1．问题的提出
空气压缩机是矿山生产的重要设备之一,它生产压缩空气,用以带动风动凿岩机、风动装岩机等设备以及其它风动工具,其耗电量约占全矿总电耗的8%～11% ,随着矿井的延深,耗电量还将进一步增加。空气压缩机气量的供求关系主要表现为排气压力的变化,当排气量正好满足生产用气量要求时,储气压力保持不变,但由于矿山生产用风量的不均衡,而装机容量需根据矿井最大用风量并留有余量设计,故实际运行中空气压缩机供风量远大于实际用风量。若空气压缩机仍恒速运转,则储气罐内的气体压力越来越大,当罐内压力上升达到设定压力时,一般采用两种办法:一种是空气压缩机卸荷运行,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% ～60% ,这部分电能被白白浪废掉;另外一种办法是停止空气压缩机运行,但将会带来电动机的频繁启动。空气压缩机的空载启动电流大约是额定电流的5～7倍,对电网及其它用电设备冲击较大,同时使空气压缩机的使用寿命也会缩短。为满足生产设备用气要求,储气罐内空气运行压力通常设为0. 55～0. 65MPa,目前大多数空气压缩机均采用切断进气的调节方式来改变排至储气罐的气量。随着电力电子技术的发展,目前最佳解决方案是对空气压缩机实行变频调速节能控制。为空气压缩机高效运行开辟了新途径。
2 变频调速的实现方案
(1) 改造前运行现状
平时运行时,由操作工每小时巡检一次各仪表指示,根据仪表指示的总管压力值做出判断,手动启、停空气压缩机。开车的工作通常是先关闭送气阀,打开放气阀,空气压缩机通过起动器启动,等电机的启动过程完成后关上放气阀,打开送气阀,空气压缩机开始工作。空压站的这种控制方式带来了许多问题。人工手动开关空气压缩机,使供气量无法连续调节,当用气量不断变化时,供气压力不可避免地产生较大幅度的波动,繁琐操作容易造成误操作致使设备损坏,同时人工开关空气压缩机对电网和空气压缩机有相当的冲击。
(2) 变频节能改造思路
选用与一台电机容量相当的金肯变频器轮换驱动两台空气压缩机,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两个基本系统组成,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转变为电信号送智能调节仪与压力设定值Po 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和控制系统,通过变频器控制电机的转速,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Po。在用风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;用风系统运行风量不足时,变频器运行频率升高为50Hz,原变频运行空气压缩机自动延时转为工频运行,变频器启动另一台空气压缩机变频运行维持恒压供风。两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) 改造后系统运行特点
1) 风压幅值变化小
由于该变频器是以压力控制的,即v / f保持恒值,使压力- 转数- 功率达到动态匹配,在设定的压力下稳定运行。实测使用变频运行时,其压力变化幅值为0. 034MPa即在设定压力为0. 5MPa时,其压力在0. 486～0. 52MPa区间变化。而工频运行时,在同样的条件下,其压力在0. 368～0. 523MPa区间变化,其变化幅值为0. 155MPa。因风压幅值变化小,使用风负荷稳定,供风质量好,生产效率高。
2) 噪音低
使用变频运行时,机房平均噪音为72dB (A) ,排气时机房噪音平均为81. 125 dB (A) ,不排气时机房噪音平均76. 625 dB (A) 。使用变频比使用工频运行排气时平均降低噪音9. 125 dB (A) ,不排气时
平均降低噪音4. 625 dB (A) 。由于噪音降低,改善了工作环境。
3) 操作简便
使用变频运行,只要按动起动按钮就可使设备运行。甩掉了传统的减荷阀控制,省去了繁琐的操作程序,同时,可实现两台电动机循环软启动,消除了电机起动时对电网大电流的冲击现象。
4) 节约空气压缩机润滑油40%
采用变频调速后,在空气压缩机低转速运行时,润滑油耗量也就变小,即所谓"低转速,低润滑"。以4L220 /3型空气压缩机为例,据统计测算,使用工频运行时,润滑油平均每小时用105g,而使用变频运行平均每小时有42g就够了。
5) 延长设备使用寿命
由于变频器V / f保持恒定值的优点,使之压力- 转速- 功率达到动态匹配,转数明显降低,一般情况在220～584 r /min之间,机械磨损减小,延长设备的使用寿命。
6) 提高运行可靠性
原电控系统与改造后电控系统可互为备用,提高了运行可靠性,同时各项保护措施更加完善。
3 节能效果分析
设Po 为现有空压站的压力设定值。系统改造前,因人工控制方式下送气量不能连续调节,为保证正常供气,须使压力在Po 附近上下波动。Pmax是最高压力值,当管网压力达到此值时,空压站关闭吸气阀使电机处于空转状态。Pmin是最低压力值,即能够保证用气设备正常工作的最低压力,当管网压力达到此值时,空压站重新开启吸气阀。一般情况下,Pmax、P0、Pmin之间关系可以用下式来表示:
Pmax = (1 + 2δ) Pmin
P0 = (1 +δ) Pmin
δ是一个百分数,其数值大致在15% ～30%之间,即15% ≤δ≤30%。改造后,系统可连续调节供气量使管网压力恒定,因此,可将压力设定在能满足设备用气的最低压力值Pmin附近。改造后系统所节约的能量主要分析为:
(1) 超过Pmin的压力所消耗的能量
改造后空气压缩机对气体所做的功可以表示为W = Pmin ×Qmin ,可以假设改造前压力常年工作在P1附近,此时空气压缩机所做的功可以表示为:
W1 = ( Pmin +ΔP) (Qmin +ΔQ),式中的ΔP =δPmin、ΔQ ≈ Qo - Qmin ,若假设系统改造前、后的管网的情况和用气的工况不变, P -
Q之间的管阻曲线是一条二次曲线,通常情况下可以用直线来表示。则系统改造后的节能率η可以表示为:
η = (W1 - W ) /W1=1 - W /W1
由计算可知,节能率η的值可达相应δ值的一倍以上,因此超压部分的节能潜力很大。
(2) 调节方法不合理所消耗的能量
通常情况下,当压力达到Pmax时,空气压缩机通过关闭吸气阀使电机空转调节排气量,但空气压缩机在空转中还是带动活塞做往复运动,此时的能耗约占空气压缩机满载运行时的30% ～50%,将这部分能量节省下来的数量,也相当可观。
(3) 电机起动时所消耗的能量
空气压缩机是大转动惯量负载,电机空载起动时所需的功率大致相当于电机满载运行时所消耗功率的2～3倍,时间约为1min,这部分能耗在大多数空压站中不占主要部分,在某些靠频繁起动来控制排气量的空压站时,这部分能耗就显得很大。
4 结语
本系统利用一台变频器实现多台空气压缩机的变频节能改造,在降低投资的同时实现最佳节能效果,既降低开机、停机时瞬间电流冲击对电气和机械设备的影响,又提高了设备运行的可靠性，系统至今运行十分正常,满足了生产的需要,达到了预期节能效果。根据节能测试:采用空气压缩机恒压控制变频调速系统平均每天节电量５３kWh。按照年工作日350天计,则采用恒压控制变频调速系统每年可节电１８５５０kWh,按照现行电价0.85 元/kWh计,每年可节约电费1.6万元,两年内即可收回全部投资。该系统应用的成功为活塞式空气压缩机的节能运行提供了重要的新手段,对于企业节能降耗,提高企业经济效益有重要意义,有广阔的推广应用前景。