变频节能技术在空压站中的应用分析

钱建慧

（浙江新能量科技有限公司，杭州　310000）

变频节能技术在空压站中的应用分析

钱建慧

（浙江新能量科技有限公司，杭州310000）

空气压缩机是常见的供气设备，它是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备，广泛应用于喷涂、电子、纺织、机械、化工、橡胶等领域，是许多工艺流程中的核心设备。通常空压站由多台空压机组成，每台空压机都由一台电动机拖动，独立进行控制。随着企业的发展，对空压站自动化控制需求也逐步增强，但如何设计出既节能又安全的控制思路，是企业改造项目中的首要问题，因此将变频技术应用于空压站中是实现节能积极而有效的方法。

1　空气压缩机的使用现状

空压站在配备空压机时不仅要考虑满足当前生产的需求，还要考虑以后增容的可能，因此空压机配备的供气能力基本都大于实际的生产需求。而每台空气压缩机在出厂时都会配套相应的排气压力调节装置，其工作原理是当储气罐（风包）内空气压力超过设定的压力时，压缩机进气管上碟阀自动关闭，压缩机进入空转卸荷状态，当储气罐内的空气压力低于设定压力时，压缩机进气管碟阀自动开启，压缩机又进入到加载工作状态。空气压缩机的排气量和压力在运转中也不是不变的，常因工况变化导致用气量变化，所以空气压缩机工作时总是在重复加载—卸荷工作方式。这种机械式调节装置虽然也能起到压力调节作用，但是压力调节精度低，压力波动大。

在实际工作中，空压站按最大工作负荷而设计的，在满负荷运行状态下，不能排除空压机需要长时间加载过程运行的可能性，所以只能按最大需要来决定电动机的容量，设计余量偏大。同时由于企业生产有忙季、淡季之分，因此实际运行时所需的压力或流量并不固定。在用气量少时，启动1～2台机组，用气量大时，启动多台并联运行。在系统预设管网压力值，系统将自动根据预设的压力值的下限与上限进行自动的加载和卸载，用来满足用气量。

某轮胎生产公司空压站中配置有12台高压螺杆式空气压缩机，总装机容量为5 075 kW。其中常开空压机有7台，轮开有4台，备用1台。日均用气402 854 m3（即每分钟产气279.76 m3），高压螺杆式空压机的技术参数详见表1。

表1　螺杆式空压机的技术参数表

从设备运行情况看，常开空压机中有4台加载时间较长，因此负载率较高；有3台空压机加、卸载时间较接近，负载率为60%；剩余的几台空压机卸载时间远大于加载时间，且频繁变换加卸载的过程，负载率较低。目前该公司使用的多台空压机功率大，无法根据生产的实际用气需求自启动，且均采用传统的控制方式星-三角启动，启动加载瞬间冲击电流较大，有2～4倍的冲击电流，形成对电网和机械负载的冲击。当罐内压力上升达到设定压力时，空压机进入卸荷状态（关闭入气阀），不产生压缩气体，电动机处于空载运转，其用电量仍为满负载的30%～50%，还有空压机是大转动惯量负载。在频繁启动控制排气量时，对电网冲击大，能耗明显增加，这部分电能也被白白浪贾废掉。同时空压机本身不能调速，不能直接提供压力或流量的变动来调节空压机的输出功率，电动机频繁启动，导致在用气量少的时候电动机仍然要空载运行，电能浪贾巨大。

2　空压机运行特点

根据空压机的运行特性可知，空压机属于恒转矩负载，应选用通用型变频器。空压机选用变频器拖动的主要目的是按需要的用风量，合理调节供气压力的设定值，实现稳压节能运行。不仅使电动机实现软启软停，减小启动冲击，延长设备使用年限，同时由于电动机运行频率可变，实现了空压机根据用气量的大小自动调节电动机转速，减少了电动机频繁的加载和卸载，从而较大幅度减小了电动机的运行功耗，使得供气系统气压维持恒定，实现节能的目的。

按配套电动机额定功率选用相同容量的恒转矩变频器，变频器要有内置PID调节功能和4～20 mA或0～10 V模拟信号接口；使用地点的电压变动率要在变频器允许输入电压范围内。

3　空压站节能改造原理

流量是供气系统的基本控制对象，供气流量需要随时满足用气流量。在供气系统中，储气管中的气压能够充分反映供气能力与用气需求之间的关系：若供气流量＞用气流量，则储气管气压上升；若供气流量＜用气流量，则储气管气压下降；若供气流量=用气流量，则储气管气压不变，所以，保持管道中的气压恒定，就可保证该处供气能力恰好满足用气需求，这就是恒压供气系统所要达到的目的。变频恒压控制是将管网压力作为控制对象，装在储气管出气口的压力变送器将储气罐的压力转变为电信号送到系统，经过系统的计算后通过D/A转换成摸拟信号给变频器的PID调节单元，使空压站的拖动电机通过变频器输出相应的转速来控制压缩机的运行速度及台数，使实际压力与设定压力相等来达到恒压目的，实现供气的连续调节，保证管网压力稳定。变频恒压供气系统的整个控制过程如图1所示。

用气需求量增大→管路气压下降→压力设定值与返馈值的差值增加→PID输出增大→变频器输出频率变大→空压机电机转速提高→供气流量增大→管路气压趋于稳定。

图1　压力频率PID曲线图

变频恒压供气系统根据管网瞬时用气量的变化自动调节空压站中央空压机的转速和运转台数，使管网压力始终保持恒定的设定压力，从而达到了空压机的节能降耗和提高供气质量的目的，同时实现了控制过程的自动化，并且对空压机进行了超压、过载、过流、欠压等自动报警保护，此时变频器一旦出现故障，生产工艺不允许空气压缩机停机，系统可以设置工频与变频切换功能，这样当变频器出现故障时，可由工频电源通过接触器直接供电，使空气压缩机照常工作。空压站采取的变频恒压供气控制系统原理框图，如图2所示。

图2　恒压供气系统图

通过检测储气罐压力，实现系统的压力闭环控制，自动调节空气压缩机的转速和空气压缩机的运转台数。改造后的空压站控制系统由2个基本系统组成，即恒压变频调速系统和微机控制参数监测管理系统。系统工作时，压力变送器YB将总管压力P转变为电信号送入A/D与压力设定值P0比较，并根据差值的大小按给定控制模式进行运算，产生控制信号送变频调速器，通过变频器控制电动机的转速，再通过控制系统控制空气压缩机运行的台数，使实际压力P始终接近设定压力P0。在用气系统需一台空气压缩机运行时，单台空气压缩机变频运行维持恒压供风；当用气系统风量不足时，变频器运行频率升高为50 Hz（或当电动机运行速度接近工频速度时，通过自动延时转为工频运行），再启动另一台空气压缩机变频运行维持恒压供风，这样以此类推。多台空气压缩机都由变频器来启动，实现带载软启动，避免了启动冲击电流和启动给空气压缩机带来的机械冲击。系统循环带载软启动、循环停机的工作方式，实现了供气量的连续调节，保证了总管压力稳定。

4　改造后的效益

4.1经济效益

本系统利用恒压变频调速系统和微机控制参数监测管理系统实现多台空气压缩机的变频节能改造，为企业带来显著经济效益。

提高运行负荷率。有效杜绝“大马拉小车”的现象，优化了生产时的供气气压，使空压机的耗电大大降低。与上一年同期对比能耗下降8.95%。

节约空压机润滑油20%。采用变频调速后，空压机处于恒速运行，润滑油耗量变小，实现“低转速，低润滑”。与上一年同期对比能耗下降11.17%。投资回收期为6～8个月。

据监测数据显示：2013年空压站的月均耗电量1 546 315.5 kWh，2014年月均耗电量1407820.8kWh。2013年润滑油使用量为3.85 t，2014年使用量为3.45 t。

年收益为：138 494.7万元×0.75×12=116.33万元；润滑油为：0.4×9 000元=0.36万元。

4.2延长压缩机的使用寿命

变频器从低频启动压缩机，其启动加速时间可以调整，从而减少启动时对压缩机的电器部件和机械部件所造成的冲击，增强系统的可靠性，使压缩机的使用寿命延长。此外，变频控制能够减少机组启动时电流波动，这一波动电流会影响电网和其它设备的用电，变频器能够有效的将启动电流的峰值减少到最低程度。

4.3提高压力控制精度

变频控制系统具有精确的压力控制能力，使压缩机的空气压力输出与用户空气系统所需的气量相匹配。变频控制多台压缩机的输出气量随着电机转速的改变而改变，有效地提高了工况的质量。

4.4节约能源

变频器控制压缩机与传统控制的压缩机比较，能源节约是最有实际意义的，根据用气量需求来供给的压缩机工况是经济的运行状态。

这三大效益是对空压机运行系统进行节能改造后带来的，还不包括空压机节能改造中的余热回收改造所带来的效益，因此生产企业要降低生产成本，对空压机设备进行节能改造是必不可少的措施。D

（本栏责任编辑孙晶）

Application of frequency conversion energy saving technology in air compressor station

QIAN Jian-hui
（Zhejiang New Energy Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310000，China）

2014-11-04