摘 要: 本文介紹了空壓機(jī)的工作情況,運(yùn)用科陸CL2700高壓變頻器對(duì)空壓機(jī)的改造,節(jié)能效果明顯.
一、 引言
空壓機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛地應(yīng)用。它擔(dān)負(fù)著為所有氣動(dòng)元件,包括各種氣動(dòng)閥門,提供氣源的職責(zé)。因此它運(yùn)行的好壞直接影響生產(chǎn)工藝。空壓機(jī)的種類主要有活塞式、螺桿式、離心式,但其供氣控制方式幾乎都是采用進(jìn)氣口調(diào)節(jié)與加、卸載控制方式的控制模式。
首先來了解一下空壓機(jī)的基本工作原理?諌簷C(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長,配備的功率大。以活塞式空壓機(jī)為例,在空壓機(jī)工作過程中,活塞在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng),周期性地改變缸內(nèi)的容積,從而使氣缸內(nèi)氣體容積發(fā)生變化,并與氣缸內(nèi)氣閥相應(yīng)的開啟和閉合動(dòng)作相配合,通過吸氣、壓縮、排氣等動(dòng)作,將自然氣體或較低壓力的氣體(一級(jí)缸氣體)升壓,最終輸出到儲(chǔ)氣罐內(nèi)。為了滿足設(shè)備的用氣需求,儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體必須保持一定的壓力,以作緩沖作用,加上設(shè)備自身的原因,空氣壓力變化幅度必然很大,通常采用切斷進(jìn)氣的調(diào)節(jié)方式來改變排氣量。理想狀態(tài)是供氣壓力剛好滿足需求,保持壓力不變,實(shí)際上通過進(jìn)氣門控制起來不太理想,通常是空壓機(jī)排氣量大于實(shí)際用氣量,空壓機(jī)保持恒速運(yùn)轉(zhuǎn),此時(shí)儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體越積越多,直到壓力上升到設(shè)定的最高壓力。通常采取以下兩種方法解決高壓問題:一是使空壓機(jī)卸荷運(yùn)行,保持運(yùn)轉(zhuǎn)但不產(chǎn)生氣體,此時(shí)空壓機(jī)消耗的功率一般在額定功率的30%左右,全是無用功;二是停止空壓機(jī)的運(yùn)行,這樣看起來是節(jié)約了電能消耗,但是大功率電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)會(huì)帶來諸多問題,而且空氣儲(chǔ)存的容積有限,當(dāng)氣壓低于下限壓力值時(shí),空壓機(jī)再次以額定轉(zhuǎn)速給儲(chǔ)氣罐加壓,直到壓力達(dá)到上限壓力而停止運(yùn)行,如此循環(huán),如圖1所示

圖1 空壓機(jī)的循環(huán)運(yùn)行圖
二、空壓機(jī)加、卸載供氣控制方式存在的電能浪費(fèi)
2(1)交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為:
n=60f(1-s)/p
其中 n—電機(jī)轉(zhuǎn)速 f—運(yùn)行頻率;
p—電機(jī)極對(duì)數(shù) s—轉(zhuǎn)差率;
2(2) 空壓機(jī)加、卸載供氣控制方式存在的問題
2.1 能耗分析
加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在Pmin~Pmax之間來回變化。Pmin是最低壓力值,即能夠保證用戶正常工作的最低壓力。一般情況下,Pmax、Pmin之間關(guān)系可以用下式來表示:
Pmax=(1+δ)Pmin
δ是一個(gè)百分?jǐn)?shù),其數(shù)值大致在15%~30%之間。
在加、卸載供氣控制方式下的空壓機(jī),所浪費(fèi)的能量主要在2個(gè)部分:
(1) 加載時(shí)的電能消耗
在壓力達(dá)到最小值后,原控制方式?jīng)Q定其壓力會(huì)繼續(xù)上升直到最大壓力值。在加壓過程中,一定要向外界釋放更多的熱量,從而導(dǎo)致電能損失。另一方面,高于壓力最大值的氣體在進(jìn)入氣動(dòng)元件前,其壓力需要經(jīng)過減壓閥減壓,這一過程同樣是一個(gè)耗能過程。另外,空壓機(jī)本身通過檢測(cè)壓力,自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣門,一部分能量消耗在進(jìn)氣門上。
(2) 卸載時(shí)電能的消耗
當(dāng)壓力達(dá)到壓力最大值時(shí),空壓機(jī)通過如下方法來降壓卸載:關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài),同時(shí)將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調(diào)節(jié)方法要造成很大的能量浪費(fèi)。據(jù)我們測(cè)算,空壓機(jī)卸載時(shí)的能耗約占空壓機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)的10%~25%(這還是在卸載時(shí)間所占比例不大的情況下)。換言之,該空壓機(jī)20%的時(shí)間處于空載狀態(tài),在作無用功。很明顯在自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣門與加卸載供氣控制方式下,空壓機(jī)電機(jī)存在很大的節(jié)能空間。
2.2 其它不足之處
(1)靠機(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),供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)。用氣精度達(dá)不到工藝要求。再加上頻繁調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥,會(huì)加速進(jìn)氣閥的磨損,增加維修量和維修成本。
(2) 頻繁采用打開和關(guān)閉放氣閥,放氣閥的耐用性得不到保障。
電機(jī)型號(hào):Y450-2
功率因數(shù):0.87
額定電壓:10KV
額定電流:35.1A
額定功率:500KW
額定轉(zhuǎn)速:2975rpm
空氣壓縮機(jī)
額定流量:120 m3/min
額定壓力:0.3MPa
控制模式:PID恒壓控制
針對(duì)原有供氣控制方式存在的諸多問題,采用深圳科陸變頻器有限公司 CL2700系列高壓變頻調(diào)速器對(duì)上述空壓機(jī)進(jìn)行恒壓供氣控制。采用這一方案時(shí),我們可以把管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)象,壓力變送器將儲(chǔ)氣罐的壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送給PID智能調(diào)節(jié)器,與壓力設(shè)定值P0作比較,并根據(jù)差值的大小按既定的PID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,通過變頻器控制電機(jī)的工作頻率與轉(zhuǎn)速,從而使實(shí)際壓力P始終接近設(shè)定壓力P0。同時(shí),該方案可增加工頻與變頻切換功能,并保留原有的控制和保護(hù)系統(tǒng),另外,采用該方案后,空壓機(jī)電機(jī)從靜止到旋轉(zhuǎn)工作可由變頻器來啟動(dòng),實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng),避免了啟動(dòng)沖擊電流和啟動(dòng)給空壓機(jī)帶來的機(jī)械沖擊。

在以上PID恒壓控制模式下,我們根據(jù)用戶現(xiàn)場的需要,把壓力設(shè)定值P0設(shè)定為0.25 Mpa,當(dāng)用戶生產(chǎn)用氣量加大,管網(wǎng)壓力低于0.25 Mpa時(shí),變頻器輸出頻率增加,電機(jī)轉(zhuǎn)速加快,空氣壓縮量增大,壓力隨之上升;當(dāng)生產(chǎn)用氣量減少,管網(wǎng)壓力高于0.25 Mpa時(shí),變頻器輸出頻率減小,電機(jī)轉(zhuǎn)速減慢,空氣壓縮量減小,壓力隨之下降,始終使壓力保持在0.25Mpa左右。
四、 改造效益
4.1 工頻運(yùn)行參數(shù)測(cè)量
電機(jī)運(yùn)行參數(shù):電壓:10KV, 有功功率385KW,年運(yùn)行時(shí)間約7200小時(shí),電費(fèi)0.8元/度;
空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù):進(jìn)口閥門開度40%,出口閥門開度100%,出氣口壓力:0.25MPa。
4.2 變頻運(yùn)行參數(shù)測(cè)量
電機(jī)運(yùn)行參數(shù):運(yùn)行頻率46HZ, ,有功功率330KW,年運(yùn)行時(shí)間約7200小時(shí),電費(fèi)0.8元/度;
空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù): 進(jìn)口閥門開度80%,出口閥門開度100%,出氣口壓力0.25 Mpa。
4.3 經(jīng)濟(jì)效益
節(jié)約電功率:385-330=55(kW)
節(jié)電率:(385-330)÷385=14.28%
每年節(jié)約電能:55×7200÷10000=39.6(萬度)
每年節(jié)約電費(fèi):39.6×0.8=31.68(萬元)
4.4 附加經(jīng)濟(jì)效益
1) 解決壓力波動(dòng)幅度大,提高精度。
2) 解決閥門磨損成本和降低維修量。
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