李 偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037031）

1 永定莊煤業(yè)公司礦用空氣壓縮機(jī)應(yīng)用情況

目前晉能控股煤業(yè)集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司地面安裝了3 臺JN250-8 型空氣壓縮機(jī)和1 臺LGS100/8.5G螺桿式空氣壓縮機(jī)，其中JN250-8 型空氣壓縮機(jī)電機(jī)功率為250 kW，流量為46.55 m3/min，風(fēng)包容積4 m3，加載壓力0.7 MPa，卸載壓力0.78 MPa，安全閥開啟壓力0.8 MPa，冷卻方式水冷；另1 臺為LGS100/8.5G型螺桿式空氣壓縮機(jī)，電機(jī)功率2×280 kW，雙電機(jī)帶動運(yùn)轉(zhuǎn)，排風(fēng)量為100 m3/min，額定電壓6000 V。

電源來自6 kV 開閉所210 和213 電源柜。監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要對壓風(fēng)機(jī)各部溫度、排氣、壓為、電壓、電流、冷卻系統(tǒng)及安全回路進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控。冷卻方式采用水冷[1]。

根據(jù)礦用空氣壓縮機(jī)工作性質(zhì)，所有壓縮機(jī)必須24 h 正常工作，由于壓縮機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生大量熱量，特別在夏季壓縮機(jī)產(chǎn)生熱量后會造成機(jī)身發(fā)熱現(xiàn)象，導(dǎo)致壓縮機(jī)出現(xiàn)停機(jī)報(bào)警故障，對此對空氣壓縮機(jī)安裝了1 套余熱回收系統(tǒng)，通過余熱回收系統(tǒng)將空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行回收，將回收的熱量一部分對職工澡堂進(jìn)行供熱，另一部分對井下進(jìn)行供熱，同時(shí)降低了空氣壓縮機(jī)機(jī)身溫度，保證了壓縮機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)

空氣壓縮機(jī)主要采用以PLC 為核心的自動控制系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分組成?？諝鈮嚎s機(jī)采用的自動控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對空氣壓縮機(jī)各項(xiàng)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、在線控制以及各設(shè)備之間互通等，從而提高空氣壓縮機(jī)自動化控制水平，空氣壓縮機(jī)自動化控制系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

圖1 礦用空氣壓縮機(jī)自動控制系統(tǒng)控制原理

2.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)部分

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括攝像儀、傳感器、交換機(jī)、硬盤錄像機(jī)等部分組成，實(shí)時(shí)監(jiān)測上位機(jī)運(yùn)行參數(shù)等；通過監(jiān)控系統(tǒng)可將空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、工作壓力。機(jī)身溫度等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至交換機(jī)上，并通過顯示屏將信息集中顯示在控制平臺上，同時(shí)將數(shù)據(jù)信息存儲在硬盤錄像儀上。

2.2 控制系統(tǒng)部分

1）空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)主要由PLC 控制柜、上位機(jī)、變頻器、低壓啟動柜以及傳感器組等部分組成，PLC 是空氣壓縮機(jī)核心部件，主要用于對空氣壓縮機(jī)各類參數(shù)進(jìn)行收集、轉(zhuǎn)換以及發(fā)送等，收集信息主要包括空氣壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)置參數(shù)、故障參數(shù)、水泵、風(fēng)扇運(yùn)行參數(shù)等[2]。

2）PLC 控制柜可將上位機(jī)下發(fā)的指令進(jìn)行解析，然后對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制，如控制平臺啟動系統(tǒng)冷卻泵以及風(fēng)扇時(shí)，PLC 控制柜接收指令后及時(shí)對設(shè)備開關(guān)進(jìn)行聯(lián)鎖送電控制，從動冷卻水泵及風(fēng)扇。

3）PLC 控制柜與上位機(jī)之間主要采用TCP 和IP兩種通信協(xié)議將收集的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)上傳至控制平臺內(nèi)；PLC 控制柜與低壓啟動柜和變頻器之間主要采用CAN 總線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

4）傳感器組主要包括空氣壓縮機(jī)流量傳感器、壓力傳感器以及溫度傳感器等，各類傳感器安裝在機(jī)身指定位置；PLC 控制柜周期性采集傳感器收集的數(shù)據(jù)，并通過A/D、濾波等進(jìn)行轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)邏輯控制[3]。

5）PLC 控制柜對空氣壓縮機(jī)采用變頻控制模式，空氣壓縮機(jī)啟動后PLC 控制柜對壓力傳感器收集數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，與空氣壓縮機(jī)設(shè)定壓力值進(jìn)行對比，并采用模糊PID 控制算法確保反饋值與設(shè)定值逼近，從而保證空氣壓縮機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。

3 空氣壓縮機(jī)余熱回收系統(tǒng)

3.1 余熱回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

3.1.1 換熱器選型

1）換熱器是余熱回收系統(tǒng)中重要組成部分，采用型號為KSD－27440 的板式換熱器裝置，該裝置規(guī)格為長×寬=205 mm×184 mm，換熱器傳熱系數(shù)在2200～5400 W/（m2·℃）范圍內(nèi)。換熱器工作時(shí)額定工作壓力為0.7 MPa，處理流量為8.5～14 m3/h。

2）KSD－27440 的板式換熱器體積及質(zhì)量小，安裝空間小，結(jié)構(gòu)相對緊密，所以在進(jìn)行熱交換時(shí)熱量損失小；同時(shí)該裝置采用雙層密封結(jié)構(gòu)且設(shè)置信號孔，一旦出現(xiàn)介質(zhì)泄漏時(shí)可通過信號孔及時(shí)將熱量排除，起到安全報(bào)警作用。

3.1.2 空氣壓縮機(jī)螺桿

為了確保空氣壓縮機(jī)具有緊湊結(jié)構(gòu)確保安裝余熱回收系統(tǒng)，對空氣壓縮機(jī)安裝了螺旋桿，有傳統(tǒng)空氣壓縮機(jī)未設(shè)置進(jìn)排氣閥門，所以空壓機(jī)在進(jìn)氣過程中只能通過調(diào)節(jié)閥開啟、關(guān)閉實(shí)現(xiàn)，若需安裝余熱回收系統(tǒng)時(shí)需對原空壓機(jī)進(jìn)氣口進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；而通過安裝螺旋桿后螺旋桿上的2 個(gè)轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動過程中主副轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生空隙，在此過程中齒槽內(nèi)氣體可自由流動，實(shí)現(xiàn)排氣動作；待所有氣體排出后新的空氣灌入齒槽中，螺桿在運(yùn)動時(shí)形成封閉空間，從而輔助空壓機(jī)吸氣動作[4]。

3.2 余熱回收系統(tǒng)工作原理

1）補(bǔ)水原理：當(dāng)空氣壓縮機(jī)余熱系統(tǒng)在工作過程中，內(nèi)部控制器及時(shí)檢測保溫箱內(nèi)的水位情況，若水位未達(dá)到設(shè)定位置時(shí)通過PLC 控制作用使電磁閥自動打開，直至保溫箱內(nèi)水位達(dá)到指定位置，補(bǔ)水完成后再次通過PLC 控制作用使電磁閥斷開，補(bǔ)水工序完成。

2）循環(huán)加熱原理：當(dāng)空氣壓縮機(jī)保溫箱內(nèi)水位到達(dá)最低水位時(shí)，箱內(nèi)控制器對保溫箱內(nèi)水溫進(jìn)行監(jiān)測，控制器設(shè)定臨界動作溫度為45～60 ℃，當(dāng)水溫低于45 ℃時(shí)空氣壓縮機(jī)內(nèi)循環(huán)泵開始工作，對水箱水進(jìn)行加熱；當(dāng)水溫達(dá)到60 ℃時(shí)，內(nèi)循環(huán)泵停止工作，停止加熱，同時(shí)通過控制作用打開電磁閥對水箱補(bǔ)水，直至到設(shè)定水位，如圖2 所示。

圖2 空氣壓縮機(jī)余熱回收系統(tǒng)工作原理

3.3 余熱回收系統(tǒng)控制特點(diǎn)

1）聯(lián)動控制作用：空氣壓縮機(jī)余熱回收系統(tǒng)無需獨(dú)立控制，當(dāng)空氣壓縮機(jī)啟動后余熱回收系統(tǒng)及時(shí)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)動控制作用，降低了勞動作業(yè)強(qiáng)度，達(dá)到了全天候啟動及無人值守的目的。

2）實(shí)時(shí)監(jiān)測：系統(tǒng)在運(yùn)行過程中能夠?qū)崟r(shí)對余熱回收系統(tǒng)各項(xiàng)物理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)可對余熱回收系統(tǒng)進(jìn)出口水溫、水箱內(nèi)水位、補(bǔ)水電磁閥工況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了自動化巡檢，無需人工干預(yù)，自動化水平高[5]。

3）系統(tǒng)保護(hù)功能：空氣壓縮機(jī)余熱系統(tǒng)具有完善的自我保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后及時(shí)發(fā)出警報(bào)，控制臺上故障報(bào)警燈亮起，當(dāng)余熱回收系統(tǒng)出現(xiàn)故障后回收系統(tǒng)停止工作，但是空氣壓縮機(jī)會繼續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.4 余熱回收系統(tǒng)功能特點(diǎn)

1）余熱回收系統(tǒng)中余熱回收機(jī)體積小、質(zhì)量小且工作效率高、導(dǎo)熱性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)系統(tǒng)中換熱器采用高錳鋼材質(zhì)，強(qiáng)度高，具有很強(qiáng)的耐壓性能及抗腐蝕性。

2）余熱回收系統(tǒng)采用冷水直熱方式，且通過自動控制系統(tǒng)控制，能夠?qū)崟r(shí)對系統(tǒng)運(yùn)行過程中各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)以及故障診斷等。

3）余熱回收系統(tǒng)安裝后無需安裝空氣壓縮機(jī)冷卻扇，杜絕了傳統(tǒng)冷卻扇冷卻時(shí)效率低、降溫差、故障率高等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了空氣壓縮機(jī)余熱回收利用的目的。

4）空氣壓縮機(jī)余熱回收系統(tǒng)在使用過程中只消耗部分電能，無需安裝其他輔助設(shè)備，投入成本費(fèi)用低，而且余熱回收系統(tǒng)安裝后提高了空氣壓縮機(jī)使用效率。

5）余熱回收系統(tǒng)與壓縮機(jī)采用獨(dú)立的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)投入使用不會改變空氣壓縮機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，如控制方式、工作特性以及操作模式等，而且當(dāng)余熱回收系統(tǒng)停止運(yùn)行后空氣壓縮機(jī)可繼續(xù)工作。

4 結(jié)論

1）余熱回收系統(tǒng)在回收熱能過程中可對空氣壓縮機(jī)進(jìn)行降溫處理，有效解決了傳統(tǒng)冷卻風(fēng)扇降溫時(shí)降溫效果差、能耗高以及冷卻系統(tǒng)故障率高等技術(shù)難題，可提高空氣壓縮機(jī)工作效率。

2）空氣壓縮機(jī)余熱回收系統(tǒng)回收后的熱量對職工澡堂、井下供暖，無需燃煤供暖，從而減少了燃煤過程中產(chǎn)生的有害氣體排放，同時(shí)降低了燃煤成本費(fèi)用。

3）通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，每臺空氣壓縮機(jī)余熱回收系統(tǒng)產(chǎn)生的熱水量達(dá)4.58 m3/h，每年可減少燃煤量達(dá)0.21 萬t，余熱回收系統(tǒng)工作時(shí)無需人工干預(yù)，從而減少了人工作業(yè)強(qiáng)度，全年可節(jié)約燃煤費(fèi)用、人工費(fèi)用達(dá)60 余萬元。