5 變頻系統(tǒng)實現(xiàn)的保護

每個功率模塊帶輸入熔斷保護功能。系統(tǒng)帶有過電壓保護：如超過額定電壓的110%，則保護停機；過電流保護：超過高壓電動機額定電流的120%，則保護停機；缺相保護：缺相保護設置在電源側上。當輸入電源缺相則保護停機；過熱保護：分設兩重保護，在變壓器柜內(nèi)設置溫度傳感器檢測，當系統(tǒng)安裝位置環(huán)境溫度超過預先設定值時發(fā)報警。另外在主要整流變壓器繞組內(nèi)部和功率模塊內(nèi)置鉑電阻檢測溫度，一旦超過系統(tǒng)設定溫度（變壓器130℃、功率器件70℃）則保護停機；接地保護：系統(tǒng)輸出側裝配有精準的電壓檢測裝置，正常運行時三相輸出相電壓UA+UB+UC=0，一旦發(fā)生輸出單相接地故障三相輸出相電壓之和不為零，準確檢測輸出電壓的變化，通過內(nèi)部比較電路將故障信號報警，系統(tǒng)立即保護停機[3]?？諌簷C變頻改造需要考慮旁路功能,從而確保最高的運行可靠性,旁路功能參考如圖2。

圖2 旁路功能

1.6 系統(tǒng)調(diào)試

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：內(nèi)置PID 調(diào)節(jié)器可調(diào)節(jié)壓力的設定值，變頻系統(tǒng)將根據(jù)被控壓空系統(tǒng)的實際值，按照PLC 控制器設定的PID 參數(shù)自動調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制高壓電動機的轉(zhuǎn)速，使被控壓空系統(tǒng)的實際值自動跟隨設定值，保證壓空系統(tǒng)供氣壓力的穩(wěn)定；高壓電動機的變頻啟動。能降低啟動時大電流對電網(wǎng)的沖擊，可通過PLC 控制器控制啟動時的緩慢加速，從而減少對設備電氣部件及機械部件的沖擊；系統(tǒng)壓力的恒壓控制。根據(jù)系統(tǒng)壓力變送器的壓力反饋自動調(diào)節(jié)高壓電動機的轉(zhuǎn)速，提供恒定的壓力輸出，使壓空系統(tǒng)的輸出壓力與用戶用氣點需求壓力相匹配。輸出氣量隨高壓電動機頻率調(diào)節(jié)而改變，輸出壓力變化可保證在0.01公斤的精度。

智能控制系統(tǒng)：變頻系統(tǒng)具有斷電維持功能。短時間掉電（10秒內(nèi)），維持壓空系統(tǒng)運行；掉電停機功能。當電網(wǎng)掉電后系統(tǒng)停機，當電網(wǎng)恢復供電系統(tǒng)不能自動啟動、仍處于停機狀態(tài)，需通過操作人員實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動；自動調(diào)度功能。操作人員可在變頻系統(tǒng)后臺報表內(nèi)填寫壓力數(shù)據(jù)，變頻器可依據(jù)PLC 控制器安排，在需要時間段內(nèi)，按照系統(tǒng)設定自動工作在需求模式、需求速度下，方便系統(tǒng)實現(xiàn)按需供氣；無憂切換功能。變頻器輸出可和電網(wǎng)同步，實現(xiàn)工頻無擾切換功能。某空壓站兩套高壓變頻系統(tǒng)經(jīng)分別調(diào)試后，達到設計功能，滿足使用要求。

2 某空壓站變頻改造后節(jié)能情況

某空壓站高壓變頻系統(tǒng)調(diào)試成功后穩(wěn)定運行半年。

變頻改造前其壓空系統(tǒng)內(nèi)運行的空壓機存在不是滿負荷的運行，也就是說空壓機的運行方式為本機的調(diào)節(jié)模式，此種模式是為恒壓設計的，從能耗角度來講空壓機的調(diào)節(jié)模式比加卸載方式要耗能。所有空壓機的運行都是靠自身的壓力反饋實現(xiàn)控制的，而空壓機自身運行設定壓力也有0.8Bar 左右的壓力帶，是犧牲了能耗來達到的。圖3中紅色線為Mod 模式、即調(diào)節(jié)模式，其負荷變化在70%～100%之間變化，而氣量為0～100%變化。空壓站有美國英格索蘭生產(chǎn)的MH350-2S 空壓機15臺，平時運行情況為白天8～10臺，平均9臺，晚上用氣量較小，平均5臺左右，各機器運行模式為Mod 調(diào)節(jié)模式空壓站的運行情況如下：

圖3 改造前后節(jié)能情況

負荷比例在80%～90%；所有機器運行電流在22～24A，平 均23A 左 右，電 壓 為10kV， 以23A計算單臺的耗電情況：單機負荷23×10000×0.90×1.732=358kW，白天運行的9臺的時間按照12小時計算，晚上5臺運行也按照12小時計算，單位天里耗電為9×358×12+5×358×12=38664+2 1480=60114kWh，折合人民幣（按照0.75元/度）為45000元左右。年耗電按照330天計算，大約為1983.8萬kWh，折合人民幣1487.8萬元。

變頻改造后可實現(xiàn)空壓機的氣量從60%～100%進行調(diào)整，如以65%計算，那單臺的負荷為額定的65%，基本上為232kW 左右，單臺就可以節(jié)約每小時126kW，2臺為252kW，每天運行方式改為白天運行2臺改造后的機器，晚上運行一臺改造后的機器，運行方式各分配12小時，則每天大概可節(jié)約電能4536kWh，折合人民幣3402元。如按照每年330天運行，折合每年大概節(jié)約人民幣112.26萬元。運行及修理人員相應減少，設備修理頻次降低，因此運維人工費及備品備件費每年節(jié)約估算為10萬元。

通過的系統(tǒng)測試、計算和分析，得到如下數(shù)據(jù)（602a 空壓站）：系統(tǒng)平均壓力7.5（實際不低于7.0）Barg，每年系統(tǒng)運行330天，電費電價0.75元/kWh，當前年能耗估計值1983.8萬kWh，年電耗估計總成本1487.8萬元，年電耗節(jié)約估計值112.26萬元，年修理人工費和備件費估算10萬元，總節(jié)約值122.26萬元。

綜上，對某空壓站進行變頻改造，既節(jié)能降耗、符合國家的產(chǎn)業(yè)政策，又能延長設備使用壽命、減少設備維護量，保障全廠壓縮空氣的供應，提高供氣品質(zhì)，為單位的科研生產(chǎn)保駕護航。