集中控制系統(tǒng)在空氣壓縮站節(jié)能改造中的應用

柳振宇 劉玉敏

摘 要：文章對空壓機的運行特點以及節(jié)能優(yōu)化改進措施進行了闡述，著重介紹了集中控制技術中變頻調速及余熱回收技術的節(jié)能優(yōu)化，并結合實際案例對空壓機節(jié)能改造及節(jié)能效果進行了分析。

關鍵詞：空壓機；集中控制；節(jié)能；變頻調速；余熱回收

1 概述

在社會生產領域中，壓縮空氣是一種清潔、環(huán)保、方便的能源，是目前應用最廣泛的第四大能源，主要為氣動元件、氣動閥門等用氣設備提供氣源?？諝鈮嚎s系統(tǒng)是一種運行成本遠高于購置成本的生產設備，據有關資料統(tǒng)計空壓機的電能消耗成本通常超過總運行成本的75%。隨著全球能源危機的不斷突顯，在空壓機的使用中能耗問題已經引起各國的高度重視。因此，如何有效降低空壓機的能耗是整個系統(tǒng)的節(jié)能關鍵所在。

2 空壓機運行的能耗特點

2.1 空載運行耗能大

一般情況下空壓機的選型是按最大負荷量來選型，實際運行中是設定壓力控制的上下限。在生產過程中，壓縮機的工作是間歇性的進行加載和卸載，在空載狀態(tài)下，空壓機的進氣閥關閉，停止輸送壓縮空氣，此時壓縮機處于空轉狀態(tài)，壓縮機仍然要消耗約30%的功率，這部分的能源就白白的浪費了。

2.2 頻繁加卸載對電網沖擊大

在工礦企業(yè)中，空壓機使用的功率往往都較大，其頻繁的啟動會造成電流對電網的沖擊較大，導致電網的不穩(wěn)定和其他生產設備的安全，進而影響產品的質量；同時，也容易造成空壓機本身的機械磨損加大，縮短設備的使用壽命。

2.3 冷卻系統(tǒng)對空壓機的影響

空壓機的冷卻系統(tǒng)的作用是提高空壓機的運行效率、降低功耗。實際運行中的空壓機排氣溫度每降低10℃，壓縮機的功率損耗會下降3%左右。因此，經常做好空壓機的冷卻系統(tǒng)的檢查維護可以減少油耗及系統(tǒng)的運行成本。

2.4 供氣壓力大小的影響

在實際應用中，供氣壓力每增加0.1bar時，相對應的功耗會增加0.3%～0.5%，定期對設備的油分離器、精密過濾器、干燥機的清洗和更換能有效地減少壓縮空氣傳輸過程中氣源壓力的下降。供氣傳輸過程中科學合理地配置管網管徑大小、增加供氣管路的氣密性都是有效降低供氣管網壓力下降的有效方法。

3 空氣壓縮系統(tǒng)的節(jié)能降耗途徑

3.1 集中控制技術

目前，很多生產企業(yè)使用壓縮空氣主要還是采用分散的控制方式，在應用中無法對每個用氣環(huán)節(jié)的用氣量多少、氣壓大小、排氣溫度高低等數據進行一個集中的監(jiān)控。實際操作中控制精度低、管理不便，無法實時的根據用氣量做到精確調節(jié)供氣出口壓力；在管網壓力要求較低的時候，空壓機效能不能得到很好的利用。

集中控制系統(tǒng)主要包含多臺空壓機的集中控制和進氣方式的集中控制，空壓機的集中控制是通過單點的壓力控制代替多臺空壓機的壓力控制，從而減少系統(tǒng)的壓力帶寬。這樣可以讓系統(tǒng)中的某一臺空壓機運行在加卸載或變頻狀態(tài)，其它的空壓機滿載運行，避免多臺空壓機持續(xù)的加卸載產生的電流沖擊和能量的浪費，使整個系統(tǒng)的供氣壓力更為穩(wěn)定。集中控制系統(tǒng)聯(lián)機自動控制保護可以避免空壓機的同時啟動、停止、加載、卸載，有效地防止了大功率設備同時啟動對電網的大電流沖擊。根據統(tǒng)計，在實際應用中系統(tǒng)的壓力每下降1bar時，能耗會減少7%-15%。

采用進氣方式的集中預過濾處理也能有效地延長濾芯的使用壽命及設備的重復投入，降低功耗、節(jié)省開支。

3.2 余熱回收技術

空壓機在長期、連續(xù)的運行過程中，空氣被劇烈壓縮，產生大量的熱能，同時空壓機的機械部件的高速運轉也會產生大量的熱能，這部分的溫度可達90℃左右。節(jié)能改造后，通過采用水冷卻余熱系統(tǒng)的回收技術，壓縮空氣經冷卻器冷卻后，最后送入使用系統(tǒng)；而高溫高壓的潤滑油經冷卻器冷卻后，返回油路進入下一輪循環(huán)。對于采用空氣冷卻系統(tǒng)的設備，余熱回收后的熱氣流通過溫控系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)可作為員工生活用水、辦公采暖或熱交換器的預熱。熱量被回收后，實現(xiàn)能源的二次利用，做到了資源的節(jié)約。

4 集中控制系統(tǒng)應用案例

4.1 系統(tǒng)的建立

本系統(tǒng)采用ABB的PLC編程軟件、SIEMENS WINCC組態(tài)軟件及ABB的變頻器設計為多臺空壓機的連鎖控制。同時通過現(xiàn)場PLC與空氣壓縮機的電腦控制面板進行485通訊，讀取空氣壓縮機的運行參數，并通過以太網上傳至上位機電腦，方便數據查詢以及故障回查，使操作人員能隨時掌握設備的運行情況。根據實際情況建立三個空壓站，系統(tǒng)框圖如下。

圖1 空壓站系統(tǒng)框圖 圖2 空壓機集中控制系統(tǒng)組成結構

集中控制系統(tǒng)的包含3個空壓站的控制，每個空壓站中都配有三臺螺桿式空氣壓縮機及干燥機、水泵和水塔，每個站中根據不同情況都增加不同負載的變頻控制，該變頻設備可進行變頻或工頻兩種模式切換。3個空壓站系統(tǒng)公用一個上位機系統(tǒng)，每個空壓站內包含一個PLC集中控制柜和一個變頻柜。當空壓機選擇變頻工作時，不論是遠程還是本地操作，只要設備變頻工作，PLC系統(tǒng)就會根據壓力傳感器反饋的壓力值對變頻器進行PID調節(jié)控制。

4.2 變頻控制技術

在實際的生產應用中，負載的大小是動態(tài)變化過程，故空壓機的供氣量的大小也要跟著用氣端用氣量的變化而改變，這樣會導致供氣的壓力產生波動，用氣的精度達不到生產工藝的要求影響產品的品質。根據電機的轉速與電源頻率成正比的關系，采用變頻控制技術，可以通過改變電源的頻率大小而改變電機的轉速，從而達到調控空壓機的產氣量大小。整個變頻控制系統(tǒng)主要由變頻器、壓力變送器、PLC、空壓機等器件組成。通過壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，使管網的反饋壓力與所設置的壓力進行比較，得到偏差值，經PID調節(jié)器計算后通過PLC實時的控制變頻器作用于電動機的運行頻率，再由變頻器輸出相應的頻率和幅值的交流電，在電動機上得到對應的轉速，從而達到動態(tài)調節(jié)電機轉速的目的，直到管網壓力與設定值相同，最終使系統(tǒng)達到恒壓控制狀態(tài)，實現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化的效果。通過系統(tǒng)的余熱回收技術，解決了企業(yè)長期為員工生活熱水、生產加熱液體、空調系統(tǒng)恒溫加熱等這些承受的經濟負擔。

5 結束語

在系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能改造后，通過系統(tǒng)運行半年的數據統(tǒng)計：全廠月平均耗電29.34萬度，比改造前節(jié)電約5.4萬度，節(jié)能率約18.5%，按當地電費0.7元計算，全年節(jié)約電費可以達到45.4萬元左右?？諌赫炯锌刂葡到y(tǒng)供氣節(jié)能優(yōu)化改造后，直接帶來了可觀的經濟效益，車間的布局也起到了美化的效果，有效節(jié)約了設備的維修成本、人工管理費用。極大地提高了全廠空氣壓縮系統(tǒng)安全性、可靠性。

參考文獻

[1]王廷才.變頻器原理及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009，7.

[2]石征錦.壓縮機節(jié)能控制系統(tǒng)的設計和應用[J].節(jié)能，2008（3）：33-34.

[3]陳詩一.節(jié)能減排與工業(yè)發(fā)展轉變的研究[M].北京大學出版社，2011.

作者簡介：柳振宇（1974-），男，福建福清人，漢，本科學歷，高級講師，現(xiàn)為天津職業(yè)技術師范大學控制理論與控制工程專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事電氣自動化方面的研究。

劉玉敏（1965-），女，天津人，漢，本科學歷，副教授，主要從事電氣工程方面研究。