1．問題的提出 空氣壓縮機是礦山生產(chǎn)的重要設(shè)備之一,它生產(chǎn)壓縮空氣,用以帶動風(fēng)動鑿巖機、風(fēng)動裝巖機等設(shè)備以及其它風(fēng)動工具,其耗電量約占全礦總電耗的8%～11% ,隨著礦井的延深,耗電量還將進(jìn)一步增加。空氣壓縮機氣量的供求關(guān)系主要表現(xiàn)為排氣壓力的變化,當(dāng)排氣量正好滿足生產(chǎn)用氣量要求時,儲氣壓力保持不變,但由于礦山生產(chǎn)用風(fēng)量的不均衡,而裝機容量需根據(jù)礦井最大用風(fēng)量并留有余量設(shè)計,故實際運行中空氣壓縮機供風(fēng)量遠(yuǎn)大于實際用風(fēng)量。若空氣壓縮機仍恒速運轉(zhuǎn),則儲氣罐內(nèi)的氣體壓力越來越大,當(dāng)罐內(nèi)壓力上升達(dá)到設(shè)定壓力時,一般采用兩種辦法:一種是空氣壓縮機卸荷運行,不產(chǎn)生壓縮氣體,電動機處于空載運轉(zhuǎn),其用電量仍為滿負(fù)載的30% ～60% ,這部分電能被白白浪廢掉;另外一種辦法是停止空氣壓縮機運行,但將會帶來電動機的頻繁啟動?？諝鈮嚎s機的空載啟動電流大約是額定電流的5～7倍,對電網(wǎng)及其它用電設(shè)備沖擊較大,同時使空氣壓縮機的使用壽命也會縮短。為滿足生產(chǎn)設(shè)備用氣要求,儲氣罐內(nèi)空氣運行壓力通常設(shè)為0. 55～0. 65MPa,目前大多數(shù)空氣壓縮機均采用切斷進(jìn)氣的調(diào)節(jié)方式來改變排至儲氣罐的氣量。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,目前最佳解決方案是對空氣壓縮機實行變頻調(diào)速節(jié)能控制。為空氣壓縮機高效運行開辟了新途徑。 2　變頻調(diào)速的實現(xiàn)方案 （1） 改造前運行現(xiàn)狀 平時運行時,由操作工每小時巡檢一次各儀表指示,根據(jù)儀表指示的總管壓力值做出判斷,手動啟、?？諝鈮嚎s機。開車的工作通常是先關(guān)閉送氣閥,打開放氣閥,空氣壓縮機通過起動器啟動,等電機的啟動過程完成后關(guān)上放氣閥,打開送氣閥,空氣壓縮機開始工作。空壓站的這種控制方式帶來了許多問題。人工手動開關(guān)空氣壓縮機,使供氣量無法連續(xù)調(diào)節(jié),當(dāng)用氣量不斷變化時,供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動,繁瑣操作容易造成誤操作致使設(shè)備損壞,同時人工開關(guān)空氣壓縮機對電網(wǎng)和空氣壓縮機有相當(dāng)?shù)臎_擊。 （2） 變頻節(jié)能改造思路 選用與一臺電機容量相當(dāng)?shù)慕鹂献冾l器輪換驅(qū)動兩臺空氣壓縮機,通過檢測儲氣罐壓力,實現(xiàn)系統(tǒng)的壓力閉環(huán)控制,自動調(diào)節(jié)空氣壓縮機的轉(zhuǎn)速和空氣壓縮機的運轉(zhuǎn)臺數(shù)。改造后的空壓站控制系統(tǒng)由兩個基本系統(tǒng)組成,即恒壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和微機控制參數(shù)監(jiān)測管理系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時,壓力變送器YB將總管壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査椭悄苷{(diào)節(jié)儀與壓力設(shè)定值Po 比較,并根據(jù)差值的大小按給定控制模式進(jìn)行運算,產(chǎn)生控制信號送變頻調(diào)速器和控制系統(tǒng),通過變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速,通過控制系統(tǒng)控制空氣壓縮機運行的臺數(shù),使實際壓力P始終接近設(shè)定壓力Po。在用風(fēng)系統(tǒng)需一臺空氣壓縮機運行時,單臺空氣壓縮機變頻運行維持恒壓供風(fēng);用風(fēng)系統(tǒng)運行風(fēng)量不足時,變頻器運行頻率升高為50Hz,原變頻運行空氣壓縮機自動延時轉(zhuǎn)為工頻運行,變頻器啟動另一臺空氣壓縮機變頻運行維持恒壓供風(fēng)。兩臺空氣壓縮機都由變頻器來啟動,實現(xiàn)帶載軟啟動,避免了啟動沖擊電流和啟動給空氣壓縮機帶來的機械沖擊。系統(tǒng)循環(huán)帶載軟啟動、循環(huán)停機的工作方式,實現(xiàn)了供氣量的連續(xù)調(diào)節(jié),保證了總管壓力穩(wěn)定。 （4） 改造后系統(tǒng)運行特點 1） 風(fēng)壓幅值變化小 由于該變頻器是以壓力控制的,即v / f保持恒值,使壓力- 轉(zhuǎn)數(shù)- 功率達(dá)到動態(tài)匹配,在設(shè)定的壓力下穩(wěn)定運行。實測使用變頻運行時,其壓力變化幅值為0. 034MPa即在設(shè)定壓力為0. 5MPa時,其壓力在0. 486～0. 52MPa區(qū)間變化。而工頻運行時,在同樣的條件下,其壓力在0. 368～0. 523MPa區(qū)間變化,其變化幅值為0. 155MPa。因風(fēng)壓幅值變化小,使用風(fēng)負(fù)荷穩(wěn)定,供風(fēng)質(zhì)量好,生產(chǎn)效率高。 2） 噪音低 使用變頻運行時,機房平均噪音為72dB （A） ,排氣時機房噪音平均為81. 125 dB （A） ,不排氣時機房噪音平均76. 625 dB （A） 。使用變頻比使用工頻運行排氣時平均降低噪音9. 125 dB （A） ,不排氣時平均降低噪音4. 625 dB （A） 。由于噪音降低,改善了工作環(huán)境。 3） 操作簡便 使用變頻運行,只要按動起動按鈕就可使設(shè)備運行。甩掉了傳統(tǒng)的減荷閥控制,省去了繁瑣的操作程序,同時,可實現(xiàn)兩臺電動機循環(huán)軟啟動,消除了電機起動時對電網(wǎng)大電流的沖擊現(xiàn)象。 4） 節(jié)約空氣壓縮機潤滑油40% 采用變頻調(diào)速后,在空氣壓縮機低轉(zhuǎn)速運行時,潤滑油耗量也就變小,即所謂"低轉(zhuǎn)速,低潤滑"。以4L220 /3型空氣壓縮機為例,據(jù)統(tǒng)計測算,使用工頻運行時,潤滑油平均每小時用105g,而使用變頻運行平均每小時有42g就夠了。 5） 延長設(shè)備使用壽命 由于變頻器V / f保持恒定值的優(yōu)點,使之壓力- 轉(zhuǎn)速- 功率達(dá)到動態(tài)匹配,轉(zhuǎn)數(shù)明顯降低,一般情況在220～584 r /min之間,機械磨損減小,延長設(shè)備的使用壽命。 6） 提高運行可靠性 原電控系統(tǒng)與改造后電控系統(tǒng)可互為備用,提高了運行可靠性,同時各項保護(hù)措施更加完善。 3　節(jié)能效果分析 設(shè)Po 為現(xiàn)有空壓站的壓力設(shè)定值。系統(tǒng)改造前,因人工控制方式下送氣量不能連續(xù)調(diào)節(jié),為保證正常供氣,須使壓力在Po 附近上下波動。Pmax是最高壓力值,當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到此值時,空壓站關(guān)閉吸氣閥使電機處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。Pmin是最低壓力值,即能夠保證用氣設(shè)備正常工作的最低壓力,當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到此值時,空壓站重新開啟吸氣閥。一般情況下,Pmax、Po、Pmin之間關(guān)系可以用下式來表示: Pmax = （1 + 2δ） Pmin P0 = （1 +δ） Pmin δ是一個百分?jǐn)?shù),其數(shù)值大致在15% ～30%之間,即15% ≤δ≤30%。改造后,系統(tǒng)可連續(xù)調(diào)節(jié)供氣量使管網(wǎng)壓力恒定,因此,可將壓力設(shè)定在能滿足設(shè)備用氣的最低壓力值Pmin附近。改造后系統(tǒng)所節(jié)約的能量主要分析為: （1） 超過Pmin的壓力所消耗的能量 改造后空氣壓縮機對氣體所做的功可以表示為W = Pmin ×Qmin ,可以假設(shè)改造前壓力常年工作在P1附近，此時空氣壓縮機所做的功可以表示為：W1 = （ Pmin +ΔP） （Qmin +ΔQ），式中的ΔP =δPmin、ΔQ ≈ Qo - Qmin ,若假設(shè)系統(tǒng)改造前、后的管網(wǎng)的情況和用氣的工況不變，P -Q之間的管阻曲線是一條二次曲線,通常情況下可以用直線來表示。則系統(tǒng)改造后的節(jié)能率η可以表示為：η = （W1 - W ） /W1=1 - W /W1 由計算可知,節(jié)能率η的值可達(dá)相應(yīng)δ值的一倍以上,因此超壓部分的節(jié)能潛力很大。 （2） 調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量 通常情況下,當(dāng)壓力達(dá)到Pmax時,空氣壓縮機通過關(guān)閉吸氣閥使電機空轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)排氣量,但空氣壓縮機在空轉(zhuǎn)中還是帶動活塞做往復(fù)運動,此時的能耗約占空氣壓縮機滿載運行時的30% ～50%,將這部分能量節(jié)省下來的數(shù)量,也相當(dāng)可觀。 （3） 電機起動時所消耗的能量 空氣壓縮機是大轉(zhuǎn)動慣量負(fù)載,電機空載起動時所需的功率大致相當(dāng)于電機滿載運行時所消耗功率的2～3倍,時間約為1min,這部分能耗在大多數(shù)空壓站中不占主要部分,在某些靠頻繁起動來控制排氣量的空壓站時,這部分能耗就顯得很大。 4　結(jié)語 本系統(tǒng)利用一臺變頻器實現(xiàn)多臺空氣壓縮機的變頻節(jié)能改造,在降低投資的同時實現(xiàn)最佳節(jié)能效果,既降低開機、停機時瞬間電流沖擊對電氣和機械設(shè)備的影響,又提高了設(shè)備運行的可靠性，系統(tǒng)至今運行十分正常,滿足了生產(chǎn)的需要,達(dá)到了預(yù)期節(jié)能效果。根據(jù)節(jié)能測試:采用空氣壓縮機恒壓控制變頻調(diào)速系統(tǒng)平均每天節(jié)電量53kWh。按照年工作日350天計,則采用恒壓控制變頻調(diào)速系統(tǒng)每年可節(jié)電18550kWh,按照現(xiàn)行電價0.85 元/kWh計,每年可節(jié)約電費1.6萬元,兩年內(nèi)即可收回全部投資。該系統(tǒng)應(yīng)用的成功為活塞式空氣壓縮機的節(jié)能運行提供了重要的新手段,對于企業(yè)節(jié)能降耗,提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有重要意義,有廣闊的推廣應(yīng)用前景。