高压变频技术在空压机节能改造中的应用

罗红生

摘要：本文介绍了以高压变频器为核心的空压机节能控制系统，利用变频器强大的控制功能和计算功能，对空压机的控制方法进行了改进。该系统不仅把出口压力做为控制参数，还考虑了现场工作情况的特点，同时还把日常运行的数据做为控制的参考值，从而可以输出一个空压机系统运行的最佳值。该系统通过变频技术和传感器技术相结合，由PLC统一控制，使控制更加科学、合理、智能。根据实际工程应用的结果，该系统比原空压机控制系统节电率达到10%-30%。

0引言

交流变频调速是现代集电力电子、自动控制、微电子学和电机学等技术之精华的一项高新技术。它以其优异的调速性能、显著的节电成果和广泛的适用性而被国内外公认是国际上应用最广、效率最高、最理想的电气传动控制方案。尤其是21世紀发展成熟起来的高压变频调速技术，是IT顶尖技术与传统行业相嫁接的完美结合，它为节约能源、低消耗、减排减污、提高企业经济效益提供了重要的新途径。从目前高压变频器的一般使用效果来看，平均节电可达10%～30%左右。

1、变频技术介绍

高压交流变频调速技术是90年代迅速发展起来的一种新型电力拖动调速技术，应用了先进的电力电子技术、计算机控制技术、现代信息技术和高压电气、电机拖动等综合性领域的学科技术，其技术和性能胜过其他任何一种调速方式，变频调速以其调速效率高，启动能耗低，调速范围宽，可实现无级调速，动态响应速度快，调速精度很高，操作简便，保护功能完善，易于实现生产工艺控制自动化，运行安全可靠、维修维护方便，安装场地条件比较灵活，应用范围广泛，使之成为企业采用电机节能方式的首选。

高压交流变频技术具备如下特点：

（1）一体化设计，安装调试简单;

（2）无须更改原有电机，可实现工频/变频切换;

（3）不需另加升压变压器、输入滤波器、输出滤波器，电抗器、功率因数补偿装置和缓冲电路等附加电路;

（4）谐波污染极小，对周围设备电磁干扰极小;

（5）功率因数高、效率高;

（6）各类保护完善，操作简单，运行稳定可靠。

2、以山东星星化工有限公司空压机为例进行分析

2.1既有空压机配置及工作原理

既有空压机配备电机功率为2500kW，额定电压为10KV，采用GE公司VersaMax的PLC控制系统，启动方式为液阻柜软启动。其启动及控制方式如下：

首先启动空压机辅助油泵，当油压正常、系统正常则申请高压合闸信号;

髙压合闸后，液阻启动柜开始对电机进行软起动;

当启动完成，液阻控制柜QF2闭合，电机星点短接。全部启动过程完成。空压机启动正常后，调节进口阀门开度满足工艺所需的压力及流量。

2.2既有空压机存在以下缺点：

（1）空压机本身设计的裕量过大

在选择空压机时，为了保证在任何情况下都能使生产正常进行，

必须按照厂里的最大生产工况来设计空压机的装机容量，实际安装的空压机，由于种种原因，其额定供气能力要比最大的用气量大10%左右。而在实际生产过程中，绝大多数情况下只能用到额定供气量的50%-60%0这种大马拉小车的配置方式，造成了大量电能浪费。

（2）节流装置不合理

由于设计裕量较大，在实际的使用过程中，为满足工况要求，在进风管道中设置电动阀门、挡风板等装置，通过阀门开度来调节风量。但这种通过增加系统阻力来改变风量的办法，造成大量的电能消耗。

（3）流量调节不及时

由于生产工艺不规律，因此所需风量及风压也在适时进行变化，原有的开环调节方式便显得较为滞后、精确度低;且针对离心式空气压缩机而言，当压力较大时多余气体通过放空阀排空，从而导致了电能的浪费。

由此可见，由于技术落后原因，既有空压机控制系统存在显著的缺陷，从而造成不必要的浪费，亟需进行节能改造。

3、空压机变频节能改造方案

为保证设备稳定运行，变频系统同原有系统为两套独立的调节系统（控制程序中进行适当修改）。原液阻启动方式作为备用留用，当变频器需要检修或出现故障时，将恢复液阻启动方式启动。其一次线路方案如下：

如图所示除配置一台高压变频器主体装置外，另增加一套旁路柜和星点柜）刀闸具备辅助接点，并可将合分开关量信号送到空压机控制系统或高庄开关柜用以确认及显示变/工频。

空压机改变频控制，需对其高压控制系统、空压机控制系统和空压机设备三项进行改造：

3.1高压控制系统改造

（1）高压一次设备改造

高压一次设备增加QS1-QS5共5台隔离开关，其中QS1、QS3和QS4刀闸开关的合闸信号可送入用户PLC控制系统做为联锁条件信号作为变频投入条件;QS2和QS5亦可送入控制系统，做为恢复原有启动及运行状态的条件信号。

（2）高压控制系统改造

控制系统必须屏蔽掉液阻启动器，使液阻送入的信号不能响应。当控制系统具备合闸条件时，合上QF1;

当QS2和QS5合闸时，表示空压机按改造前原方式启动（即按液阻方式启动），恢复至原工频启动方式。

3.2空压机设备改造

原空压机设备中带有辅助油泵、机械主油泵。辅助油泵用于启动前先保证油压稳定（不低于设定值0.2MPa，不做改造。当空压机釆用变频器拖动时，其转速比较慢，机械油泵可能起不到正常供应稳定油压（大于0.23MPa）的作用，因此空压机改变频拖动后，将不考虑机械油泵的泵油作用.

空压机原自带的辅助油泵，在原设计中为短时间工作制，当空压机采用变频拖动后，由于电机主轴转数相应降低导致油压减小，此时辅助油泵需长期工作。从安全方面考虑，空压机改变频拖动同时增加一台油泵，启动风机前开启此油泵，并随空压机运行，当新增油泵出现故障跳闸时，原辅助油泵自动投入。

3.3空压机控制系统改造

3.3.1新增控制设备

新增一台油泵，相应增加控制箱，电源引自增设的配电箱内。

3.3.2新增油泵可与原辅助油泵进行联锁

辅助油泵开机时启动转换开关打至手动状态，在空压机投运后再打至自动启动方式处于热备状态。

3.3.33空压机控制系统与高压变频器的连接

（1）根据现场实际需要，变频器自身具有DCS/PLC远程接口，可通过硬接线方式将高压变频器启、停信号、状态显示信号、调速模拟等信号接至用户控制系统中。

（2）将原出口压力信号传至新增油泵控制箱PID表上，由pid進行逻辑比较及调整后做为变频器的调速模拟信号。

（3）调速信号亦可通过通讯口由PLC向变频器传送空压机出口压力的模拟量信号，变频器根据此信号自动调节频率（即调节转速），将空压机出口压力恒定在设定压力上。

（4）空压机控制系统PLC和监控显示界面需作如下的修改：当空压机由变频器拖动时，将入口风门自动调节到人工设定的固定的开度。修改原PLC中的保护程序，将变频器传送来的故障信号分析后，发出报警、跳闸指令。并可向高压系统发出跳闸指令。

4、空压机节能改造效果

4.1经济效益分析

系统采用变频调节，直接通过改变频率改变电动机的转速来满足不同工况的需求：电机转速计算如下公式（1）：

n=60f（1-s）/p...............（1）

式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数。

空气压缩机负载属于恒转矩负载，功率计算如下公式（2）：

PL=TL*nL/9550...................（2）

式中PL为空气压缩机功率;TL为空气压缩机转矩;nL为空气压缩机转速。

由公式（2）可知其功率同转速基本成正比关系，功率随转速的降低而减小。因此变频调速的节电效果非常显著。且变頻调速方式调速范围宽，线性度很好，其本身的电子损耗很低，因而无论在轻载还是满载都有很高的效率。

既有空压机有功功率Pe=1700kW（改造前实际运行功率）

压缩机功率与额定出口压力、流量之间的关系：

Pe=λ×H1×Ql可得出：

λ=Pe/（H1×Q1）≈0.58（Hl=0.65MPa，Ql=4500m3/h）

则：P'=λ×H×Q≈1190kW（H1=0.52MPa，Q1=3950m3/h）

考虑高压变频器的效率≈η1=0.96、其它损耗η2=0.85，则改造完成后空压机有功功率为：

Pb=P'/η1/η2=l190kW/0.96/0.85≈1460kW（改造后实际运行功率）

改造后电机每小时节能：

W=1700kW-1460kW=240KW

节电率：

η节=240kW/1700kW×100%≈15%

单台电机年节电：

Z=240kW×24小时/天×330天/年×0.67元/度=127万元

考虑改造所需设备、辅助设施、房屋及建筑安装费，单台电机改造费用为230万元。

则投资回收期=230/127=1.7年。

空压机安装使用的高压变频器的设计使用寿命为15年，寿命周期内投资效益为：

S=127×15-230=1675万元。

由此可见，空压机变频调速节能改造所获取的经济效益十分显著。

4.2间接效益分析

采用变频调节，除了能够节约大量能源外，还具有如下优点：

（1）彻底避免大功率电动机启动时的冲击力矩对电机的损坏。

（2）延长了电机和管道的检修周期，减轻检修人员的维护工作量。

（3）提高了机组自动装置的稳定性。

（4）空压机的运行参数得到了改善，提高了运行效率。

（5）空压机实现闭环自动控制后，实现无人值班，节约管理费用。

（6）功率因数得以提高，可省去功率因数补偿装置;

（7）调节性能优越，有利于实现分散控制系统改造，进一步优化系统;

（8）电动机转速降低使环境噪音影响得到大大改善。

5、结束语

通过对山东星星化工有限公司空压机进行高压变频调速改造，可以大大降低空压机能耗，有效实现节能，在获得良好直接经济效益同时，还提高了设备的稳定性及可靠性，有效减少了维护工作量，减轻维护人员工作强度。因此，大力研究和推广中高压变频调速技术在空压机领域的应用，对提高空压机的工作效率、降低维护费用、节约能源及提高国民经济综合效益、推动和促进我国相关高技术产业的发展，具有非常重要意义。

参考文献

[1]陈伯时.交流调速系统北京：机械工业出版社，2005.

[2]张燕宾.变频器应用教程[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3]刘建民、陈建军螺杆式空压机运行及维护技术问答[J]北京：中国电力出版社2011.