长沙鑫圭机电运用变频技术改造空压机供风系统

1　前言
  在采用管网分布式的供风系统中,一般是以空气压缩机组(简称空压机)作为增压动力设备的,当现场用风负荷瞬时变化时,空压机如采用工频运行方式,则转速恒定,轴输出功率不能随实际用风量的变化自行调节,造成能源有效利用率低,机组损耗大,在用风负荷小时,能耗更为严重。针对以上情况,我段运用变频调速技术原理,对原空压机控制系统进行了改造,使空压机运行中能够根据用风负荷大小自动调整其速度和输出功率,在节能增效方面收到较好的效果。

2　改造前空压机运行情况
  空压机供风运行时,其运行工况受调节阀、减压阀等压力调节系统的控制,当储气罐的压力超过调节阀开启压力时,减压阀关闭,空压机空负荷运行。当储气罐压力下降到调节阀关闭压力时,减压阀打开,空压机又进入负荷运转,向储气罐供气。其系统工作过程,决定了机组总是在空载运行和负载运行两种工况下循环转换,这种调节机理有以下不足:
  (1)空压机空载运行时,对负荷不作功,机组处于空运转,能源没有得到有效利用,机电都有损耗,当管网用风量小时,储气罐压力下降缓慢,空载运行时间有时比负载运行时间还长,机组空载运行消耗功率达到负载运行功率的一半;
  (2)供风压力不稳定,工作压力受调节阀控制,在0.7～0. 8 MPa之间波动;
  (3)由于压力不断变化,使调节系统的调节阀、减压阀等组件总是不断的切换动作,易造成机械磨损与损坏。
3　改造方案及系统组成
  变频改造是用压力传感器、可编程控制器、变频器、空压机等组成一个自动调节电气控制系统,取代原有的机械式压力调节系统,使空压机能根据负荷变化瞬时调节其运行速度和工况,以保持机组佳的运行效率。我段有3台空压机组,单机大容量为132 kW,采用降压启动方式,供风运行时通常只需启动一台空压机组,其余作为备用或轮换使用。技改中,为了能有效地发挥变频器作用,采用了3台空压机共用一套变频器的设计方案。即无论选择哪台空压机运行,都能使其工作在变频调速状态。同时,为了在变频器出现故障时,空压机仍能维持供风运行,除自动变频工作方式外,还在原有降压启动控制装置的基础上,增设了手动应急操作方式,其工作方式的转换是通过相应的“手动/自动”切换开关实现的,增加了系统控制的灵活性。
  (1)压力传感器。用于检测管网实际用风压力的变化,将压力信号转换为标准的电信号,反馈给相应的控制单元进行处理;
  (2)变频器。随用风负荷变化输出相应的频率,控制调节空压机运行速度,变频器容量应根据空压机单机大功率进行选取,我们选用的是日本三肯公司的MF-110型变频器,为电压矢量控制方式;
  (3)可编程控制器。采用公司的S7-200系列PLC,具有内置的PID功能,用于控制压力、流量等,利用它的开关量输入输出模块,实现外部设备切换控制;
  (4)手动/自动开关。实现系统运行方式选择,当开关处于自动位时,空压机在变频调速控制下运行,当开关处于手动位时,空压机工频运行;
  (5)电机控制器。采用变频控制方式时,实现相应机组软启动控制;
  (6)降压起动器是空压机电机原配套的起动控制装置,在选择手动操作方式时,控制相应机组启动运行。

4　变频控制原理
  空压机供风系统的变频调整是通过压力这个受控对象来实现自动调整频率的。当供风管网中用风量发生变化时,其压力也会随之变化,通过压力检测装置,将实际压力信号进行反馈,并与设定的压力信号进行比较,由PLC中内置的PID调节器进行计算处理,然后输出0～5V电压控制信号,控制变频器的频率输出,使空压机终能够根据用风负荷情况自动调整运行速度,从而实现空压机轴输出功率的自动调节。
5　改造后系统的特点
  (1)改变了空压机运行工况及压力调节方式,用一个自动调节的电气控制系统,取代了原有的机械式调节系统,提高了机组运行效率;
  (2)供风压力设定灵活,可通过“压力设定调节电位器”直接调整压力,比过去通过压力调节阀来调整供风压力简单;
  (3)供风压力稳定。由于系统是一个压力闭环控制系统,故当压力值设定好后,空压机变频运行时,始终维持管网压力在设定值上,风压稳定,其用风压力波动范围<3%;
  (4)控制过程可靠,结构简单。系统的逻辑顺号控制功能,以及电气联锁保护都是通过梯形图编程实现,不仅提高了控制过程的可靠性,也简化了控制线路;
  (5)系统中采用的小型ST-200系列PLC,具有浮点运算功能,适用于编制各种PID及改进控制程序,集成电位器可以作为压力调整的输入端,使用非常方便;
  (6)监控显示直观明了,保护功能齐全,在辅助控制柜面板上,设置了能显示设定压力和反馈压力的电子监控装置,变频器自身拥有的诊断功能,使机组出现故障时能显示相应代码,提示维护人员检修;
  (7)为保证系统运行的可靠性,设置了自动变频和手动工频两种启动方式,并通过软件编程实现了两种运行方式的有效互锁连接。

6　结束语
  改造后经过一段时间运行比较,其节果显著,系统运行可靠,有如下几方面优点:
  (1)提高了能源有效利用率,节约了电能。以一台130 kW空压机运行情况为例,其平均消耗功率从过去的110 kW下降为50 kW,年节电达288 000 kW·h;
  (2)改善了供风品质,避免了过去压力控制调节在临界点的频繁切换,使供风压力稳定,满足了用风设备的工艺要求;
  (3)减少了设备维护成本。由于变频运行时采用了电机软启动装置,使机械和电气设备避免了大电流的冲击损害,延长了机电设备使用寿命。

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