
一、前言
在工業(yè)生產(chǎn)中,壓縮氣體的使用非常普遍。在工廠(chǎng)內,若干臺空氣壓縮機安裝在一個(gè)地方,就構成一個(gè)空壓機站。四川自貢?shū)欪Q化工實(shí)業(yè)有限公司有一氫壓機站,安裝有3臺110kW防爆往復式活塞式氫壓縮機,用來(lái)壓縮氫氣。在設計選用氫氣壓縮機電動(dòng)機容量時(shí),過(guò)多考慮建設前后長(cháng)期工藝要求的差異,使裕量過(guò)大。另外,設計過(guò)程中很難作準確的計算,考慮長(cháng)期運行過(guò)程中可能發(fā)生的各種問(wèn)題,通常是將氫氣壓縮機滿(mǎn)負荷長(cháng)時(shí)間運行來(lái)作為選型的依據,但氫氣壓縮電動(dòng)機的系列是有限的,往往選不到合適電動(dòng)機型號就往上靠,大20%~30%的比較常見(jiàn)。由于上述的原因,實(shí)際生產(chǎn)中氫氣壓縮機輕載運行的時(shí)間會(huì )顯著(zhù)增長(cháng)。
另外,由于生產(chǎn)上使用氫氣的不均勻性,用氣量是在動(dòng)態(tài)變化的,有時(shí)需要同時(shí)運行數臺氫壓縮機供氣,而有時(shí)一臺氫壓縮機產(chǎn)的氣都有富余,但氫壓縮機仍在全速運行。氫氣壓縮機出廠(chǎng)時(shí)配套的排氣壓力調節裝置為關(guān)閉進(jìn)氣管式壓力調節器,其工作原理是當儲氣罐(風(fēng)包)內空氣壓力達到或超過(guò)設定壓力(0.82MPa)時(shí),壓縮機進(jìn)氣管上碟閥自動(dòng)關(guān)閉,壓縮機進(jìn)入空轉卸荷狀態(tài)。當儲氣罐內空氣壓力低于設定壓力(0.77MPa)時(shí),壓縮機進(jìn)氣管碟閥自動(dòng)開(kāi)啟,壓縮機又進(jìn)入滿(mǎn)載工作狀態(tài)。
氫氣壓縮機的排氣量和壓力,在運轉中也不是不變的,但工藝上的需求是動(dòng)態(tài)改變的,所以氫氣壓縮機工作時(shí)總是在重復滿(mǎn)載-卸荷工作方式。滿(mǎn)載時(shí)的工作電流接近電動(dòng)機的額定電流,而卸荷時(shí)的空轉電流約為35~50%電動(dòng)機額定電流,這部分電流不是做有用功,而是機械在額定轉速下的空轉損耗。這種機械式調節裝置雖然也能起到壓力調節作用,但是壓力調節精度低,壓力波動(dòng)大。氫壓縮機總是在額定轉速下工作,機械磨損大、且運行在低效狀態(tài),電耗高。
如采用變頻調速,根據需要來(lái)調節電動(dòng)機的轉速,使之在高效狀態(tài)下減少電動(dòng)機的運行功率,可在滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求的條件下達到節能的目的。從運行質(zhì)量的角度看,氫壓縮機系統大多不能根據負載的輕重連續地進(jìn)行調整。而采用變頻調速后,則可以十分方便有效地進(jìn)行連續調節,保持壓力、流量等參數的穩定,從而大大提高壓縮機工作效率及性能。

根據上述理論分析,在氫壓縮機的氣缸容積不能改變的條件下,只有調節氫壓縮機的轉速來(lái)改變排氣量;氫壓縮機是恒轉矩負載,壓縮機軸功率與轉速的一次方成正比變化;在氫壓縮機總排氣量大于供氣量時(shí),通過(guò)降低壓縮機轉速調節供氣壓力,是達到壓縮機經(jīng)濟運行的有效方法。
在可以選用的交流異步電動(dòng)機調速方法有變極調速、改變皮帶輪傳動(dòng)比、繞線(xiàn)式電動(dòng)機轉子串電阻調速等。變頻調速與其它調速方法相比,具有無(wú)極調速、容易實(shí)現自動(dòng)控制、不用改變設備結構和安裝工作量小的特點(diǎn),高效調速且節能。即交流異步電動(dòng)機變頻調速,是一種不耗能的高效的調速方法。
三. 變頻恒壓供氣
變頻器、壓力變送器構成壓力閉環(huán)系統,自動(dòng)按需降低氫壓縮機轉速調節供氣壓力,達到壓縮機經(jīng)濟運行??紤]在儲氣罐上安裝一只壓力變送器,將壓力信號反饋到變頻器的端子上,構成恒壓供氣系統,供氣壓力設置為0.8MPa。
氫壓縮機電動(dòng)機的額定電流應等于或小于恒轉矩變頻器額定電流。變頻器要有內置PID調節器和4~20mA模擬信號接口。本例選用一臺森蘭SB70G132變頻器,壓力變送氣選用森納斯DG13W=BZ-A,1.6MPa。恒壓供氣原理圖如圖2所示:
圖中:由壓力傳感器PT從貯氣罐取出壓力反饋信號,送至變頻器內部PID調節器的輸入端,與預置的壓力給定信號相比較,經(jīng)PID調節器處理后,從而決定電動(dòng)機的工作頻率和轉速。此種控制方式在保證儲氣罐氫氣的壓力始終保持恒定的前提下,在用氣量改變時(shí)自動(dòng)調節電動(dòng)機轉速,保持高效率運轉實(shí)現節能。

變頻器控制第一臺氫壓縮機,給定調節用變頻器上的操作鍵盤(pán),變頻器的多功能輸出Y1、Y2接第二和第三臺氫壓縮機的自耦減壓起動(dòng)器的起動(dòng)/停止電路,這樣可由變頻器的輸出控制另外兩臺氫壓縮機的運行或停機。手動(dòng)運行時(shí),第一臺氫壓縮機由變頻器控制,第二和第三臺的氫壓縮機可用自耦減壓起動(dòng)器人工起動(dòng)/停止。自動(dòng)運行時(shí),第一臺氫壓縮機首先變頻運行,當變頻器的輸出頻率已達到50Hz,供氣量仍不足,變頻器的輸出節點(diǎn)Y1、Y2動(dòng)作,起動(dòng)第二和第三臺氫壓縮機工作;如供氣量大于給定值時(shí),系統自動(dòng)停止第二和第三臺的氫壓縮機工作,通過(guò)閉環(huán)調節可實(shí)現恒壓供氣。
氫氣為可燃性氣體,氫壓縮機的工作場(chǎng)地有爆炸危險,SB70G系列變頻器的防護等級為IP2O,顯然不能在有爆炸危險的場(chǎng)合。將變頻安裝在沒(méi)有爆炸危險的配電房?jì)?,用遠方控制盒在壓縮機旁進(jìn)行操作,遠方控制盒也要考慮為本質(zhì)安全性的。
四、注意事項
1、由于空氣壓縮機的轉動(dòng)慣量大,在選用變頻器時(shí)應根據具體的工況條件和現場(chǎng)的運行電流情況確定選配的變頻器容量。
2、壓力傳感器應在壓力變化不是相對劇烈地方,最好安裝在儲氣罐上。為避免干擾,壓力傳感器的信號盡量采用4~20mA電流信號,傳輸線(xiàn)用雙芯屏蔽線(xiàn)。
3、在變頻器的控制系統中應設有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種控制模式,以便于調試和特殊情況下使用。
4、由于空氣壓縮機不允許長(cháng)期工作在低頻狀態(tài)下,在低頻下運行不但穩定性變差,而且容易出現喘振,另一方面也使缸體的潤滑變差,會(huì )加快磨損,故應設定合理的、有效的、安全的工作頻率下限。具體的設定要根據不同的工況、不同的使用條件和要求,耐心細致地調整。
五、節能改造后的效果
壓縮機于2005年8月改造完成,經(jīng)過(guò)三個(gè)月的運行,達到了預想的目的。不論生產(chǎn)工藝如何改變,也不論供氣量如何改變,恒壓供氣的氫氣壓力維持在0.8MPa左右,供氣質(zhì)量大幅度提高。
變頻調速后,空壓機零速平滑起動(dòng),提高生產(chǎn)安全性。氫壓縮機任何時(shí)候不再是全速運轉,轉速降低后,工作環(huán)境噪音也相應下降;轉速降低后,機械的磨損隨之減小,有利于增長(cháng)壓縮機的壽命,降低維修成本。
節能方面,由壓縮機的公式可見(jiàn),壓縮機消耗的軸功率PZ(kW)與軸轉速n(r/min)成正比,而壓縮機的排氣量QD(m3/min)又與軸轉速成正比,則壓縮機消耗的軸功率PZ(kW)就與壓縮機的排氣量QD(m3/min)成正比,降低轉速可節省軸功率,經(jīng)實(shí)測節電率達到26%,取得了較好的經(jīng)濟效益。
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