变频技术在空压机的应用 本文关键词：变频，空压机，技术
变频技术在空压机的应用 本文简介：摘要：在生产过程中，空压机因为生产提供空气动力而显得十分重要，但长时间工作过程中，其存在工作效率低、耗电量大、电能浪费严重等问题，这不仅不符合当下绿色低碳环保的主题，更不利于生产行业的发展。变频技术是目前广泛应用在电器领域的有利于提高电器工作效率、减少设备空耗的一项节能技术，将变频技术应用在空压机领
变频技术在空压机的应用 本文内容：
摘要：在生产过程中，空压机因为生产提供空气动力而显得十分重要，但长时间工作过程中，其存在工作效率低、耗电量大、电能浪费严重等问题，这不仅不符合当下绿色低碳环保的主题，更不利于生产行业的发展。变频技术是目前广泛应用在电器领域的有利于提高电器工作效率、减少设备空耗的一项节能技术，将变频技术应用在空压机领域，能够实现空压机节能，同时还能改善空压机的性能和品质。本文主要讨论的是变频技术在空压机领域的应用。
关键词：变频技术；空压机；应用
1空压机概述
1.1空压机工作原理及压力控制方式
空气压缩机简称空压机，其在实际生产中常见的类型有容积型和动力性：容积型主要是依靠改变气体容积提高气体压力，主要有活塞空压机、回转式空压机、滑片式空压机等；动力性空压机是由高速旋转的叶片带动气体加速，将速度转化为压力，主要有离心式空压机、轴流式空压机、混合流式空压机等。活塞式空气压缩机通过接入电源，驱动压缩机运动，先启动曲轴旋转，带动连杆进行活塞运动，通过活塞改变气缸容积，产生压力变化，而空气通过进气阀进入气缸，压缩过程中空气经过排气阀进入储气罐，然后通过排气压力达到额定压力控制是否启动。依据空压机的工作原理可知，目前空压机控制压力主要是通过两种方式：①利用接通电源与否频繁启动、停止来调节压力，主要是根据管路内压力大小，控制启停状态，这种控制方式简单、成本低，只适用于小功率电机驱动。②利用压力气阀控制，当管路压力达到设定的额定压力上限就关闭进气阀，当压力达到额定压力下限则打开进气阀，这种控制方式相对比第一种，避免了频繁的启停，适用于大功率电机驱动。
1.2空压机存在的问题
1.2.1运转效率低、能耗大空压机造成能源浪费的主要原因有：①储气罐压力需要从额定下限上升到额定上限，这个爬升过程需要消耗大量电能，在达到额定上限后保持恒定压力也需要持续提供电力；②在压缩空气使用过程中，用气端设备随时不确定的增减，导致系统压力波动很大，空压机频繁启停带来的加卸载运行模式导致运行过程中空载能耗的产生。经调查统计，在使用空压机的企业中，绝大部分的企业空压机都存在着不同程度的空载浪费，有的空载率10-20%，高的30-40%；③末端设备用气压力低，压缩空气管路内的压力需通过减压阀进行减压，这个过程也造成能源浪费。1.2.2噪声大空压机高速运转及气阀作业均能产生较大噪声。1.2.3寿命短、故障频繁空压机管路压力变化大，频繁的启停对电网冲击大及持续性高速运转都会造成空压机故障率增加、减少寿命。
2变频技术应用的优点
2.1变频技术概述
变频技术是通过变频器调节设备的频率。变频器主要是通过交流、直流电源转换的原理，利用电子和微计算机控制，实现变频。变频器可以控制设备的输出频率，将变频器接入空压机的电源接口，就能够通过输入的频率变化来控制空压机的转速，从而控制空压机运行状态，达到节能运行的目的。
2.2变频技术的优点
2.2.1冲击性较小通过对比普通空压机和变频空压机，很明显的特征就是变频空压机机械冲击变小。2.2.2变频技术更加节能空压机的转速与电源频率成正比，改变频率能够改变电机转速，进而改变空压机的排量，加入变频技术的空压机通过压力闭环，使得系统保持恒定的压力，当压力降低时，电网的电能也会下降，达到节约能源的效果。2.2.3空压机调节压力更准确传统的空压机压力波动大，虽然设有压力上限和下限，但是时常达到限度值时并没有停止变化而造成浪费，而应用了变频智能控制的空压机则通过变频调整，使得压力保持恒定。2.2.4降低噪音变频技术加入后，电机运转速度变恒定，从根本上降低了噪声的产生。
3空压机领域变频技术的具体应用———变频技术+实时智能监控系统组合应用
变频技术应用在空压机中，主要是接入变频控制器，通过控制电动机的转速，进而控制空压机的出风量，接入系统如图1。变频控制器控制输出频率，从图1可知，先进行压力设定，通过PID调节计算出变频控制器需要输出的频率，再依据计算出的频率进行调节，使得异步电动机得到相应的转速，并且达到管路压力时，实现空压机压力恒定控制，管路压力启动时压力波动较大，待转速恒定后，压力也实现恒定。传统的空压机并没有实时智能监控系统。为提高空压机的运行效率和减少故障率，增加空压机实时监控系统显得十分必要。实时监控空压机运行状态的参数较多，主要有机体温升、冷却水量及压力、润滑油量等。机体温升能够反映空压机运行是否出现故障，监测方法主要是利用冷却水出口的水温来测定；冷却水监测是为了保证水泵正常，主要通过监测水流量或者是水压力来实现；润滑油监测是为了保证润滑油供给充足，防止因为润滑油问题使得机体运转发生故障，缩短机体寿命。变频技术+实时智能监控系统组合应用在传统的空压机基础上连接电动机变频控制器、微机监控系统和参数测量传感器，如图2。从图2可知，变频控制器通过控制电动机频率来控制空压机，它将PID调节纳入变频控制器中；微机监控系统连接A/D接口板和继电器输出接口板，通过智能控制变频器、报警器和电机接触器，实现实时监控。这种变频智能控制空压机如同微型电脑，有独立的数据管理系统，能够记录空压机的进气量、能耗，能够自动报警、监控空压机运行异常等。
4变频技术实际应用案例
如某厂现有4台阿特拉斯GA250-8/8.5螺杆空压机，每台额定排气量为42m3/min，电机功率为250kW。空压站负责整个厂区压缩空气供应，年耗电量约300万度，工厂平均电价约0.58元/度，电费约175万元。为保证生产用气需要，目前采取空压站运行工根据生产用气负荷情况及时启停空压机，该空压站平时常开2台设备，满负荷生产时3用1备。空压机系统设定供气压力范围：0.68-0.78MPa；即供气压力低于0.68MPa时，空压机自动加载运行；达到0.78MPa时空压机自动卸载运行（空压机电机空转）。2017年2月18-28日期间该空压站运行记录如表1。
4.1存在的问题
4.1.1空压机开启台数固定，空压机卸载损耗大由上述10天的实际运行情况可以看出，空压站开启台数固定，能耗浪费较大。用气量较小时，3号和4号机组24小时运转，3号机空载率为34.7%；用气量增加时，增开2号机组，2号机组空载率高达59.5%；空压站整体空载率为25.3%。按照实际运行记录，阿特拉斯GA250机组加载电流约为440A，卸载电流约为155A；空载能耗为加载能耗的35%。2017年2月18-28日10天，空压站总运行时间为569小时，加载425小时，空载时间144小时。空载能耗12600kW·h，损耗电费约7000元。注：空载能耗=功率×空载时间×35%=250kW×144h×35%=12600kW·h4.1.2空压机爬升损耗大空压机加载运行压力达到设定压力上限后，机载电脑控制空压机继续加载，管网压力将继续上升约1公斤左右，此时机载电脑发出卸载指令，卸载装置动作，这部分加压过程，产生较大电能浪费。按照经验，空压机压力每增加1公斤，电流至少增加6%。2017年2月18-28日10天，空压站总运行时间为569小时，加载425小时，空载时间144小时。空载能耗6375kW·h，损耗电费约3700元。注：加载能耗=功率×加载时间×6%×加卸载压力差=250kW×425h×6%×1=6375kW·h4.1.3供气压力波动大空压机系统设定供气压力范围为0.68-0.78MPa，如压差范围设定过小，空压机将会频繁加载和卸载，对空压机及供电设备冲击较大，将严重影响空压机及供配电设施的运行安全和使用寿命。因此压缩空气系统压差波动范围为0.1MPa，对于对供气压力稳定性要求较高的设备、设施有较大影响（如高精度数控加工中心刀具进给）。
4.2解决方案
根据现场实际需要，我们采用变控模式（变频+智能群控）实施节能改造。在空压站安装一台空压站智能节电控制柜，空压站4台空压机联网自动运行；指定其中一台空压机为主控机组，实施变频改造；控制系统由恒压调速模块（变频器）、压力检测单元、控制单元、PLC集中控制模块（中央处理器）、短信报警模块等组成。控制系统采用智能群控技术，根据压力检测单元检测系统管线压力，将该信号提供给PLC集中控制模块（中央处理器），该模块根据用气情况自动计算空压站空压机的运行台数。控制系统运用PLC控制单元实现企业空压机站点的“组态控制”，可以实现企业空气压缩系统的“统筹兼顾”，更加精准、经济、精细地使用空压机设备，达到按需产气。整个系统分为两种状态：自动状态和手动状态。自动状态下，空压站节电控制系统根据现场监控到的用气量变化自动调整空压机的运行。当用气量发生波动，通过恒压调速装置调整主控机的运行来满足用户流量需求波动，快速补偿和调节流量，避免因管压、温度等波动过大影响生产；通过PID控制，使空压机站能够调速运行，从而使空压机组(站）一直处在节能运行状态。智能节电控制系统在空压站主控一台空压机，恒压调速运行，当压力达到或超过设定值，系统恒压调速装置对空压机进行降速；当压力低于设定值，系统恒压调速装置对空压机进行提速，实现恒压输出。其余空压机利用PLC模块进行集中控制，通过管网中的压力变化自动对空压机进行启动和停止；当压力接近或者低于设定的压力下限，延时启动一台空压机进行运行，如果压力继续下降，会继续启动下一台空压机。整个控制实现的是先起先停。当整个系统运行时间达到设定的轮换时间时，控制系统会自动计算哪台空压机运行时间已到轮换时间，系统会停下这台空压机同时启动后面一台没有运行的空压机，使整个空压站的所有空压机都能够均衡的投入到使用中。当一台空压机发生故障的时候，控制系统首先会停下这台空压机并通过值班室的声光报警器通知值班人员，在故障未处理之前会在人机界面上显示出来。当管网压力下降至设定的压力下限时就会在很短的时间内启动空压站中处于停机状态且无故障的空压机，在故障未处理前保障输出端的压力稳定。
4.3改造效果
通过对空压站实施变频智能控制技术改造后，达到了以下效果：4.3.1实现压力恒定运行，减少压力爬升能耗改造后，整个空压站实现恒压供气，供气压力在高于目前站点加载压力设定值基础上±0.2公斤（0.68-0.72MPa）稳定运行，终端用气设备可靠性增加，使用寿命延长，同时减少爬升压力，使空压站整体压力爬升能耗降低60%。4.3.2降低空载能耗，流量调节范围宽改造后，空压站智能节电系统根据供气压力进行PID运算，在供气压力接近设定值时及时地增减运行频率、开停空压机，按需产气恒压供气，使整个空压站流量调节范围在1～168m3自由调整；空压站整体空载率降低至5%以下，空载能耗降低90%。4.3.3实现节约效益每年40万元以上4.3.4实现无人值守，改善工作环境，增加可靠性改造后，空压站完全智能化运行，同传统人工值班形成互补，极大地提高了设备运行的合理性和可靠性，改善工人工作环境。在用气量变化时，系统可以快速反应，及时地增减运行频率、开停空压机，使整个空压站运行更加科学合理，从而有效降低电耗，并有利于延长设备使用寿命。4.3.5实现短信自动报警加装短信模块，空压机在使用过程中如果出现故障，相关人员会在第一时间收到报警信息，及时掌握实际情况，有利于第一时间采取有效措施，将因压缩机故障引起的停产损失控制在最低程度。4.3.6可加装模块实现冷干机、空压机实现联控（案例中未加装）在传统的压缩机使用中，冷干机采用单独控制，开空压机未开冷干机、空压机停止工作冷干机还在运行等事件比较普遍。这类现象的存在，不但浪费大量能耗，同时也会给设备及生产造成不利的影响。采用智能化控制系统后，辅助设备会随系统的设定实时开停，提高设备可靠性及有效使用率。4.3.7可加装模块实现远程控制（案例中未加装）可在远程中央控制室安装相应软件，实时监视每台空压机的运行情况。
5结语
空压机使用十分广泛，如果依照上述方式对全国各行业空压机进行变频智能升级改造，那么每年我国将节约大量电能，特别是大型工业企业，能够大幅降低生产运行成本，故变频智能控制技术在空压机领域的应用将有十分广阔的空间。
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作者：张智勇 单位：陕西法士特齿轮有限责任公司
变频技术在空压机的应用 来源：网络整理
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