驼峰编组场空压站几种控制方式的节能效果分析

2012-01-29李更生

铁路节能环保与安全卫生 2012年1期

李更生

(铁道第三勘察设计院集团有限公司机械环境工程处，天津 300251)

1 空压站节能的重要性

随着我国工业化水平的提高，空气压缩站的总装机容量越来越大，因此，提高空压站的自动化程度和节能水平有着重要意义。在压缩空气系统的寿命周期费用中，动力费用所占比例最大，一般超过寿命周期总费用的30%。即使是美国这样科技先进的国家，压缩空气系统的管理仍存在不少问题，能源浪费的现象仍大量存在。美国许多专业人士相信，在气动系统中应用节能技术，至少可以节能10%［1］。

在铁路系统，驼峰编组场空压站装机容量相对较大。驼峰空压站是铁路系统等级最高的空压站，它是驼峰自动化系统中的一个重要组成部分，它要保证全天24小时连续不断供给稳定气压的压缩空气。即使在全国范围内衡量，驼峰空压站对集中控制的要求也是相对较高的。而控制方式与空压站的用电量(能耗)有直接关系，因此合理的控制方式是驼峰空压站节能的关键因素。

2 驼峰空压站的控制方式

驼峰空压站的控制方式主要有三种:

第一种是间歇控制方式，即将空压站的供气压力设定一个范围，低限开机，高限停机。此种控制方式节能效果显著，通过各种仪表监测空压机的运行状态，易于实现自动控制，但受单位时间内电机启动次数的限制，同时电机的启停对容量较小的电网也有一定的冲击。此种控制方式适用于驼峰空压站。

第二种可以称为减荷控制方式，它的供气压力设定一个低限、一个高限，低限加载后空压机满载运行，达到高限后空压机自动减荷，并空载运行(不停机)。此种控制方式简单可靠，所需控制设备少，但其能耗很高，适用于用气量波动小但启动频繁的作业场所。

第三种是变频恒压控制方式，即将系统压力设定在一个很小的范围内，通过调频调速调节空压机的供气量，做到忙时多出力，闲时少出力。

3 不同控制方式的节能效果比较

目前我国空压站设置变频恒压控制的呼声较高，有关空压站变频节能的产品种类繁多，似乎只有变频控制才是空压站最有效的节能技术。上文提到，驼峰空压站的控制方式有三种，那么对铁路系统的驼峰空压站来说，什么控制方式最为节能?在什么情况下变频控制的节能效果最好?下面就做简要分析:

3.1 间歇控制方式与减荷控制能耗比较

驼峰空压站对供气可靠性和稳定性的要求较高，因此，驼峰空压站一般均设置主机、辅机、备机，正常运转时只开主机，特殊情况下(如管道局部泄漏)主机不能满足供气量要求时，启动辅机共同向系统供气，在主机或辅机出现故障时，备机投入，同时其储气系统容量也较大，以便在系统局部或短时故障时，保障正常供气。下面以国内某典型繁忙调车场驼峰空压站为例分析减荷控制与间歇控制的能耗差异。

该空压站配置20 m3空压机3台，单台电机功率132 kW，控制方式为间歇控制。表1～3为该驼峰空压站的实测参数。

表1 空压站运行时间记录表

表2 空压站空载、启动耗电量表

从表1可以计算出24 h内空压机总运行时间和总停机时间如表3:

表3 空压站运行停机时间统计表

减荷控制方式空压站的能耗由两部分组成，第一部分为空压机产生压缩空气所需的能耗，第二部分为空载能耗;间歇控制方式空压站的能耗也由两部分组成，第一部分为空压机产生压缩空气所需的能耗，第二部分为启动能耗。两种控制方式下，第一部分能耗完全相等，其能耗的差异体现在第二部分。

根据表2和表3的数据，减荷控制每天空载运行所消耗的电能为:(空压机小时空载耗电量+水泵额定功率)×每天空载运行时间

即:(19.3+5)×17.58=427(kW·h)

间歇控制由于频繁启动，一天消耗的电能为:每天启动次数×启动一次的耗电量

即:49×0.846=41.5(kW·h)

由此可以得出减荷控制比间歇控制每天多耗电:

每年多耗电:

从以上分析可以看出:上述空压站采用间歇控制方式每年可比减荷控制方式节电140 707.5 kW·h，其节能效果和经济效益均较好。

3.2 间歇控制方式与变频恒压控制方式的比较

驼峰空压站的特点有二:其一，为保证其供气的可靠性，一般驼峰空压站的单机容量裕度较大;其二，其用气时段相对集中，两用气高峰间的间隔时段相对较长。针对这些特点，这种类型的空压站，从节能方面来说，变频恒压控制方式与间歇控制方式相比，并无优越性可言。前面我们已经提到，变频恒压控制是通过调速的方式调节空压机的供气量，它是根据负载的需要将能量适当分配于每个时段;间歇控制方式则是在一段时间内向系统供应尽可能多的能量，并将其储存，而在另一段时间内则完全停止能量供给。针对这两者的能耗情况，仍以上述驼峰空压站为例，做如下分析:

从表1可以得出采用间歇控制的空压机供气和运行时间关系图。若此空压机采用变频恒压控制，则其理想状态是:其压力一直保持为采用间歇控制时的下限压力，即0.6 MPa;其供气量由负载决定与控制方式无关，即与间歇控制的供气量相等。变频控制的原则是在满足供气量的前提下，尽量保证空压机运转的连续性，避免出现空载时段，由于容积式空压机的供气量与其转速成正比，保证连续性的手段即通过调整电机供电频率调整转速［2］。但受电机特性的限制，其频率(转速)不能无限下调，否则会出现电机效率下降、发热、振动等现象，一般其最低频率控制在30 Hz，即额定频率的60%，电机转速在60%～100%区间内，其效率基本不变。据此，变频控制运行时的最低供气量为额定供气量的60%。依据上述分析，可画出间歇控制和变频控制方式下空压机供气和运行时间关系图，如图1:

图1 空压机供气运行时间关系图

从图1可以看出，变频恒压控制时，尽管将变频速度降至最低，空压机仍需空载运行一段时间，此段时间内消耗的能量未生产压缩空气。在满载运行期间，由于变频恒压控制基准压力的降低，其提供相同供气量的能耗与间歇控制相比相应降低。空气压缩机排气压力与用电单耗的关系见表4。用电单耗变化率是指基于空气压缩机排气压力为一定值时，每生产1m3压缩空气用电量的增加(或减少)率［1］。

参照驼峰减速器的用气参数将变频恒压控制压力定为0.60 MPa，即略高于最低设定压力。按表3提供的参数，间歇控制的平均设定压力为: 0.60+(0.75－0.60)/2=0.675 MPa。

表4 空压机排气压力与用电单耗变化率关系表［1］

根据表4的数据，采用线性插补法可求得:变频恒压控制由于设定压力的降低，其耗电量将减少5.2%。

参考图1，间歇控制时空压机的能耗为:

启动能耗+空压机运行能耗+冷却水泵运行能耗

根据表2、表3的参数，其24小时能耗为:

上式中49×0.5/60系冷却水泵比空压机多运行的时间(h)，即冷却水泵需先于空压机开机、晚于空压机停机。

变频控制时空压机的能耗为:

空压机变频负载运行能耗+冷却水泵运行能耗+空压机变频空载运行能耗

由于电机功率为转矩与角速度的乘积，上式中空压机变频空载运行时，其负载转矩不随转速变化，为恒转矩负载［2］，因此其空载功率与电机转速成正比。当空压机的供电频率下调至30 Hz (额定频率的0.6倍)，电机转速下降为额定转速的约0.6倍，其空载功率也为额定转速时的0.6倍。由此，变频控制空压机的能耗计算如下:

变频控制方式每天比间歇控制方式多耗能:

综上所述，对于上述驼峰空压站而言，变频恒压控制并不比间歇控制方式节能，相反，其能耗相对高一些，主要原因是变频恒压控制的最低频率受电机效率和其它相关特性的制约，最低只能在30 Hz左右，导致此种控制方式下，空压机出现较大空载运行时段。从上述变频控制的能耗组成可以看出，在变频空载运行时，冷却水泵的能耗占30%，而此部分能耗是恒定的，不随空压机转速的调整而变化，即使是风冷型式的空压机，其冷却风机也要耗能，数值与水冷系统水泵的能耗基本相当。

上述结论是基于特定的空压站得出的，本空压站的特点是容量裕度大、储气容量大、两用气高峰间的间隔时段相对较长，这也是我国大部分驼峰空压站的共同特点，因此本结论适用于大部分驼峰空压站。实际上，国内空压站进行的变频恒压控制改造项目中，一般均为原采用减荷控制的空压站，如纺织企业，这类空压站配备空压机台数较多。运行时，多台并联满负荷运行，一至两台机组采用减荷控制方式，作为调峰机组，其改造后节能水平均有显著提高。而对于类似于驼峰空压站这种用气间隔相对较长，系统储气能力较大的空压站来说，间歇控制的节能效果相对较好。

变频恒压控制之于间歇控制，其对电网的冲击要小，其对电气元件的寿命也是有利的。但间歇控制的频繁启动对电网的冲击可通过软启动方式缓解。