变频调速技术在矿山空气压缩机中的应用

10月在肥城矿业集团白庄煤矿对两台 4L 220 /8 型 空气压缩机进行了变频调速节能技术改造 ,节能效 果显著 ,为空气压缩机高效运行开辟了新途径 。
2 变频调速的实现方案
(1) 改造前运行现状 肥城矿业集团白庄煤矿共有四台 4L 220 /8型空 气压缩机 , 两用两备 , 其拖动电机额定功率均为 132kW ,额定电压 380V ,每台空气压缩机都有一台 电机降压起动装置 。平时运行时 ,由操作工每小时 巡检一次各仪表指示 ,根据仪表指示的总管压力值 做出判断 ,手动启 、停空气压缩机 。开车的工作通常 是先关闭送气阀 ,打开放气阀 ,空气压缩机通过起动 器启动 ,等电机的启动过程完成后关上放气阀 ,打开 送气阀 ,空气压缩机开始工作 。空压站的这种控制 方式带来了许多问题 。人工手动开关空气压缩机 , 使供气量无法连续调节 ,当用气量不断变化时 ,供气 压力不可避免地产生较大幅度的波动 ,繁琐操作容 易造成误操作致使设备损坏 ,同时人工开关空气压 缩机对电网和空气压缩机有相当的冲击 。 (2) 变频节能改造思路 选用与一台电机容量相当的 ABB 变频器轮换 驱动两台空气压缩机 ,通过检测储气罐压力 ,实现系 统的压力闭环控制 ,自动调节空气压缩机的转速和 空气压缩机的运转台数 。改造后的空压站控制系统 由两个基本系统组成 ,即恒压变频调速系统和微机 控制参数监测管理系统 。系统工作时 ,压力变送器 YB 将总管压力 P转变为电信号送智能调节仪与压 力设定值 Po 比较 ,并根据差值的大小按既定控制模 式进行运算 ,产生控制信号送变频调速器 VVVF和 可编程控制器 PLC,通过变频器控制电机的转速 ,通 过可编程控制器控制空气压缩机运行的台数 ,使实 际压力 P始终接近设定压力 Po。在用风系统需一 台空气压缩机运行时 ,单台空气压缩机变频运行维 持恒压供风 ;用风系统运行风量不足时 ,变频器运行 频率升高为 50Hz,原变频运行空气压缩机自动延时 转为工频运行 ,变频器启动另一台空气压缩机变频 运行维持恒压供风 。两台空气压缩机都由变频器来 启动 ,实现带载软启动 ,避免了启动冲击电流和启动 给空气压缩机带来的机械冲击 。系统循环带载软启 动 、循环停机的工作方式 ,实现了供气量的连续调 节 ,保证了总管压力稳定 。 (3) 微机监控参数功能的实现
摘 要 : 本文以肥城矿业集团白庄煤矿两台 4L 220 /8型空气压缩机变频调速节能改造系统为例 , 阐述了利用一台变频器实现多台空气压缩机的变频节能改造的思路 、运行参数微机监控功能的实 现 、改造后系统运行特点 、节能效果计算方法等 ,为活塞式空气压缩机节能运行提供了新的手段 。 关键词 : 空气压缩机 ;变频调速 ;微机监控 ;节能 中图分类号 : TD443+ . 2; TP872 文献标识码 : B 文章编号 : 1001 - 0874 (2005) 01 - 0061 - 03
一般采用两种办法 :一种是空气压缩机卸荷运行 ,不 产生压缩气体 ,电动机处于空载运转 ,其用电量仍为 满负载的 30% ～60% ,这部分电能被白白浪废掉 ; 另外一种办法是停止空气压缩机运行 ,但将会带来 电动机的频繁启动 。空气压缩机的空载启动电流大 约是额定电流的 5～7倍 ,对电网及其它用电设备冲 击较大 ,同时使空气压缩机的使用寿命也会缩短 。 为满足生产设备用气要求 ,储气罐内空气运行压力 通常设为 0. 55～0. 65M Pa,目前大多数空气压缩机 均采用切断进气的调节方式来改变排至储气罐的气 量。
系统在进行变频改造的同时增加微机监控功 能 ,就是将空气压缩机的主要参数 (温度 、压力 、流 量 、电量等 )通过传感器进行检测 ,再经过变送 、转 换电路转换成标准信号送计算机系统处理 ,并进行 实时显示 、定时打印和报警提示 。为减小开发难度 , 参数检测管理系统采用 MCGS监控组态软件实现 。
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4) 节约空气压缩机润滑油 40% 采用变频调速后 ,在空气压缩机低转速运行时 , 润滑油耗量也就变小 ,即所谓 "低转速 , 低润滑 "。 以 4L 220 /3型空气压缩机为例 ,据统计测算 ,使用工 频运行时 ,润滑油平均每小时用 105g,而使用变频 运行平均每小时有 42g就够了 。 5) 延长设备使用寿命 由于变频器 V / f保持恒定值的优点 ,使之压力 - 转速 - 功率达到动态匹配 ,转数明显降低 ,一般情 况在 220～584 r/m in之间 ,机械磨损减小 ,延长设备 的使用寿命 。 6) 提高运行可靠性 原电控系统与改造后电控系统可互为备用 ,提 高了运行可靠性 ,同时各项保护措施更加完善 。
Peixian 221611, China) Ab s tra c t: This article takes the energy2saving reformed system of two 4L 220 /8 air comp ressors in B aizhuang Coal M ine of Feicheng M ining Group as instance of frequency control to enunciate the idea of using one frequency converter to realize energy2saving reform of multip le air comp ressors, the realization of m icrocomputer monitoring of running param eters, the operation characteristics of the reform ed system and the computational method of energy2 saving effect. The reform p rovides a new important means for energy2saving operation of p iston air comp ressor. Ke ywo rd s: air comp ressor; frequency control; m icrocomputer monitoring; energy2saving
由计算可知 ,节能率 η的值可达相应 δ值的一 倍以上 ,因此超压部分的节能潜力很大 。
(2) 调节方法不合理所消耗的能量 通常情况下 ,当压力达到 Pmax时 ,空气压缩机通 过关闭吸气阀使电机空转调节排气量 ,但空气压缩 机在空转中还是带动活塞做往复运动 ,此时的能耗 约占空气压缩机满载运行时的 30% ～50% ,将这部 分能量节省下来的数量 ,也相当可观 。 (3) 电机起动时所消耗的能量 空气压缩机是大转动惯量负载 ,电机空载起动 时所需的功率大致相当于电机满载运行时所消耗功 率的 2～3倍 ,时间约为 1m in,这部分能耗在大多数 空压站中不占主要部分 ,在某些靠频繁起动来控制 排气量的空压站时 ,这部分能耗就显得很大 。
1 问题的提出
空气压缩机是矿山生产的重要设备之一 ,它生 产压缩空气 ,用以带动风动凿岩机 、风动装岩机等设 备以及其它风动工具 ,其耗电量约占全矿总电耗的 8% ～11% ,随着矿井的延深 ,耗电量还将进一步增 加 。空气压缩机气量的供求关系主要表现为排气压 力的变化 ,当排气量正好满足生产用气量要求时 ,储 气压力保持不变 ,但由于矿山生产用风量的不均衡 , 而装机容量需根据矿井最大用风量并留有余量设 计 ,故实际运行中空气压缩机供风量远大于实际用 风量 。若空气压缩机仍恒速运转 ,则储气罐内的气 体压力越来越大 ,当罐内压力上升达到设定压力时 ,
3 节能效果分析
4 结语
设 Po 为现有空压站的压力设定值 。系统改造 前 ,因人工控制方式下送气量不能连续调节 ,为保证
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正常供气 ,须使压力在 Po 附近上下波动 。 Pmax是最 高压力值 ,当管网压力达到此值时 ,空压站关闭吸气
随着电力电子技术的发展 ,目前最佳解决方案 是对空气压缩机实行变频调速节能控制 。 2003 年
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The App lica tion of Frequency Contro l Techno logy in M ine A ir Comp re sso r
L IU R u i2guo1 , PEN G Yan2sheng2 , CHEN Yan3 (1. Shandong University of Science and Technology, Tai’an 271019, China; 2. B aizhuang Coal M ine, Feicheng M ining Group , Feicheng 271000, China; 3. Fully M echanized M ining Equipment Station, Datun Coal & Electric ( Group ) Co. , L td. ,
每台空气压缩机被监测的主要参数有 : 1) 温度 主要是一级排气温度 、二级排气温度 、电机温 度 、润滑油温度及冷却水温度 。 2) 压力 主要是一级排气压力 、二级排气压力 、润滑油压 力及冷却水压力 。 系统可对每台空气压缩机的一级排气温度过 温 、二级排气温度过温 、电机温度过温 、冷却水压力 低 、流量低 、及润滑油低压力实现越限报警 ,延时停 机功能 。由温度 、压力 、流量传感器检测出的参数值 经信号转换电路变成电压信号与相应参量设定的报 警值相比 较 , 若 越 限 则 输 出 报 警 信 号 (指 示 灯 指 示 ) ,同时在显示器画面上进行报警提示 ;若连续越 限 ,则自动停机并声响报警 。 (4) 改造后系统运行特点 1) 风压幅值变化小 由于该变频器是以压力控制的 ,即 v / f 保持恒 值 ,使压力 - 转数 - 功率达到动态匹配 ,在设定的压 力下稳定运行 。实测使用变频运行时 ,其压力变化 幅值为 0. 034M Pa即在设定压力为 0. 5M Pa时 ,其压 力在 0. 486 ～0. 52M Pa区间变化 。而工频运行时 , 在同样的条件下 ,其压力在 0. 368～0. 523M Pa区间 变化 ,其变化幅值为 0. 155M Pa。因风压幅值变化 小 ,使用风负荷稳定 ,供风质量好 ,生产效率高 。 2) 噪音低 使用变频运行时 ,机房平均噪音为 72dB (A ) , 排气时机房噪音平均为 81. 125 dB (A ) ,不排气时机 房噪音平均 76. 625 dB (A ) 。使用变频比使用工频 运行排气时平均降低噪音 9. 125 dB (A ) ,不排气时 平均降低噪音 4. 625 dB (A ) 。由于噪音降低 ,改善 了工作环境 。 3) 操作简便 使用变频运行 ,司机只要按动起动按钮就可使 设备运行 。甩掉了传统的减荷阀控制 ,省去了繁琐 的操作程序 ,同时 ,可实现两台电动机循环软启动 , 消除了电机起动时对电网大电流的冲击现象 。
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刘瑞国 1 ,彭延生 2 ,陈艳 3
(1. 山东科技大学 , 山东 泰安 271019; 2. 肥城矿业集团公司 白庄煤矿 , 山东 肥城 271000; 3. 大屯煤电 (集团 )公司 综机站 , 江苏 沛县 221611)