高效节能空压机系统改造方案研究

王 郑 郑烯睿 郑建强

1.引言

近年来，空气压缩系统在钢铁工业生产中应用广泛，然而，传统的空压机存在巨大的能源消耗问题。空压机卸载运行时的能耗严重，其负载率约为66%，而卸载运行功率仅为满载时的20%～40%。因此卸载运行所消耗的电能约占系统总能耗的9%～18%，能耗浪费情况非常严重。此外，空压机组自动化程度低，噪声大，当用气量不断变化时，传统的空压机组依靠频繁加/卸载来调节供气量，调节速度慢、精度低，且输出压力波动大又供压不稳。此外，空压机电机启动电流相当大，一般为其额定电流的5～7倍，在启动电流冲击下，电机磨损加剧，并且频繁地加/卸载，致使空压机部件不断地重复动作，部件磨损严重易老化，并对电网的安全稳定运行构成威胁。因此，空压机节能已成为行业研究的重点。

2.空压机节能方案

2.1 变频调速技术

在空压机系统中，可以通过安装一个频率可调的变频器，在交流电机和电网之间来实现调节系统压力的目的。这种变频调速技术可以根据末端压力的变动，改变电动机的工作频率，从而有效提高空压机轻载运行状态下的工作效率。对于使用相同型号空压机的空压站，如果想要达到节电的目的，只需要将其中一台空压机改造成变频机，配合其他普通空压机使用即可（见图1）。

图1 调速度控制示意图

2.2 多机组联控技术

使用PLC集成控制系统可以监控多台空压机，实时监测末端用气量，并自动分配所需空压机数。在低用气量或者低压力要求时，分配1台变频空压机，通过变频技术调节转速控制供气量和压力；当工况要求用气量超过变频空压机能力时，系统则会自动分配一台普通空压机运行，如果通过变频空压机进行变频技术调节仍然达不到要求时，系统会继续分配一台普通空压机加入运行，直到满足要求；同理当供气量或压过剩时系统则会减少相应的普通空压机。

2.3 用高效电机替换存量普通效率电机

采用高效电机替代和变频调速技术相结合。高效电机替换仅仅是替换空压机配套的电机，因此需要选择安装空位和尺寸、底座高度尺寸一致的高效电机替换，如果安装尺寸符合要求，施工不存在技术难点。如果采用高效电机再制造技术，可将原电机拆回，替换绕组、轴承、润滑系统和风扇等制成高效电机，最后再装回原空压机。由于高效电机再制造时仅更新內部，外壳不改变，因此安装尺寸影响不大。

2.4 余热回收技术

如果空压机的热量没能及时转移，这样就会导致空压机的温度升高，并且功率消耗会更大，甚至还有可能造成空压机损坏。为了避免这些问题，从节能环保的角度出发，我们可以加装一个余热回收装置在空压机的回收装置中，从而实现对能源的循环利用。

2.5 智能监控

监控系统分为三个层次：数据采集终端（以每个空压机用户的联控柜为一个采集点），数据传输终端，监控中心（Web、数据库以及相关等服务器组成）。

3.基于云平台空压机智能状态监控系统

3.1 整体方案

该系统采用SCADA技术，可实现空压机的智能监控及故障诊断。远程数据采集模块通过互联网和数据库技术，监测空压机的压力、温度、电流、流量等参数，实时记录、报警和诊断故障。传感器接入远程数据采集模块下位机，下位机将监测参数通过ModBus Tcp通信协议传入上位机监控软件，生成统计分析报表及趋势分析，并将故障数据传输至故障诊断中心，实现远程故障分析。该系统支持PC端和手机端监控，并具有报警功能、趋势分析功能和历史数据查询功能。远程采集模块采用网络通信，利用ModBus Tcp网络协议，第一时间将故障数据传输至诊断中心，实现远程故障分析及诊断。该系统采用SQL Sever作为数据库，它不光能数据记录并且它处理速度快，数据存储量大、易于移植，并且采用模块化开发，便于后续扩展更多空压机系统。

3.2 技术路线

根据实际需要，确定相关的温度、电量以及压力为主要的系统参数，采用温度、电量、压力传感器进行采集，通过变送器转换为正负5V或者4～20mA的PLC标准输入信号,并采用屏蔽电缆传递信号。

（1）温度监控。压缩机在工作过程中，温度参数的控制十分重要。其中吸排气温度、冷却水温度和润滑系统温度是最关键的参数。根据工程热力学理论，等温压缩工况下的循环功最少。尽管实际工况无法完全达到等温压缩，但为了实现节能，必须尽可能确保压缩过程接近等温压缩。为了实现这个目标，系统需要采集各台压缩机每级的吸排气温度和冷却水温度，并在PLC中编写控制程序。一旦发现冷却效果出现偏差，就需要调节冷却水的流量，以保持压缩过程接近等温压缩。同时，采集润滑系统的温度也是非常重要的，这可以确保润滑系统正常工作，避免润滑故障。一旦发现润滑故障，系统会通过声光报警装置发出报警提示，及时处理故障，确保生产的正常运行。

（2）电参数监控。电参数是指空压机在运行过程中所涉及的电气特性参数，如电压、电流、功率等。这些电参数的测量和监测可以反映出空压机的基本运行状态，帮助操作人员及时发现运行异常情况，进行维修和保养。此外，相关的电参数也被编入了程序，通过对电参数的监测和控制，可以避免一些误操作，保证空压机的安全性和可靠性。例如，在空压机的自动化控制系统中，电参数可以被用来判断设备是否处于正常运行状态，如电流过载、电压不稳定等异常情况，从而采取相应的措施，保障设备和工作人员的安全。因此，电参数的监测和控制对于空压机的正常运行和安全性具有重要作用。

（3）压力监控。压力参数是指在压缩空气系统中需要关注的一些关键指标，主要包括空压机各级吸排气压力、储气罐的压力以及冷却水管路的压力。其中，储气罐的目标压力需要根据实际风动力需求量进行调整。当需要大量压缩气体时，就需要将储气罐的储气压力设定为一个较大的值，通过控制空压机的运行台数和变频器来跟随储气罐的压力设定值进行调节。而当压缩气体需求较小时，就需要将储气罐的储气压力设定为一个较小的值。不过，需要注意的是系统要求储气罐的压力不得超过设定值，一旦超限就需要发出警报并调节变频器和机器的运行台数。此外，采集冷却水管路的压力也是很重要的，其目的是确保冷却系统不断水。因为在空气压缩过程中，需要通过冷却系统将产生的热量散发出去，否则就会导致空压机过热而出现故障。因此，通过监测冷却水管路的压力，可以确保冷却系统正常运行，提高空压机的稳定性和可靠性。

（4）振动监控。通过监控振动值并进行频谱分析确定故障部位及原因。

4.结论

空压机节能问题是行业内研究的重点，已有多种技术方案。基于云平台的高效节能空压机系统，是一种高效节能空压机系统闭环控制系统。该系统采用智能状态监控技术，针对空压机在运行中的关键参数进行监控，可以实现空压机系统的高效、智能、环保运行。

参考文献略