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空压机节电系统改造方案

空压机节电系统改造方案

 

一、应用背景:
    空气压缩机作为一种重要的动力形式,被广泛应用于生活生产的各个环节。其广泛应用于机械,冶金,电子电力,医药,包装,化工,食品,采矿,纺织,交通等众多工业领域。空压机组是很多企业的必备动力设备,一般在设计空压机的装机容量时,由于不能排除空压机在满负荷状态下长时间运行的可能性,所以只能按最大需要来决定压缩机的容量,设计余量一般偏大。
二、工作原理
    目前市场上空压机主要分为螺杆空压机、活塞空压机和离心式空压机等。离心式空压机主要应用于用气量很大的场合,一般企业应用很少。活塞式空压机设备投资低,以往很多企业都采用,但是产气效率较差,正逐步被螺杆式空压机所取代。螺杆式空压机设备产气效率高,主要分为有油和无油两种,其中无油式空压机应用在纺织、医药等特殊场合。下面我们就螺杆式和活塞式分别作一下简要介绍:
1、螺杆式空压机原理
(1)吸气过程:
    螺杆式的进气侧吸气口,在设计时必须使压缩室可以充分吸气,而螺杆式压缩机并无进气与排气阀组,进气只靠一调节阀的开启、关闭调节,当转子转动时,主副转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时,其空间最大,此时转子的齿沟空间与进气口之自由空气相通,因在排气时齿沟之空气被全数排出,排气结束时,齿沟乃处于真空状态,当转到进气口时,外界空气即被吸入,沿轴向流入主副转子的齿沟内。当空气充满整个齿沟时,转子之进气侧端面转离了机壳之进气口,在齿沟间的空气即被封闭。
(2)封闭及输送过程:
    主副两转子在吸气结束时,其主副转子齿峰会与机壳封闭,此时空气在齿沟内封闭不再外流,即[封闭过程]。两转子继续转动,其齿峰与齿沟在吸气端吻合,吻合面逐渐向排气端移动。
(3)压缩及喷油过程:
    在输送过程中,啮合面逐渐向排气端移动,亦即啮合面与排气口间的齿沟间渐渐减小,齿沟内之气体逐渐被压缩,压力提高,此即[压缩过程]。而压缩同时润滑油亦因压力差的作用而喷入压缩室内与室气混合。
(4)排气过程:
    当转子的啮合端面转到与机壳排气相通时,(此时压缩气体之压力最高)被压缩之气体开始排出,直至齿峰与齿沟的啮合面移至排气端面,此时两转子啮合面与机壳排气口这齿沟空间为零,即完成(排气过程),在此同时转子啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度又达到最长,其吸气过程又在进行
2、活塞空气压缩机工作原理
    在气缸内作往复运动的活塞向右移动时,气缸内活塞左腔的压力低于大气压力p,吸气阀开启,外界空气吸入缸内,这个过程称为压缩过程。当缸内压力高于输出空气管道内压力p后,排气阀打开。压缩空气送至输气管内,这个过程称为排气过程。活塞的往复运动是由电动机带动的曲柄滑块机构形成的。曲柄的旋转运动转换为滑动活塞的往复运动。活塞式空压机有多种结构形式。按气缸的配置方式分有立式、卧式、角度式、对称平衡式和对置式几种。按压缩级数可分为单级式、双级式和多级式三种。按设置方式可分为移动式和固定式两种。按控制方式可分为卸荷式和压力开关式两种。其中,卸荷式控制方式是指当贮气罐内的压力达到调定值时,空压机不停止运转而通过打开安全阀进行不压缩运转。这种空转状态称为卸荷运转。而压力开关式控制方式是指当贮气罐内的压力达到调定值时,空压机自动停止运转。 活塞式空压机的优点是结构简单,使用寿命长,并且容易实现大容量和高压输出。缺点是振动大,噪声大,且因为排气为断续进行,输出有脉冲,需要贮气罐。
三、存在问题
1、能耗分析
    我们知道加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在Pmin~Pmax之间来回变化。Pmin是最低工作压力值,即能够保证用户正常工作的最低压力。一般情况下,Pmax、Pmin之间关系可以用下式来表示:
Pmax=(1+δ)Pmin
δ是一个百分数,其数值大致在10%~25%之间。
    而若采用变频调速技术可连续调节供气量的话,则可将管网压力始终维持在能满足最低工作压力上,即Pmin附近。
    由此可知,在加、卸载供气控制方式下的空压机较之变频系统控制下的空压机,所浪费的能量主要在2个部分:
a、 压缩空气压力超过Pmin所消耗的能量
b、 在压力达到Pmin后,原控制方式决定其压力会继续上升(直到Pmax)。这一过程中必将会向外界释放更多的热量,从而导致能量损失。另一方面,高于Pmin的气体在进入气动元件前,其压力需要经过减压阀减压至接近Pmin。这一过程同样是一个耗能过程。
2、卸载时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。
关闭进气阀使电机空转虽然可以使空压机不需要再压缩气体作功,但空压机在空转中还是要带动螺杆或者活塞做回转运动,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%~15%(这还是在卸载时间所占比例不大的情况下)。换言之,该空压机10%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。
3、其它不足之处
(1)靠机械方式调节进气阀,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。用气精度达不到工艺要求。再加上频繁调节进气阀,会加速进气阀的磨损,增加维修量和维修成本。
(2)频繁采用打开和关闭放气阀,放气阀的耐用性得不到保障。一般的工矿企业空压机一直都是全速运行,正常情况空压机设计时将这部分多余的能量通过溢压阀放掉了,溢压阀放的能量越多,那么浪费的电能就越多;新型的空压机虽已采用自动控制,当气压到达设定值时通过调节进气量来调整做功量,当到达最大设定值时关闭进气阀让电机空转,这样虽可节约一部分电能,但据我们实测,空转时的电流只是降到打压时的一半电流(如一台55KW空压机,打压时电流为100A到120A,空转时电流也有60A左右),都存在电能的巨大浪费。
四、改造方案
    空气压缩机恒压供气智能控制系统是由变频器、压力传感器、智能控制器控制单元、软件控制单元等组成。此控制系统根据压力传感器检测到的空压机出口的压力值,通过智能控制器进行计算,然后输出信号调整变频器输出频率,进而控制压缩机转速,在精确地控制空压机出口的压力的同时,延长压缩机系统的使用寿命,并大幅度地节约电能。
我们可以把管网压力作为控制对象,压力变送器YB将储气罐的压力P转变为电信号送给PID智能仪表,与压力设定值P0作比较,并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算,产生控制信号送变频调速器VVVF,通过变频器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P0。同时,该方案可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变频器来启动,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。

 

空压机节电系统流程图
 
图5 控制系统流程图
(责任编辑:mayer)
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