【壓縮機(jī)網(wǎng)】某公司在生產(chǎn)中需要大量的壓縮空氣來供給噴氣織機(jī)使用，而這些壓縮空氣都需要空氣壓縮機(jī)(以下簡稱空壓機(jī))來供應(yīng)。生產(chǎn)中要求壓縮空氣的供應(yīng)連續(xù)穩(wěn)定，但生產(chǎn)車間效率忽高忽低，用氣量不穩(wěn)定，因此5臺250kW的空壓機(jī)必須連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。4臺空壓機(jī)長期加載運(yùn)行，1臺空壓機(jī)加卸載運(yùn)行。針對現(xiàn)有空壓機(jī)系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中存在的問題，某公司對該系統(tǒng)進(jìn)行了變頻改造，具體方案如下。
空壓機(jī)的工作原理及存在的問題
空壓機(jī)是由一對相互平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子齒槽之間的空氣不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，空氣則沿著轉(zhuǎn)子軸線由吸入側(cè)輸送至輸出側(cè)，實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮和排氣的過程?？諌簷C(jī)的主電機(jī)為250kW，運(yùn)行方式為星-角形減壓起動，即按下啟動按鈕，電機(jī)開始星形減壓起動，這時進(jìn)氣閥門關(guān)閉，而放氣閥門打開以排放油氣分離器內(nèi)的壓力；延時10s后，空壓機(jī)從星形自動改接成角形運(yùn)行，此時進(jìn)氣閥門打開，機(jī)組滿載運(yùn)行，若所需氣量低于額定排氣量，排氣壓力上升；超過設(shè)定的壓力z*大值時，進(jìn)氣閥門關(guān)閉，油氣分離器放氣，則空壓機(jī)卸載運(yùn)行；當(dāng)壓力下降到z*小壓力值時，則進(jìn)氣閥門打開，油氣分離器放氣閥關(guān)閉，空壓機(jī)加載運(yùn)行。
以上系統(tǒng)在運(yùn)行中存在著以下問題：
(1) 能耗大?？諌簷C(jī)的加卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在z*小值和z*大值之間來回變化，當(dāng)壓力達(dá)到z*大值時，空壓機(jī)通過關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放氣閥放出，造成能量浪費(fèi)；另外，空壓機(jī)在空載時還是要帶動螺桿做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，空壓機(jī)卸載時的能耗約為滿載運(yùn)行時的40%，就是說空壓機(jī)在卸載運(yùn)行時消耗了一定的能量卻在做無用功。
(2) 當(dāng)噴氣織機(jī)開車效率低時，用氣量減少，空壓機(jī)卸載時間長，造成能源浪費(fèi)。這段時間若改為休眠控制，其節(jié)能收益可觀。
(3) 靠周期性地開關(guān)進(jìn)氣閥，使系統(tǒng)無法連續(xù)供氣，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，用氣精度難以滿足工藝要求。再加上系統(tǒng)在運(yùn)行中頻繁調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥和放氣閥，會加速進(jìn)氣閥和放氣閥的磨損，增加維修成本。
(4) 主電機(jī)在工頻啟動時，對啟動設(shè)備的沖擊大，電機(jī)軸承的磨損大，設(shè)備維修量大。
(5) 主電機(jī)雖然星-角形減壓啟動，但啟動時的電流仍然很大，會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定及其他用電設(shè)備的運(yùn)行安全。周期性的加卸載同樣會使電流波動大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
噴氣織機(jī)用壓縮空氣節(jié)能控制原理
1、系統(tǒng)組成
隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和成熟，變頻調(diào)速器逐漸得到推廣和應(yīng)用，為此，我們成功的將EV2000型變頻器和PLC、人機(jī)界面連接在一起，對空壓機(jī)進(jìn)行休眠和PD控制。由壓力傳感器、PLC、變頻器、人機(jī)界面、變頻器輸入輸出電抗器等組成壓力閉環(huán)和休眠控制系統(tǒng)，對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。
PLC:接收壓力傳感器的信號，進(jìn)行內(nèi)部比較，如果壓力信號大于z*高壓力設(shè)定，則輸出信號給變頻器，使變頻器帶動空壓機(jī)休眠停車；如果壓力信號小于z*低壓力設(shè)定，則變頻器由休眠轉(zhuǎn)為PD閉環(huán)運(yùn)行。
EV2000型變頻器：接收PLC的信號進(jìn)行PD閉環(huán)控制或休眠停機(jī)，設(shè)定z*低運(yùn)行頻率為20Hz。EV2000型變頻器實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速驅(qū)動，符合通用變頻器高性能化的趨勢，具有優(yōu)秀的防跳閘性能和適應(yīng)惡劣電網(wǎng)、溫度和粉塵的能力。再加上輸入、輸出電抗器的抗干擾設(shè)備，減少了變頻器對電網(wǎng)的干擾。
人機(jī)界面：可設(shè)定系統(tǒng)z*高壓力值、z*低壓力值，并顯示實(shí)際管道的實(shí)際壓力值。
電鈴：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障停車，管道壓力低于0.6MPa時，電鈴報(bào)警。
系統(tǒng)組成示意圖見圖1。
2、變頻器的PD運(yùn)行
在空壓機(jī)出氣管道處安裝壓力傳感器，用來獲得所需要的電流信號，賦予PLC。經(jīng)過PLC比較，若處于0.6MPa～0.7MPa，當(dāng)系統(tǒng)用氣量小時，空壓機(jī)出口的壓力升高，傳感器的電流值增加，變頻器與設(shè)定值比較后得到偏差ε，ε經(jīng)過PD調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)后使輸出的頻率逐漸變小，電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，排氣量減少；當(dāng)系統(tǒng)用氣量大時，系統(tǒng)壓力逐漸降低，變頻器輸出頻率升高，電動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，排氣量增大，滿足系統(tǒng)用氣量要求；當(dāng)供氣量與用氣量基本持平時，變頻器就會以該點(diǎn)的頻率運(yùn)行，空壓機(jī)一直運(yùn)行于z*經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)。改造前后系統(tǒng)運(yùn)行對比見圖2。
3、PLC控制變頻器休眠階段
若噴氣織機(jī)開車效率低，用氣量小時，變頻器運(yùn)行頻率逐步下降，當(dāng)降到20Hz時(設(shè)定變頻器z*低運(yùn)行頻率為20Hz)頻率不再下降，這時車間用氣量仍然沒有提高，則空壓機(jī)側(cè)的壓力會逐步升高。當(dāng)升高到設(shè)定值0.7MPa，則傳感器采取管道的壓力信號賦予PLC，PLC把傳感器的信號進(jìn)行比較。若壓力信號高于0.7MPa，則PLC的Y0輸出信號給變頻器的多功能端子X1使變頻器休眠；若壓力信號低于0.6MPa時，PLC的Y0端子停止輸出，變頻器由休眠狀態(tài)進(jìn)入PD閉環(huán)運(yùn)行階段。改造前后系統(tǒng)運(yùn)行對比見圖3。
系統(tǒng)調(diào)試
根據(jù)工藝要求、電機(jī)參數(shù)、負(fù)載特性設(shè)置變頻器的參數(shù)，進(jìn)行工頻試運(yùn)行。觀察變頻器頻率上升時的情況、設(shè)備運(yùn)行聲音是否正常、空壓機(jī)的壓力上升是否正常，如一切正常則改換恒壓PD閉環(huán)控制。觀察變頻器的頻率上升與下降速度，使其與空壓機(jī)壓力的升降相匹配，變頻器PD運(yùn)行時，壓力振蕩控制在0.02MPa。注意機(jī)器共振點(diǎn)，將共振點(diǎn)附近的頻率跳過去。在人機(jī)界面設(shè)定z*低壓力值和z*高壓力值。若系統(tǒng)達(dá)到z*高壓力值時，變頻器休眠運(yùn)行；達(dá)到z*低壓力值時，變頻器啟動空壓機(jī)進(jìn)行PD閉環(huán)運(yùn)行。
在調(diào)試變頻器時應(yīng)注意以下問題：
(1) 變頻器的啟動時間。
(2) PD閉環(huán)控制時，調(diào)節(jié)比例增益和積分增益使其變化平穩(wěn)，減小壓力波動，使壓力平穩(wěn)。
(3) 如果變頻器對其他設(shè)備的干擾很大，則可將其載波頻率調(diào)低，但這樣會使電機(jī)的噪聲增大。
(4) 因變頻器帶動的是普通異步電動機(jī)，所以變頻器在低頻運(yùn)行時要注意電動機(jī)的溫度。
空壓機(jī)變頻改造后的效益
1、節(jié)約能源
變頻器控制空壓機(jī)是根據(jù)生產(chǎn)中空氣量的需求來給定的，減少了空載時的無用功，節(jié)約了電能。
從上述數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)通過改造，其節(jié)電效果十分明顯。如果空壓機(jī)工作時間每年按350天來計(jì)算，則每年可節(jié)電8.4X105kW·h。
2、提高壓力控制精度
變頻控制具有精確的壓力控制能力，使空壓機(jī)的空氣壓力輸出與用氣設(shè)備所需的氣量相匹配，變頻控制空壓機(jī)的輸出氣量隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變。變頻器控制電機(jī)速度的精度提高，可以使儲氣罐中的壓力保持在0.7MPa左右，減少了壓力波動。若噴氣織機(jī)開車效率低用氣量小時，還可使空氣壓縮機(jī)自動停車，待壓力低時自動啟動。
3、延長機(jī)器使用壽命
變頻器的軟啟動可以減少啟動時對空壓機(jī)電器部件和機(jī)器部件的沖擊,增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性,延長使用壽命。
4、保證電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行
由于頻繁的加卸載運(yùn)行，電流波動較大，這一波動電流影響電網(wǎng)的用電質(zhì)量，而變頻器PD閉環(huán)控制則避免了這項(xiàng)缺陷。
結(jié)論
噴氣織機(jī)用壓縮空氣的節(jié)能改造不僅保證了生產(chǎn)，而且節(jié)約了大量的電力資源。當(dāng)前的能源緊缺已成為我們不得不面對的現(xiàn)實(shí)，生產(chǎn)型企業(yè)通過有效提高生產(chǎn)效率、改進(jìn)工藝、節(jié)能降耗從而降低生產(chǎn)成本，已經(jīng)成為企業(yè)生存發(fā)展的重要因素。
空壓機(jī)的工作原理及存在的問題
空壓機(jī)是由一對相互平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子齒槽之間的空氣不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，空氣則沿著轉(zhuǎn)子軸線由吸入側(cè)輸送至輸出側(cè)，實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮和排氣的過程?？諌簷C(jī)的主電機(jī)為250kW，運(yùn)行方式為星-角形減壓起動，即按下啟動按鈕，電機(jī)開始星形減壓起動，這時進(jìn)氣閥門關(guān)閉，而放氣閥門打開以排放油氣分離器內(nèi)的壓力；延時10s后，空壓機(jī)從星形自動改接成角形運(yùn)行，此時進(jìn)氣閥門打開，機(jī)組滿載運(yùn)行，若所需氣量低于額定排氣量，排氣壓力上升；超過設(shè)定的壓力z*大值時，進(jìn)氣閥門關(guān)閉，油氣分離器放氣，則空壓機(jī)卸載運(yùn)行；當(dāng)壓力下降到z*小壓力值時，則進(jìn)氣閥門打開，油氣分離器放氣閥關(guān)閉，空壓機(jī)加載運(yùn)行。
以上系統(tǒng)在運(yùn)行中存在著以下問題：
(1) 能耗大?？諌簷C(jī)的加卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在z*小值和z*大值之間來回變化，當(dāng)壓力達(dá)到z*大值時，空壓機(jī)通過關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放氣閥放出，造成能量浪費(fèi)；另外，空壓機(jī)在空載時還是要帶動螺桿做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，空壓機(jī)卸載時的能耗約為滿載運(yùn)行時的40%，就是說空壓機(jī)在卸載運(yùn)行時消耗了一定的能量卻在做無用功。
(2) 當(dāng)噴氣織機(jī)開車效率低時，用氣量減少，空壓機(jī)卸載時間長，造成能源浪費(fèi)。這段時間若改為休眠控制，其節(jié)能收益可觀。
(3) 靠周期性地開關(guān)進(jìn)氣閥，使系統(tǒng)無法連續(xù)供氣，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，用氣精度難以滿足工藝要求。再加上系統(tǒng)在運(yùn)行中頻繁調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥和放氣閥，會加速進(jìn)氣閥和放氣閥的磨損，增加維修成本。
(4) 主電機(jī)在工頻啟動時，對啟動設(shè)備的沖擊大，電機(jī)軸承的磨損大，設(shè)備維修量大。
(5) 主電機(jī)雖然星-角形減壓啟動，但啟動時的電流仍然很大，會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定及其他用電設(shè)備的運(yùn)行安全。周期性的加卸載同樣會使電流波動大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
噴氣織機(jī)用壓縮空氣節(jié)能控制原理
1、系統(tǒng)組成
隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和成熟，變頻調(diào)速器逐漸得到推廣和應(yīng)用，為此，我們成功的將EV2000型變頻器和PLC、人機(jī)界面連接在一起，對空壓機(jī)進(jìn)行休眠和PD控制。由壓力傳感器、PLC、變頻器、人機(jī)界面、變頻器輸入輸出電抗器等組成壓力閉環(huán)和休眠控制系統(tǒng)，對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。
PLC:接收壓力傳感器的信號，進(jìn)行內(nèi)部比較，如果壓力信號大于z*高壓力設(shè)定，則輸出信號給變頻器，使變頻器帶動空壓機(jī)休眠停車；如果壓力信號小于z*低壓力設(shè)定，則變頻器由休眠轉(zhuǎn)為PD閉環(huán)運(yùn)行。
EV2000型變頻器：接收PLC的信號進(jìn)行PD閉環(huán)控制或休眠停機(jī)，設(shè)定z*低運(yùn)行頻率為20Hz。EV2000型變頻器實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速驅(qū)動，符合通用變頻器高性能化的趨勢，具有優(yōu)秀的防跳閘性能和適應(yīng)惡劣電網(wǎng)、溫度和粉塵的能力。再加上輸入、輸出電抗器的抗干擾設(shè)備，減少了變頻器對電網(wǎng)的干擾。
人機(jī)界面：可設(shè)定系統(tǒng)z*高壓力值、z*低壓力值，并顯示實(shí)際管道的實(shí)際壓力值。
電鈴：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障停車，管道壓力低于0.6MPa時，電鈴報(bào)警。
系統(tǒng)組成示意圖見圖1。
2、變頻器的PD運(yùn)行
在空壓機(jī)出氣管道處安裝壓力傳感器，用來獲得所需要的電流信號，賦予PLC。經(jīng)過PLC比較，若處于0.6MPa～0.7MPa，當(dāng)系統(tǒng)用氣量小時，空壓機(jī)出口的壓力升高，傳感器的電流值增加，變頻器與設(shè)定值比較后得到偏差ε，ε經(jīng)過PD調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)后使輸出的頻率逐漸變小，電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，排氣量減少；當(dāng)系統(tǒng)用氣量大時，系統(tǒng)壓力逐漸降低，變頻器輸出頻率升高，電動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，排氣量增大，滿足系統(tǒng)用氣量要求；當(dāng)供氣量與用氣量基本持平時，變頻器就會以該點(diǎn)的頻率運(yùn)行，空壓機(jī)一直運(yùn)行于z*經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)。改造前后系統(tǒng)運(yùn)行對比見圖2。
3、PLC控制變頻器休眠階段
若噴氣織機(jī)開車效率低，用氣量小時，變頻器運(yùn)行頻率逐步下降，當(dāng)降到20Hz時(設(shè)定變頻器z*低運(yùn)行頻率為20Hz)頻率不再下降，這時車間用氣量仍然沒有提高，則空壓機(jī)側(cè)的壓力會逐步升高。當(dāng)升高到設(shè)定值0.7MPa，則傳感器采取管道的壓力信號賦予PLC，PLC把傳感器的信號進(jìn)行比較。若壓力信號高于0.7MPa，則PLC的Y0輸出信號給變頻器的多功能端子X1使變頻器休眠；若壓力信號低于0.6MPa時，PLC的Y0端子停止輸出，變頻器由休眠狀態(tài)進(jìn)入PD閉環(huán)運(yùn)行階段。改造前后系統(tǒng)運(yùn)行對比見圖3。
系統(tǒng)調(diào)試
根據(jù)工藝要求、電機(jī)參數(shù)、負(fù)載特性設(shè)置變頻器的參數(shù)，進(jìn)行工頻試運(yùn)行。觀察變頻器頻率上升時的情況、設(shè)備運(yùn)行聲音是否正常、空壓機(jī)的壓力上升是否正常，如一切正常則改換恒壓PD閉環(huán)控制。觀察變頻器的頻率上升與下降速度，使其與空壓機(jī)壓力的升降相匹配，變頻器PD運(yùn)行時，壓力振蕩控制在0.02MPa。注意機(jī)器共振點(diǎn)，將共振點(diǎn)附近的頻率跳過去。在人機(jī)界面設(shè)定z*低壓力值和z*高壓力值。若系統(tǒng)達(dá)到z*高壓力值時，變頻器休眠運(yùn)行；達(dá)到z*低壓力值時，變頻器啟動空壓機(jī)進(jìn)行PD閉環(huán)運(yùn)行。
在調(diào)試變頻器時應(yīng)注意以下問題：
(1) 變頻器的啟動時間。
(2) PD閉環(huán)控制時，調(diào)節(jié)比例增益和積分增益使其變化平穩(wěn)，減小壓力波動，使壓力平穩(wěn)。
(3) 如果變頻器對其他設(shè)備的干擾很大，則可將其載波頻率調(diào)低，但這樣會使電機(jī)的噪聲增大。
(4) 因變頻器帶動的是普通異步電動機(jī)，所以變頻器在低頻運(yùn)行時要注意電動機(jī)的溫度。
空壓機(jī)變頻改造后的效益
1、節(jié)約能源
變頻器控制空壓機(jī)是根據(jù)生產(chǎn)中空氣量的需求來給定的，減少了空載時的無用功，節(jié)約了電能。
從上述數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)通過改造，其節(jié)電效果十分明顯。如果空壓機(jī)工作時間每年按350天來計(jì)算，則每年可節(jié)電8.4X105kW·h。
2、提高壓力控制精度
變頻控制具有精確的壓力控制能力，使空壓機(jī)的空氣壓力輸出與用氣設(shè)備所需的氣量相匹配，變頻控制空壓機(jī)的輸出氣量隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變。變頻器控制電機(jī)速度的精度提高，可以使儲氣罐中的壓力保持在0.7MPa左右，減少了壓力波動。若噴氣織機(jī)開車效率低用氣量小時，還可使空氣壓縮機(jī)自動停車，待壓力低時自動啟動。
3、延長機(jī)器使用壽命
變頻器的軟啟動可以減少啟動時對空壓機(jī)電器部件和機(jī)器部件的沖擊,增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性,延長使用壽命。
4、保證電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行
由于頻繁的加卸載運(yùn)行，電流波動較大，這一波動電流影響電網(wǎng)的用電質(zhì)量，而變頻器PD閉環(huán)控制則避免了這項(xiàng)缺陷。
結(jié)論
噴氣織機(jī)用壓縮空氣的節(jié)能改造不僅保證了生產(chǎn)，而且節(jié)約了大量的電力資源。當(dāng)前的能源緊缺已成為我們不得不面對的現(xiàn)實(shí)，生產(chǎn)型企業(yè)通過有效提高生產(chǎn)效率、改進(jìn)工藝、節(jié)能降耗從而降低生產(chǎn)成本，已經(jīng)成為企業(yè)生存發(fā)展的重要因素。
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