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英格索兰空压机的节能改造应用方案

英格索兰空气压缩机(以下简称空压机)在工矿企业生产中有着广泛的应用。它担负着为各种气动元件和气动设备提供气源的重任。因此空气压缩机运行的状况直接影响着生产工艺和产品质量。

1-1空压机变频调速原理

空压机是一种把空气压入储气罐中,使其保持一定压力的机械设备,属于恒转矩负载,其运行功率与转速成正比:

PL=TLnL/9550

式中,PL为空压机的功率;TL为空压机的转矩;nL为空压机的转速。所以单就运行功率而言,采用变频调速控制其节能效果远不如风机泵类二次方负载显著,但空压机大多处于长时间连续运行状态,传统的运行方式为进气阀开、关控制方式,即压力达到上限时关阀,空压机进入轻载运行;压力达到下限时开阀,空压机进入满载运行。这种频繁地进行加减负荷的过程,不仅使供气压力波动,而且使空气压缩机的负荷状态频繁地变换。由于设计时压缩机不能排除在满负荷状态下长时间运行的可能性,所以只能按照最大需求来选择电机的容量,故选择的电机容量一般较大。在实际运行中,轻载运行的时间往往所占的比例是非常高的,这就造成了巨大的能源浪费。

值得指出的是,供气压力的稳定性对产品质量的影响是很大的,通常生产工艺对供气压力有一定的要求,若供气压力偏低,则不能满足工艺要求,就可能出现废品。所以为了避免气压不足,一般供气压力要求值要偏高些,但这样会使供气成本高、能耗大,同时也会产生一定的不安全因素。

1-2空压机加、卸载供气控制方式存在的问题

1.空压机加、卸载供气控制方式的能量浪费

空压机加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在设定值Pmin~Pmax间来回变化。其中,Pmin为能够保证用户正常工作的最低压力值;Pmax为设定的最高压力值。一般情况下,Pmin、Pmax之间的关系可以用下式表示:

Pmax=(1+t)Pmin

式中,t的数值大致在10﹪~25﹪之间变化。若采用变频调速技术连续调节供气量,则可将管网压力始终维持在设定供气的工作压力上,即等于Pmin的数值。由此可见,加卸载供气控制方式浪费的能量主要在三个部分:

1)压缩空气压力超过Pmin所消耗的能量

当储气罐中空气压力达到Pmin后,加、卸载供气控制方式还要使其压力继续上升,直到Pmax。这一过程中需要电源提供压缩机能量,从而导致能量损失。

2)减压阀减压消耗的能量

气动元件的额定气压在Pmin左右,高于Pmin的气体在进入气动元件前,其压力需要经过减压阀减压至接近Pmin。这同样是一个耗能过程。

3)卸载时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,空压机通过如下方法来降压卸载:关闭进气阀使空压机不需要再压缩气体做功,但空压机的电动机还是要带动螺杆做回转运动,据测算,空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的10﹪~15﹪,在卸载时间段内,空压机在做无用功,白白地消耗能量。同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空,这种调节方式也要造成很大的能源浪费。

2.加、卸载供气控制方式的其他损失

1)靠机械方式调节进气阀,使供气量无法连续调节,当用气两不断变化时,供气压力不可

避免地产生较大幅度的波动,从而使供气压力精度达不到工艺要求,就会影响产品质量甚至造成废品。再加上频繁调节进气阀,会加速进气阀的磨损,增加维修量和维修成本。

2)频繁地打开和关闭放气阀,会导致放气阀的寿命大大缩短。

1-3空压机变频调速控制方式的设计

1.空压机变频调速系统概述

变频器是基于交-直-交电源变换原理,集电力电子和微计算机控制等技于一身的综合性电气产品。变频器可根据控制对象的需要输出频率连续可调的交流电压。

由电动机知识知道,电动机转速与电源频率成正比:

n=60f(1-s)/p

式中,n为转速;f为输入交流电源频率;s为电机转差率;p为电机磁极对数。因此,用变频器输出频率可调的交流电压作为空压机电动机的电源电压,就可以方便地改变空气压缩机的转速。空压机采用变频调速技术进行恒压供气控制时,系统原理框图如图3-1所示。

英格索兰空压机的节能改造应用方案空压机资讯1
3-1系统原理框图

变频调速系统将管网压力作为控制对象,压力变送器将储气罐的压力转变为电信号送给变频器内部的PID调节器,与压力给定值进行比较,并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算,产生控制信号去控制变频器的输出电压和频率,调整电机转速,从而使实际压力始终维持在给定压力。另外,采用该方案后,空压机电机从静止到稳定转速可由变频器实现软起动,避免了起动时的大电流和起动给空压机带来的机械冲击。

正常情况下,空压机在变频器调速控制方式下工作。考虑到一旦变频器出现故障时,可由工频电源通过接触器直接供电,使空压机照常工作。

2.变频器的选择

由于空压机是恒转矩负载,故变频器应选用通用型的,如四方E380系列机型。又因为空压机的转速也不允许超过额定值,电机不会过载,一般变频器出厂标注的额定容量都有一定的裕量安全系数,所以选择变频器容量与所驱动的电机容量相同即可。

3.变频器的运行控制方式选择

由于空压机的运转速度不宜太低,对机械特性的硬度没什么要求,故可采用U/f控制方式。

4.控制原理说明

改造后,便于对空压机进行“变频运行”和“工频运行”的切换,控制电路采用三态切换按钮进行选择“工频运行”和“变频运行”,在变频运行过程中,如果变频器因故障而跳闸,通过报警扬声器和报警灯进行声光报警。同时,时间继电器得电,其触点延时一段时间后闭合,使电网接入接触器动作,电机进入工频运行状态。操作人员发现报警后,应及时将三态切换按钮旋至“工频运行”位置,这时,声光报警停止,并使时间继电器断电。这时便可以开始对变频系统进行检修。

5.压力变送器选用(贵公司已经选好)

6.四方变频器的功能预置

使用前对变频器做以下功能预置:

1)上限频率由于空压机的转速一般不允许超过额定值,故

fH≤fN

式中,fH为设置上限频率,(F2.9)fN为额定频率。

2)下限频率空压机采用变频调速后,其下限频率的预置要视压缩机的机种的工况而定,一般来说,其范围为

25Hz≤fL≤35Hz

3)加、减速时间空压机有时需要在储气罐已经有一定压力的情况下起动,这时通常要求快一点的加速,故加速时间尽可能缩短(以起动过程不因过流跳闸为原则);减速时间可参照加速时间进行预置(以制动过程不因过电压而跳闸为原则)。

4)升、降速方式空压机对升降速方式无特殊要求,可设置为线性方式。

1-4空压机变频调速后的效益

1.节约能源使运行成本降低

空压机的运行成本由三项组成:初始采购成本、维护成本和能源成本。其中能源成本大约占空压机运行成本的80%。通过变频技术改造后能源成本降低20%,再加上变频起动后对设备的冲击减少,维护和维修量也跟着降低,所以运行成本将大大降低。通过测算,使用变频器前空压机用电为55度/小时,使用变频器后加载电流为107A,卸载电流为45A,因采用PID控制,频率在27~46Hz,工作压力在0.6MPa左右,空压机用电量为38度/小时,每小时节电17度。按以下计算:每月节电量=17度×24小时×30天=12240度,若每度电按0.6元计算,则:每月节约电费=12240×0.6元/度=7344元。可见投资回报高,半年左右节约的电费就可以收回改造的投资。

2.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,能使空压机的空气压力输出与用户空气系统所需的气量匹配。变频控制空压机的输出气量随着电机转速的改变而改变。由于变频控制使电机的转速精度提高,所以它可以使管网的系统压力保持恒定,有效地提高了产品质量。

3.改善空压机的运行性能

变频器从0Hz起动空压机,它的起动加速时间可以调整,从而减少起动时对空压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,使空压机的使用寿命延长。此外,变频控制能够减少机组起动时的电流波动(这一波动电流会影响电网和其他设备的用电,变频起动能有效地将起动电流的峰值减少到最低程度)。根据空压机的工作状况要求,变频调速改造后,电机转速明显减慢,因此有效地降低了空压机运行时的噪音。现场测定表明,噪音与原系统比较下降约3~7dB。

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