空压机房变频节能集控系统的设计与应用

刘乙霖闫东慧蔡旭峰陈 磊高 新董淑棠

（1.大同煤矿集团有限责任公司同大科技研究院，山西省大同市，037003；2.大同煤矿集团有限责任公司四台矿，山西省大同市，037003；3.太原惠特科技有限公司，山西省晋中市，030600）

空压机房变频节能集控系统的设计与应用

刘乙霖1闫东慧1蔡旭峰2陈 磊3高 新3董淑棠3

（1.大同煤矿集团有限责任公司同大科技研究院，山西省大同市，037003；2.大同煤矿集团有限责任公司四台矿，山西省大同市，037003；3.太原惠特科技有限公司，山西省晋中市，030600）

针对煤矿大功率螺杆式空压机在运行过程中存在供气量与用气量不能保持动态平衡而造成供气不足或供气过量，缺乏统一集中监控和信息化管理等问题，通过研制以变频器、PLC可编程控制器、组态软件为技术核心的空压机房变频节能集控系统，实现了矿井供、用气的动态平衡和整个系统的节能控制、远程起停、故障报警、数据采集与存储等功能。

空压机 集中监控 节能控制

1　概述

空压机是煤矿生产过程中气动设备的动力源，属于煤矿高能耗设备。目前，国内外大多数空压机采用Y/△调压起动，额定工频运行。在使用过程中由于井下用气量的不确定性，空压机不能根据用气量的大小自动调节电机转速和空压机运行台数，从而调整排气量。当用气量小时，随着气压的增高，卸载阀频繁动作造成电能的浪费和设备的加速损坏，同时缺乏信息化管理和自动化控制，空压机的设定参数、运行参数、故障信息和冷却系统的设定参数、运行参数、故障信息不能实时监控，也不能上传到值班室或调度室。空压机房变频节能集控系统解决了大功率空压机的变频节能集中控制与监视，对空压机的节能降耗，提升自动化控制水平，提高矿井经济效益具有一定意义。

2　工作原理

空压机房变频节能集控系统工作原理如图1所示，由上位工控机、PLC控制柜、变频器、高压柜、低压起动柜、压力变送器、温度变送器、流量传感器、视频监视器、硬盘录像机、交换机和摄像头等组成。其中上位工控机采用亚控组态王软件（King View）对监控系统进行详细的组态，完成系统所有设备的起、停操作及相关数据的存储、查询、报表以及故障诊断等；PLC控制柜采用SIEMENS可编程控制器S7-200作为中央控制处理器，集中控制整个系统的启动、运行、切换、故障报警和数据采集等，并将运行参数通过以太网上传给上位工控机；变频器为系统核心调速设备，用于调节所控空压机电机转速；高压柜用于工频起停空压机；低压柜用于起停冷却系统的冷却水泵和冷却风扇；压力变送器、温度变送器和流量传感器提供系统所需中间数据；视频监视器、硬盘录像机、交换机和摄像头组成视频监控系统。

图1　空压机房变频节能集控系统工作原理

3　关键技术研究

3.1集中控制

空压机房变频节能集控系统具有本地控制和远程控制两种控制方式，分别用于开关柜处的就地操作和上位工控机处的远程操作。

3.1.1本地控制

在本地控制方式下，上位工控机只进行数据采集、显示和故障报警，不对现场设备进行控制。空压机、冷却水泵和冷却风扇只能通过各自开关柜上的操作按钮控制各自的起/停。当进行日常检修、故障处理以及特殊需要时，可采用该控制方式。

3.1.2远程控制

在远程控制方式下，上位工控机能对整个系统中各台设备进行启动、停止和加载操作。远程控制又分为手动变频、手动工频、自动变频和自动工频四种控制模式。其中自动变频模式可实现空压机系统的节能控制。为了保证空压机安全运行，在远程控制方式下，空压机的启动受冷却系统闭锁控制，只有在冷却系统正常运行后，空压机才能启动运行。

3.2集中监视

3.2.1空压机监视

空压机房变频节能集控系统可实时显示每台空压机运行状态、运行电压、运行电流、排气压力、排气温度、电机温度、润滑油温度、故障信息和累计运行时间等信息。

3.2.2冷却系统监视

空压机房变频节能集控系统可实时显示冷却水泵电机、冷却风扇电机的运行状态、运行电压、运行电流、故障状态和断水报警等信息。

3.2.3视频监视

空压机房变频节能集控系统可实时监控空压机房、配电室和控制室的环境状态。

3.2.4历史数据查询

空压机房变频节能集控系统对空压机的监视数据、冷却系统的监视数据、各场所的视频监视数据进行记录，并保存最近3个月（最长1年）的数据，可供相关授权人员随时查询，便于检查和诊断各种设备的状况。

3.3节能控制

3.3.1控制原理

空压机运行曲线如图2所示，通过变频器调节空压机电机转速，从而调节供气量，使供气量始终与用气量保持动态平衡，避免在供气量大于用气量时，卸载阀频繁动作，浪费电能。

从图2中可以看出，工频控制时，空压机处于额定工作状态，供气量大于实际用气量，多余的空气通过卸载阀而释放；变频控制时可以调整供气量，使供气量与用气量保持动态平衡，从而节约电能。图中在0～t3时间段内，阴影部分为使用变频控制时所节约的能量。

图2　空压机运行曲线

3.3.2控制策略

节能控制策略如图3所示，通过PLC控制柜、变频器、压力传感器对空压机进行PID闭环控制，使空压机按需风量运行在最佳状态。PLC控制柜用于根据压力传感器反馈值和压力设定值进行运算，控制变频器的运行；变频器用于调节空压机电机转速；压力传感器用于管网压力检测，并作为系统控制参数。

图3　节能控制策略

图4　节能控制流程

3.3.3控制流程

节能控制流程如图4所示，以集中控制两台空压机为例，其中1号空压机为变频器控制，2号空压机为高压柜工频控制。系统启动后，检测管网压力，当管网压力小于给定值时，变频器自动启动1号空压机，并根据管网压力大小以PID方式自动调整1号空压机电机转速，当1号空压机电机转速达到额定值且保持运行一定时间后，管网压力仍小于给定值且压力不再增加时，自动启动2号空压机工频运行，随着管网压力的上升，当压力值大于设定值时，1号空压机电机减速运行，当气体供需平衡、压力稳定时，保持当前转速不变，否则一直减速至最小设定频率。同理，当管网压力大于给定值时，根据管网压力大小以PID方式自动调整1号空压机电机转速，当1号空压机电机减速至最小频率且保持运行一定时间后，管网压力仍大于给定值且压力不再减小时，自动停止2号空压机，随着井下用气设备的用气和漏气，管网压力下降，当压力值小于给定值时，1号空压机电机加速运行，当气体供需平衡、压力稳定时，停止加速，保持当前转速不变，否则一直加速直至工频运行。多台空压机节能集中控制流程与两台空压机节能集中控制流程类似。

3.4保护研究

3.4.1空压机保护

PLC控制柜通过MODBUS-RTU通讯协议读取空压机的各种信息，并根据设定值及时间对空压机进行保护。

3.4.2冷却系统保护

（1）对冷却系统的水泵、风扇进行过载、短路和断水保护。

（2）冷却系统与空压机运行系统具有闭锁关系。冷却系统启动运行正常后才允许空压机启动运行；冷却系统停止、故障时禁止空压机运行。

4　应用效果

4.1工业性应用

该套系统设计完成后，于2015年5月21日运行至今，在同煤集团四台矿空压风机房4台空压机上进行工业性应用，其中2台为单电机驱动的LU560W-8型空压机，其额定功率为560 k W，额定电压为6 k V，额定电流为63.3 A，排气压力为0.8 MPa；2台为双电机驱动的LGS-107/8G型空压机，其额定功率为2×315 k W，额定电压为6 k V，额定电流为2×37.7 A，排气压力为0.8 MPa。

4.2节能降耗效果

4.2.1卸载次数计量

通过空压机房变频节能集控系统的数据采集及记录，得到单台空压机工频模式运行电流与频率曲线，如图5所示，变频模式运行电流与频率曲线，如图6所示。分别统计了单台空压机在工频模式和变频模式下1 h内的运行电流与频率曲线，当空压机运行电流低时，空压机处于卸载状态，从图5、图6中可看出，工频模式下空压机卸载4次/h；变频模式下空压机卸载1次/h且卸载时空压机低频运行；由此可得到该系统可降低空压机卸载阀动作次数达75%。

图5　工频模式运行电流与频率曲线

图6　变频模式运行电流与频率曲线

4.2.2节能计量

为了对比空压机房变频节能集控系统节能效果，于2015年2月10日在空压机双供电回路分别安装电度表，记录系统使用前、后总用电量。在井下用气设备没有改变，供风距离基本一致的情况下，2015年2月10日-5月10日，系统使用前的用电量为615330 k W·h；2015年5月21日-8月21日，系统使用后的用电量为432270 k W·h，节电量为183060 k W·h，节电率达到29.75%，可以推算出节电量为732240 k W·h/a，节约电费约48.3万元。

4.3使用效果

空压机房变频节能集控系统采用工频与变频相结合技术，始终保证有一台空压机变频调速运行，多台空压机配合工频运行，根据井下实际用气量大小，自动控制空压机投入运行数量和变频运行速度，实现供气量与用气量的动态平衡；减少了空压机卸载阀动作次数，降低了设备损耗；减少能源消耗，节约了电费，实现了远程集中监控，具备了对空压机各种数据的监测、记录和故障报警等功能，可将监测数据上传。在工业性使用期间，该套系统操作简便、节能效果显著、性能稳定可靠。

5　结论

空压机房变频节能集控系统在性能上达到了预期的技术指标。该系统经计量统计节能效果达到了29.75%，卸载阀动作次数降低了75%，具备变频节能、自动控制、在线监控和联网通讯等功能，达到了空压机监测信息化管理和自动化控制的目标。

［1］ 姚伟，丁功江，陈延康.矿井双螺杆空压机集中变频控制系统设计［J］.煤炭工程，2012（10）

［2］ 李秤华，孙杨，孔毅丽.空压机集中远程监控系统［J］.广船科技，2013（5）

［3］ 李伟生，刘相楠，孔涛.空压机综合保护控制系统的应用［J］.水力采煤与管道运输，2008（1）

［4］ 顾潮青，吴奶明，王涛等.管板输送机用变频器设计与应用［J］.煤炭科学技术，2015（3）

［5］ 董淑棠.浅谈矿用变频器的设计与应用 ［J］.科技与企业，2015（17）

［6］ 陈璐.直接转矩控制在矿井提升中的应用 ［J］.中国煤炭，2007（6）

［7］ 林勇，董淑棠等.刮板输送机用隔爆兼本质安全型交流变频器研发［J］.煤炭科学技术，2016（5）

［8］ 李军，申生太，董淑棠等.矿用中低压变频调速设备技术的现状分析［J］.中国煤炭，2016（3）

［9］ 王冬波，候文桂，马龙.10（6）k V多回路高压磁力启动器的研制与应用［J］.煤炭科学技术，2016（5）

（责任编辑 孙英浩）

东北三省去产能压力差异大

2016年上半年，东北三省部分主要经济指标仍低于全国平均水平，各省经济运行走势也有一些分化。在东北三省经济仍然面临下行压力的背景下，辽宁省、吉林省和黑龙江省的去产能工作也在紧张地进行着。

辽宁省2016年计划退出粗钢产能602万t，全面完成化解钢铁过剩产能任务。2018年，化解煤炭过剩产能2731万t，到2020年，全面完成煤炭化解过剩产能3040万t的任务，关闭退出煤矿140家。截至2016年6月底，辽宁省已退出煤炭产能350万t，2016年全年计划完成1327万t。辽宁省煤炭行业去产能主要集中在阜新矿业、铁法能源、沈煤集团3家企业，在2016年将退出产能1200万t。

黑龙江省计划用3～5年时间化解煤炭过剩产能2567万t，分流安置职工6.2万人，其中2016年化解产能983万t、分流安置职工3万人，2016年前7个月已化解过剩产能222万t、分流安置职工10485人，分别占年度计划的23.7%和35%。另外，黑龙江省还计划压减粗钢610万t、炼铁219万t，全部在2016年完成。

吉林省计划用2～3年时间压减煤炭产能2733万t、退出煤矿132处。此外，吉林省计划用5年时间合计压减炼铁产能136万t、炼钢产能108万t。截至目前，吉林省钢铁行业已经完成了压减粗钢产能108万t的2016年度目标，煤炭行业完成进度也已经达到了52.7%。相比黑龙江省和辽宁省而言，吉林省去产能的压力最小，因为吉林省的人均钢、煤产量都不高，所面临的过剩产能矛盾也并不突出。

Design and application on air compressor room frequency conversion and energy saving centralized control system

Liu Yilin1，Yan Donghui1，Cai Xufeng2，Chen Lei3，Gao Xin3，Dong Shutang3
（1.Tongda Scientific and Technology Research Institute，Datong Coal Mine Co.，Ltd.，Datong，Shanxi 037003，China；2.Sitai Coal Mine，Datong Coal Mine Co.，Ltd.，Datong，Shanxi 037003，China；3.Taiyuan Huite Science and Technology Co.，Ltd.，Jinzhong，Shanxi 030600，China）

Aiming at mining high-power rotary screw air compressor had the problems during operational process，such as air demand and air consumption could not keep dynamic equilibrium，and lack of unified centralized monitoring and informatization management，the authors developed air compressor room frequency conversion and energy saving centralized control system which rely on frequency converter，programmable logic controller（PLC），configuration software as core technology.The system achieved dynamic equilibrium between air demand and air consumption，energy-saving control，remote control start and stop，failure warning，data collection and saving and so on.

air compressor，centralized monitoring，energy saving control

TD443

A

刘乙霖（1984-），男，山西大同人，助理工程师，目前就职于大同煤矿集团有限责任公司同大科技研究院，从事矿山机电工作。