空压机变频节能改造控制系统 - 太原汇川电气技术有限公司

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空压机变频节能改造控制系统

发布日期:2015-05-06 11:28:56 浏览:
  

一、引言
    空气压缩机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。它的用途广泛,可以用于冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石油化工等各个行业。空压机占大型工业设备(风机、水泵、锅炉、空压机等)耗电量的15%。经考察,大部分空压机自身存在着以下几个缺点:

1、电能浪费严重 
    传统的加卸载式空压机,能量主要浪费在: 
    1)加载时的电能消耗 
    在压力达到所需工作压力后,传统控制方式决定其压力会继续上升10%左右,直到卸载压力。在加压过程中,一定会产生更多的热量和噪音,从而导致电能损失。另一方面,高压气体在进入气动元件前,其压力需要经过减压阀减压,这一过程同样耗能。 
    2)卸载时电能的消耗 
    当达到卸载压力时,空压机自动打开卸载阀,使电机空转,造成严重的能量浪费。空压机卸载时的功耗约占满载时的30%~50%,可见传统空压机有明显的节能空间。 
 
2、工频启动冲击电流大 
       主电机虽然采用Y-△减压起动,但起动电流仍然很大,对电网冲击大,易造成电网不稳以及威胁其它用电设备的运行安全。对于自发电工厂,数倍的额定电流冲击,可能导致其他设备异常。 
 
3、压力不稳,自动化程度底 
    传统空压机自动化程度低,输出压力的调节是靠对加卸载阀、调节阀的控制来实现的,调节速度慢,波动大,精度低,输出压力不稳定。 

4、设备维护量大 
    空压机工频启动电流大,高达5~8倍额定电流,工作方式决定了加卸载阀必然反复动作,部件易老化,工频高速运行,轴承磨损大,设备维护量大。 
   
5、噪音大 
    持续工频高速运行,超过所需工作压力的额外压力,反复加载、卸载,都直接导致工频运行噪音大。

针对以上存在的问题,设计采用PLC和变频器实现对螺杆式空气压缩机的节能改造方案,经分析,该方案自动化程度高,节能效果显著,实用性好。

 

二、  空压机变频改造原理
1、 空压机的工作原理
    螺杆式空压机的工作原理图如图1所示,空气经空气过滤器和吸气调节阀而吸入,该调节阀主要用于调节气缸、转子及滑片形成的压缩腔,阴、阳转子旋转相对于气缸里偏心方式运转。滑片安装在转子的槽中,并通过离心力将滑片推至气缸壁,高效的注油系统能够确保压缩机良好的冷却及润滑油的最小舒适耗量,在气缸壁上形成的一层薄薄的油膜可以防止金属部件之间直接接触而造成磨损。经压缩后的空气温度较高,其中混有一定的油气,经过油气分离器进行分离之后,油气经过油冷却器冷却再经过油过滤器流回储油罐,空气经过气冷却器(空气冷却装置)进行冷却而进入储气罐。

 

2、空压机变频节能原理

变频调速技术近年来发展迅速,并在许多领域发挥了重要的作用。空压机变频节能系统原理图如图2。

 

由于许多螺杆式空压机运行方式是加载、减载方式。减载时电机空转,那么能源都被白白的浪费了,而电动机转速自身不能改变,只能通过改变电机频率来调节转速。变频控制通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量,从而达到控制管路的压力。原理如下:通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较,得到偏差,经PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由变频器输出的相应频率和幅值的交流电,使电动机上得到相应的转速。那么空压机输出相应的压缩空气至储气罐,使之压力变化,直到管网压力与给定压力值相同。
变频改造注意事项:
      (1) 空压机是大转动惯量负载,这种启动特点很容易引起变频器在启动时出现跳过流保护的情况,建议采用具有高启动转矩的无速度矢量变频器,保证既能实现恒压供气的连续性,又可保证 设备可靠稳定的运行;
    (2) 空压机不允许长时间在低频下运行,空压机转速过低,一方面使空压机稳定性变差,另一方面也使缸体润滑度变差,会加快磨损。所以工作下限应不低于20Hz;
    (3) 建议功率选用比空压机功率大一等级的变频器,以免空压机启动出现频繁跳闸的情况;
    (4) 为了有效的滤除变频器输出电流中的高次谐波分量,减少因高次谐波引起的电磁干扰,建议选用输出交流电抗器,还可以减少电机运行的噪音,提高电机的稳定性;
    (5) 设计的系统应具备变频和工频两套控制回路,确保变频出现异常跳保护时,不影响生产。

3基于PLC的空压机变频控制系统

控制系统由以下部分组成:变频器、可编程控制器、电抗器、压力变送器、震荡传感器、接触器、空气开关、电缆、电流表、电压表、按钮、互感器等。
    基于PLC的变频控制系统原理图如图3所示。PLC由触摸屏、电源、CPU、模拟量输出模块、开关量输入、输出模块等组成。其中采用PLC来实现电气部分的控制。包括五部分:起动、运行、停止、切换、报警及故障自诊断。
    起动:以两台电机M1,M2为例如图3所示,可以通过转换开关选择变频/工频启动。

      运行:正常情况,电机M1处于变频调速状态,电动机M2处于停机状态。现场压力变送器检测管网出口压力,并与给定值比较,经PID指令运算,得到频率信号,调节变频器的输出频率,以调节电动机的转速,达到所需压力的目的。
    停止:按下停止按钮,PLC控制所有的接触器断开,变频器停止工作。
    切换:实现M1,M2工频、变频相互切换。
    报警及故障自诊断:空压机内部一般有四个需要监测的量:冷却水压力监测、润滑油监测、机体温度监测、储气罐压力监测。

 

4空压机变频改造方案分析

某企业空压机为例,改造前经测试参数如下:电机功率110kW,出口压力为5.9 ~6.5MPa,运行时间为12h/d,一年运行320天,加载时间为15s,减载时间15s;加载电流为190A,减载电流为90A。经检测其节电率为30%以上。年节电量(按30%)计算如下:
    W节电量=12×320×110×30%=1.27×105(kW·h)
    可见节电效果明显,此外,改造后系统还存在以下优点:
    (1) 减少了机器的噪音,利用PLC和变频器实现了机器的软启动、软停止,避免了空压机启动时对电网的冲击,减少了对设备的维修量;
    (2) 两套控制回路可保证系统的正常、安全运行;
    (3) 自动化程度高,克服原系统手动调节的缺点。

三、改造原则
    根据空压机原工况并结合生产工艺的要求,对空压机进行变频技术改造后,系统满足以下要求。
    1空压机经过改造后,系统通过转换开关切换,具有变频和工频两套控制回路,采用开环和闭环两套控制回路。一拖二起动时,对两台电机M1,M2,可以通过转换开关选择变频/工频启动。正常运行时,电机M1 处于变频调速状态,电动机M2处于工频状态。现场压力变送器检测管网出口压力,并与给定值比较,经PID 指令运算,得到频率信号,调节转速达到所需压力。停止时按下停止按钮,PLC控制所有的接触器断开,变频器停止工作。
    2确保变频出现异常保护时,不至于影响生产的正常进行。为了防止非正弦波干扰空压机控制器,变频器输入端有抑制电磁干扰的有效措施。控制线、信号线采用屏蔽线缆,布线时和动力电缆分开,防止引入干扰。
    3电机变频运行状态时保持储气罐出口压力稳定,压力波动范围不能超过依0.02 MPa。
    4空压机不允许长时间在低频下运行,空压机转速过低,一方面使空压机稳定性变差,另一方面也使缸体润滑度变差,会加快磨损,所以工作下限不低于30 Hz。
    5设置高压保护、高温保护、等设置报警及故障自诊断。
      (1)高压保护当系统压力超过设定值时,自动切断主机电源,使压缩机紧急停机。
      (2)高温保护当压缩机排气温度超过调定值时,由接在主机排气孔口处的温度传感探头控制温度电触 点动作,自动切断电动机电源,使压缩机紧急停机。
(3)电气保护系统采用软启动方式,具有相序保护(防止压缩机反转)、缺相保护、电机热过载保护等功能。

四、空压机变频改造后的优点
1,节能:总体节能达20%以上

1)加载时的节能:空压机进行变频改造后,压力始终保持在所需的设定工作压力,比改造前可降低10%的压力,根据功耗公式可知改造后此项可节能10%
    2)卸载时的节能,电机卸载运行时消耗的能量是加卸时的40%左右,按平均四分之一左右的卸载时间算,此项可节能10%左右
2、启动电流小,对电网无冲击 
    变频器可使电机起动、加载时的电流平缓上升,没有任何冲击;可使电机实现软停,避免反生电流造成的危害,有利于延长设备的使用寿命; 
3、输出压力稳定 
    采用变频控制系统后,可以实时监测供气管路中气体的压力,使供气管路中的气体的压力保持恒定,提高生产效率和产品质量; 
4、设备维护量小  
    空压机变频启动电流小,小于2倍额定电流,加卸载阀无须反复动作,变频空压机根据用气量自动调节电机转速,运行频率低,转速慢,轴承磨损小,设备使用寿命延长,维护工作量变小。 
5、噪音低  
    变频根据用气需要提供能量,没有太多的能量损耗,电机运转频率低,机械转动噪音因此变小,由于变频以调节电机转速的方式,不用反复加载、卸载,频繁加卸载的噪音也没有了,持续加压,气压不稳产生的噪音也消失了。  总之,采用变频恒压控制系统后,不但可节约一笔数目可观的电力费用,延长压缩机的使用寿命,还可实现恒压供气的目的,提高生产效率和产品质量。


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