空压机系统自动化改善方案可行性评估

空压机在工业生产中有着广泛地应用。在名种行业中，它担负着为工厂所有气动元件，包括各种气动阀门，提供气源的职责。因此它运行的好坏直接影响工厂生产工艺。空压机的种类有很多，但其供气控制方式几乎都是采用加、卸载控制方式。例如台湾复盛空压机、德国螺霸螺杆式空压机和尚爱中高压活塞式空压机都采用了这种控制方式。该供气方式虽然原理简单、操作方便，但存在耗电量高、进气阀易损坏、供气压力不稳定等问题。         

传统空压机供气系统电能浪费主要有如下几个方面：
    传统空压机供气系统的工作状态主要有两种：一种是加载状态，另一种是空载状态。

(1) 加载时的电能消耗
    加载状态是，在压力达到最小值后，原控制方式决定其压力会继续上升直到{zd0}压力值。在加压过程中,一定要向外界释放更多的热量，从而导致电能损失。另一方面，高于压力{zd0}值的气体在进入气动元件前，其压力需要经过减压阀减压,这一过程同样是一个耗能过程。
   (2) 卸载时电能的消耗
    空载状态时，当压力达到压力{zd0}值时，空压机通过如下方法来降压卸载:关闭进气阀使电机处于空转状态，同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空。这种调节方法要造成很大的能量浪费。据我们测算，空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的10%～25%,这还是在卸载时间所占比例不大的情况下。换而言之，该空压机20%左右的时间处于空载状态，在作无用功。很明显在加卸载供气控制方式下，空压机电机存在很大的节能空间。
     传统空压机供气系统的压力控制是上下限控制，首先根据生产设备的{zd1}压力要求，设定空压机输出压力的下限，也就是空压机开始加载的压力；再在{zd1}压力上加1帕左右，作为空压机输出压力的上限，即开始卸载的压力。空压机的输出工作压力将在上下限之间波动。空压机的功率消耗和输出压力成正比。输出的压力越高消耗的功率也越大，从输出压力的下限到上限的1帕的压差将多消耗总功率的7-10%。
     在传统供气空压机系统中，如果有多台空压机同时运行，每台空压机的输出压力都将随着管网的压力波动而在上下限之间波动，所以每台机都多消耗7-10%的额定功率。
     传统空压机供气系统中运行参数的设定不同也会造成空压机用电量的不同，必须根据用气工况进行设定，才能达到最经济的运行效果。
     传统空压机供气系统由于电机不允许频繁启动，导致在用气量少的时候电机仍然要空载运行，浪费电能。经常卸载和加载导致整个气网压力经常变化，不能保持恒定的工作压力。
  空压机工作原理
    螺杆压缩机的工作原理可分为进气，压缩和排气三个过程。随着转子旋转，每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环。
    进气过程：转子转动时，阴阳转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时，其空间{zd0}，此时转子齿沟空间与进气口的相通，因在排气时齿沟的气体被xx排出，排气完成时，齿沟处于真空状态，当转至进气口时，外界气体即被吸入，沿轴向进入阴阳转子的齿沟内。当气体充满了整个齿沟时，转子进气侧端面转离机壳进气口，在齿沟的气体即被封闭。
    压缩过程：阴阳转子在吸气结束时，其阴阳转子齿尖会与机壳封闭，此时气体在齿沟内不再外流。其啮合面逐渐向排气端移动。啮合面与排气口之间的齿沟空间渐渐件小，齿沟内的气体被压缩压力提高。
    排气过程：当转子的啮合端面转到与机壳排气口相通时，被压缩的气体开始排出，直至齿尖与齿沟的啮合面移至排气端面，此时阴阳转子的啮合面与机壳排气口的齿沟空间为0，即完成排气过程，在此同时转子的啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度又达到最长，进气过程又再进行。
   从上述工作原理可以看出，螺杆压缩机是一种工作容积作回转运动的容积式气体压缩机械。气体的压缩依靠容积的变化来实现，而容积的变化又是借助压缩机的一对转子在机壳内作回转运动来达到。

根据车间冲床和其它设备工作特点，它所消耗的压缩空气是间隔性的。经现场观察统计，空气压缩机工作打压时间和卸荷时间各占一半，工作加载和卸载时电机电流分别为额定电流的81.6%和36.5%，有相当的节能空间。为此，我们选用变频器对空压机控制部分进行改造，使其在不同的情况下自动进行变频调速，达到{zj0}运行状态。使用后以达到节能的效果。

现在我们就来说一下变频节能的原理 根据异步电动机的转速公式n=60f(1-s)/P,在磁极对数P固定，可忽略转差率s的前提下，转速n仅决定于电源频率f。因此若改变电源频率，即可控制电机实现无级调速，实现电机的软启动，从而减少启动电流对电网的冲击。空压机在加载和卸载两个状态下，其转矩是相对恒定的。因此，功率与转速成正比，降低转速即可实现节能。针对空压在整个工作过程中，卸载时间占一半而负荷很小的特点，选用变频器调频降速，减少电机的输入功率，即可达到节能目的。以复盛空压机为例电机为380V、20kW。因此选用FUJI G11变频器，其功率按电机功率的1.15倍选，为23kW，输入电流为150A。该变频器适用380V、50~60Hz电源，输出频率调节为0.1~400Hz,可显示电机的设定频率、运行频率、转速、电流、电压等。

工作原理 该系统在原控制和保护功能的基础上，增加1个安装在风包上的压力变送器MB26，1个AI 708人工智能调节器。用1个电磁阀取代原空压机上的压力调节器控制空压机工作和卸荷。空压机经变频控制办启动后，变频器供给380V、50Hz电源进行打压。随着风包压力的逐渐增加，MB26将风包压力信号传递到AI 708，当达到设定的上限0.65MPa时，AI 708发出两个指令，一条控制电磁阀动作，使压风机卸荷；另一条通知变频器主机开始变频，在设定的降频时间内，由50Hz降为20Hz，电机作超低速运行。 随着装卸载系统工作，风包内风压逐渐下降，当AI 708判断由MB26送来的压力信号达到下限0.50MPa时，发出两个指令分别控制电磁阀动作，使压风机处于工作打压状态。同时，变频器由20Hz升频，经过设定的升频时间达到50Hz，为电机正常供电，完成一个控制的全过程。如此循环进行，实现自动变频控制。

预计回收成本.节能效果分析

    本系统利用变频器实现多台空气压缩机的变频节能改造,在降低投资的同时实现{zj0}节能效果,既降低开机、停机时瞬间电流冲击对电气和机械设备的影响,又提高了设备运行的可靠性，系统至今运行十分正常,满足了生产的需要,达到了预期节能效果。例:我司巨风空压机主电机为22KW.公司上班按照目前的22天两班倒,可以做以下计算.

1.       改造前

22KWⅩ90%=19.8KW/时(度/时)

市电计价￥1.05元/度，使用时间按每月30天,每天20小时，则每月空压机马达部分的电费约为：                     19.8度/小时X 22小时X22天X ￥1.05元/度＝￥10062.36元/月

2.       改造后

 22KWⅩ90%=19.8KW/时(度/时)       每月按节约成本25%计算

          19.8度/小时X 22小时X22天X ￥1.05元/度＝￥10062.36元/月Ⅹ75%=7546.77元/月

          年收益率.

可节约成本10062.36元/月-7546.77元/月Ⅹ12月=30187.08元

以上以一台巨风空压机为例说明，具体数据以试机实测数据为准。
           预期，所有投资可于6-10个月内通过电费节省回收。   （回收期与开机率相关）

具体改造实施方案:

改造前空压站问题的提出

通常空压站由多台空压机组成，每台空压机都由一台电机拖动，独立进行控制。在实际工作中，空压站按{zd0}工作负荷而设计的，所以在用气量少时，启动1-2台机组，用气量大时，启动多台并联运行，在系统预设管网压力值,系统将自动根据预设的压力值的下限与上限进行自动的加载和卸载，用来满足用气量。空压站这种控制方式，带来许多问题。如：螺杆式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,但由于生产用风量的不均衡,而装机容量需根据生产{zd0}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,一般采用两种办法:一种是空气压缩机卸荷运行（关闭入气阀）,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% ～50% , 还有空压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满载运行所消耗2-3倍，运行时间约为5-60S，在频繁起动控制排气量时，对电网冲击大，能耗明显增加，这部分电能也被白白浪费废掉;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. 65MPa,压力设定范围太大则会形成管路高压力，高传送损耗，漏气，而且气压大范围波动无法满足现代生产工艺的需求。

  2.变频器的实际中的应用

      变频恒压控制方式是通过系统A/D﹑D/A+变频器内置的PID自动调节输气量与设定量的差值，使压力恒定，系统压力通过压力变送器将管网压力转变成电信号送到系统,经过系统的计算后通过D/A转换成摸拟信号给变频器的PID调节单元,使空压站的拖动电机通过变频器输出相应的转速来控制压缩机的运行速度及台数，使实际压力与设定压力相等来达到恒压目的，实现供气的连续调节，保证管网压力稳定。变频器恒压供气系统是根据管网瞬时用气量的变化自动调节空压站中央空压机的转速和运转台数，使管网压力始终保持恒定的设定压力，从而达到了空压机的节能降耗和提高供气质量的目的，同时实现了控制过程的自动化，并且对空压机进行了超压、过载、过流、欠压等自动报警保护。  工作原理说明:  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J1将总管压力Q转变为电信号送入A/D与压力设定值QL 比较,并根据差值的大小按给定控制模式进行运算,产生控制信号送变频调速器,通过变频器控制电机的转速,通过控制系统,控制空气压缩机运行的台数,使实际压力Q始终接近设定压力QL。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;当用风系统风量不足时,变频器运行频率升高为50Hz，（或当电机运行速度接近工频速度时通过自动延时转为工频运行）,再启动另一台空气压缩机变频运行维持恒压供风，这样如此类推。多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。工作原理图示:

3.系统改造使用特点

 ①气压幅度小

   变频器的作用原理就是以电流的形式来实现设备的软起动.起动后根据设定信号来自动调节所需.达到一个保持恒压的状态.使压力-转数-功率-设定达到一种相应动态匹配的效果.理论效果假设设定气压为0.55MPA.在设备正常的运转的情况下.其气压升降幅度应为0.05MPA.即气压应在0.5 MPA~0.6MPA.而在没有使用变频器时.在同样的条件下.其压力在0.5MPA~0.65MPA..其其气压升降幅度应为0.075MPA.气压在相对稳定后.供气质量就可以提高.生产时的设备相关故障便会有所降低.

 ②操作系统简化

   实现设备软起动后.便有效的简化的相关的操作流程.既实现一键起动.在使用过程中尽量的减少了对空压机的加减载电磁阀的使用.有效的减少的加载时对电网的冲击.

 ③降低设备使用磨损

   实现设备软起动.恒压供气后.以‘低转速.低润滑.低损耗’相对来讲减少了设备使用的相关油品.

 ④延长了设备的的使用寿命

   实现设备的软起动.恒压供气后.在降低设备磨损的同时也延长的设备相关消耗品的使用寿命.更重要的是使

功率—转速—压力有了一个动态互补的匹配性.从而使用设备整体的降低的磨损.延长的整体的使用寿命.

 ⑤提高的设备的稳定性

  原电气控制系统(工频)与改造后的电气控制系统可互为备用.要据需要进行转换.且改造后系统完善了保护措施

(过流保护.过压保护.过载保护.过热保护.电机相间保护.对地短路保护等).丛而提高了设备的稳定性.可靠性.

 ⑥噪音的降低

 原系统加载时会有很大的噪音.在实现恒压供气.减少了加载与减载的次数.同时降低的噪音源的出现次数和分贝.从而可以说是降低的噪音.

三．空压机恒压供气系统案例介绍
1 原供气系统介绍
  某炼油厂聚丙烯供气系统共有三台75KW空压机，如下图二，是原聚丙烯空压机供气系统工作流程图，采用两台空压机工频供电运行，另一台空压机作备用。
  存在问题是由于工作空压机是用工频供电运行，始终处于满负荷运行，赶产量用气高峰时有气压偏低现象；用气低谷时，特别是节假日休息时，供气压量特别大（该炼油厂聚丙烯供气系统24小时运行）。容易损坏排气阀门或气管爆裂，同时浪费了电能，降低了设备使用寿命。希望恒压供气，三台聚丙烯空压机均衡工作运行。

   针对聚丙烯空压机系统供气控制方式存在的诸多问题，我们对该厂三台75KW聚丙烯空压机采用变频调速技术进行恒压供气控制。使用三台75KW传动之星通用型，对该供气系统进行节能改造，根据厂家的要求设计了一套实用性很强的方案，采用一拖一带工频旁路，两台运行一台备用的方式。我们把聚丙烯空压机供气系统的管网压力作为控制对象，用压力变送器SP采集储气罐的压力P转变为电信号送给PID自整定控制，与PID自整定控制的压力设定值SV作比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号送，通过来控制电机的工作频率与转速，从而使实际压力P始终接近设定压力值SV。还在PID自整定控制上预设了报警功能，当测量值超出上限设定值时AL1发出报警信号，当测量值低于下限设定值时AL2发出报警信号。通过、压力传感器与PID自整定控制的有机结合，构成供气闭环自动控制系统，自动调节空压机的输出压力。使每台空压机的利用率均等，增加系统、管道压力的稳定性和可靠性，方便技术员控制和维护设备。
   该恒压供气控制系统增加工频与变频切换功能，并保留原有的控制和保护系统，另外，采用该方案后，空压机电机从静止到旋转工作可由来启动，实现了软启动，避免了启动冲击电流和启动给空压机带来的机械冲击。
   4．3 系统的参数设置
        F0-000=1：设定为1，运行指令由外部端子控制
　　　　F0-001=3：选择CCI输入模拟信号DC“4-20MA”调节频率
　　　　F0-007=30： 加速时间设定为30S，具体数值根据工况及生产要求
　　　　F0-008=30： 减速时间设定为30S，具体数值根据工况及生产要求
　　　　F0-005=50： {zd0}频率设定为50Hz (等于电机额定频率)
　　　　F0-006=25： 下限频率设定为25Hz
　　　　F0-024=130：电机过载保护水平:具体数值根据工况及生产要求
　　　　F0-019=8.5： {zd0}给定压力值， PI数字给定值 (10对应10KG)
　　　　F0-020=2： 最小给定压力值
  　注：请按实际工况设置参数,以上参数只能供参考。
四.系统节能改造后的节能效果
  　1. 空压机属于恒转矩负载，即转矩在不同速度下相同的，但所需功率也和速度成正比关系，所以当转速降低时所需功率也随之下降，从而达到节能的目的。
    2. 变频空压机的压力设定可以是一点，即可以将满足生产设备要求的{zd1}压力作为设定压力，变频空压机将根据管网压力上下波动的趋势，调节空压机转速的快慢，甚至xx了空压机的卸载运行，节约了电能。
  　3. 由于变频空压机使得管网上下压力稳定，可以降低甚至xx压力的波动，从而使系统中所有运行的空压机都在一个满足生产要求的较低的压力下运行，减少了压力向上波动造成的功率损失。
  　4. 由于压缩机不能排除在满负载状态下长时间运行的可能性，所以，只能按{zd0}需求来决定电动机的容量，故设计容量一般偏大。在实际运行中，轻载运行的时间所占的比例是非常高的。如采用变频调速，可大大提高运行时的工作效率。因此，节能潜力很大。
    5. 有些调节方式（如调节阀门开度和改变叶片的角度等），即使在需求量较小的情况下，也不能减小电动机的运行功率。采用了变频调速后，当需求量较小的情况下，可降低电动机的转速，减小电动机的运行功率，从而进一步实现节能。
  　6. 单电动机拖动系统大多不能根据负载的轻重连续地调节。而采用了变频调速后，则可以十分方便地进行连续调节，能保持压力、流量、温度等参数的稳定，从而大大提高压缩机的工作性能。                  

五．传动之星通用型的优点

　　　　1. 可以大量节约电能；
　　　　2. 采用独特的空间矢量（SVPWM）调制方式；
　　　　3. 操作简单，具有键盘锁定功能，防止误操作；
　　　　4. 电机运行噪声大大降低；
　　　　5. 供气压力平稳，提高了压力控制精度；
　　　　6. 空压机的加卸载次数大大减少，降低进气阀运行部件的磨损；
　　　　7. 具有过载、过压、过流、欠压、电源缺相等自动保护功能及声光报警功能；
　　　　8. 在保证润滑的前题下，对机械方面也是大有益处，由于转动速度大部分时间在低于原设计转速的情况      下运行，各转动部件的磨损大降低，空压机的使用寿命得以延长。
六．结语
   该系统采用调速整置实现恒压供气，使用方便，工作可靠，系统压力恒定，具有较好的控制效果。最主要的是实现了高交节能，节能效果可达30%左右，同时由于采用对电机实行软起动，减少了设备损耗，延长了空压机的使用寿命。综上所述，采用PID自整定控制与为核心部件构成的变频恒压供气系统，具有很强的实用性，为供气领域的技术革新，开辟了切实有效的途径。