空氣壓縮機節(jié)能分析及其控制系統(tǒng)的設(shè)計

周健

摘要：文章根據(jù)空氣壓縮機在生產(chǎn)過程中的工作原理，從理論上進(jìn)行空氣壓縮機能耗分析，得出了空氣壓縮機具有節(jié)能空間的結(jié)論；詳細(xì)介紹了以變頻器為驅(qū)動核心、采用壓力變送器檢測壓力變化的空氣壓縮機恒壓供氣智能節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計。實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可實現(xiàn)空氣壓縮機恒壓供氣，且節(jié)能效果較明顯。

關(guān)鍵詞：空氣壓縮機；節(jié)能；恒壓供氣；PID控制

目前，能源緊缺、電力緊張在一定程度上制約了我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，如何降低能源消耗、節(jié)約能源是大家關(guān)注的一個課題。節(jié)能方式一般有2種：一種就是通常所說的隨手關(guān)燈的管理方式；另一種就是不影響正常生產(chǎn)工藝要求和狀態(tài)的技術(shù)節(jié)能方式。前者屬于粗放型節(jié)能，只要提高人員的節(jié)電意識就可實現(xiàn)；而后者屬于技術(shù)節(jié)能，該節(jié)能方式可以節(jié)省伴隨在生產(chǎn)過程中的不必要的能量，其實現(xiàn)方法：將設(shè)備的運行狀態(tài)調(diào)節(jié)到最佳，使得在不改變或者不影響工藝的情況下，采用控制技術(shù)改造設(shè)備而達(dá)到節(jié)能的目的。

1節(jié)能原理

1.1 生產(chǎn)工藝要求

該溶劑廠空氣壓縮機房共有2臺空氣壓縮機，并網(wǎng)使用，正常生產(chǎn)情況下為一用一備。2臺空氣壓縮機均為132kW螺桿有油空氣壓縮機，采用星三角降壓方式啟動。正常情況下，廠區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)壓力范圍為0.5～0.6MPa，即供氣壓力大于用氣壓力，空氣壓縮機房開1臺設(shè)備。隨著生產(chǎn)中用氣量的變化，高壓儲氣罐的壓力也在不斷變化，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求設(shè)備的上限壓力定位到0.6MPa，只要壓力高于上限值，空氣壓縮機就會自動卸載工作，這時空氣壓縮機的電動機空轉(zhuǎn)不帶負(fù)載，不產(chǎn)生高壓氣體，隨著用氣量的不停變化，空氣壓縮機通過不斷地卸載和加載維持用氣量和供氣量之間的平衡。其中加載工作時間為100s，加載時電動機的工作電流為265A，卸載時間為600s，卸載電動機的工作電流為98A，運行時間為24h。

原有空氣壓縮機的運行方式為星三角降壓啟動，其工作過程：按下啟動按鈕，控制系統(tǒng)接通啟動器線圈并打開斷油閥，空氣壓縮機在卸載模式下啟動，這時進(jìn)氣閥處于關(guān)閉位置，而放氣閥打開以排放油氣分離器內(nèi)的壓力。等降壓啟動后空氣壓縮機開始加載運行，系統(tǒng)壓力開始上升，如果系統(tǒng)壓力上升到壓力開關(guān)上限值，即起跳壓力，控制器關(guān)閉進(jìn)氣閥，油氣分離器放氣，壓縮機空載運行，直到系統(tǒng)壓力跌到下限值后，即回跳壓力下，控制器打開進(jìn)氣閥，油氣分離器關(guān)閉放氣閥，空氣壓縮機重新開始滿載運行。

1.2 壓縮機系統(tǒng)能耗分析

空氣壓縮機采用加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在Pmin～Pmax之間來回變化。Pmin為最低壓力值，即能夠保證用戶正常工作的最低壓力；Pmax為用氣設(shè)備或者儲氣罐最大安全壓力值（為了安全，有一定的富裕量）。一般情況下，Pmax～Pmin之間的關(guān)系為

Pmax=（1+δ）Pmin

式中：δ是一個百分?jǐn)?shù)，其數(shù)值為10%～25%?？諝鈮嚎s機屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，用變頻調(diào)速的方法調(diào)整供氣量可使電動機的輸出功率基本與轉(zhuǎn)速（供氣量）成正比關(guān)系。如果連續(xù)調(diào)節(jié)供氣量，則可將儲氣罐壓力始終維持在能滿足供氣的工作壓力上，即Pmin附近。由此可知，在加、卸載供氣控制方式下的空氣壓縮機較之變頻調(diào)速系統(tǒng)控制下的空氣壓縮機，所浪費的能量主要在以下2個部分：

（1）壓縮空氣壓力超過最佳工作壓力Pmin附近所消耗的能量。

（2）在壓力達(dá)到最佳工作壓力后，原控制方式使其壓力會繼續(xù)上升（直到Pmax）。這一過程中壓縮機將會向外界釋放更多的熱量，從而導(dǎo)致能量損失。另一方面，高于Pmin的氣體在進(jìn)入氣動元件前，其壓力需要經(jīng)過減壓閥減壓至接近Pmin，這一過程同樣是一個耗能過程。

1.3卸載時調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量分析通常情況下，當(dāng)壓力達(dá)到Pmax時，空氣壓縮機通過如下方法降壓卸載：關(guān)閉進(jìn)氣閥使電動機處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，這種調(diào)節(jié)方法將造成很大的能量浪費。

關(guān)閉進(jìn)氣閥使電動機空轉(zhuǎn)雖然可以使空氣壓縮機不需要再壓縮氣體作功，但空氣壓縮機在空轉(zhuǎn)中還是要帶動螺桿做回轉(zhuǎn)運動，據(jù)測算，空氣壓縮機卸載時的能耗約占空氣壓縮機滿載運行時的35%～45%（這還是在卸載時間所占比例不大的情況下）。換言之，該空氣壓縮機20%以上的時間處于空載狀態(tài)，在作無用功。很明顯，在加、卸載供氣控制方式下，空氣壓縮機電動機存在很大的節(jié)能空間。

1.4 節(jié)能原理

供電電源的頻率、產(chǎn)生氣體的流量與電動機的轉(zhuǎn)速n成正比，空氣壓縮機產(chǎn)生的風(fēng)壓力H與電動機轉(zhuǎn)速n的平方成正比，電動機軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比。所以，當(dāng)電動機的轉(zhuǎn)速降低時，空氣壓縮機電動機軸功率成立方關(guān)系下降，節(jié)能效果非常顯著。

2 節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

針對原有的空氣壓縮機供氣控制方式存在的諸多問題，經(jīng)過對空氣壓縮機運行狀況的現(xiàn)場測定，筆者介紹一種采用基于變頻調(diào)速技術(shù)的空氣壓縮機恒壓供氣節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。該控制系統(tǒng)將儲氣罐壓力作為控制對象，壓力變送器YB將儲氣罐的壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒oPID智能調(diào)節(jié)器，與壓力設(shè)定值P0作比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運算，產(chǎn)生的控制信號送變頻調(diào)速器VVVF，通過變頻器控制電動機的工作頻率與轉(zhuǎn)速，從而使實際壓力P始終接近設(shè)定壓力P0。同時，該控制系統(tǒng)還增加工頻與變頻切換功能，并保留原有的控制和保護(hù)系統(tǒng)，且接入三相電度表來對比節(jié)能效果。另外，該控制系統(tǒng)采用變頻器啟動空氣壓縮機電動機，避免了啟動沖擊電流和啟動給空氣壓縮機帶來的機械沖擊。

3 節(jié)能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是PLC的PID程序設(shè)計。系統(tǒng)PLC采用西門子公司的S7-200系列的CPU224型PLC。模數(shù)擴(kuò)展模塊EM235將設(shè)定好的壓力與壓力變送器測量到的壓力進(jìn)行比較，經(jīng)PLC內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器計算出輸出信號，用以控制變頻器的輸出頻率，使得供氣壓力維持在給定壓力值附近；再通過給定壓力和壓力反饋比較，得到被控量氣壓和期望值的偏差；該偏差經(jīng)內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器計算出變頻器輸出的控制異步電動機轉(zhuǎn)速的交流電頻率值，由變頻器輸出相應(yīng)頻率的交流電，控制異步電動機的轉(zhuǎn)速，直到管路壓力和設(shè)定壓力相同。這樣得到的氣壓相對恒定，且波動比較小。S7-200系列PLC中的CPU224提供了PID運算指令，應(yīng)用時與PLC配套的STEP7-Micro/Win編程軟件通過梯形圖設(shè)定PID控制參數(shù)后，執(zhí)行指令PIDTABLE、LOOP即可完成PID運算。該控制系統(tǒng)PLC的PID程序流程如圖3所示。

4 節(jié)能控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益

在不改變原有的設(shè)備和工藝技術(shù)條件下，增加一個空氣壓縮機恒壓供氣節(jié)能控制系統(tǒng)，將原有的控制系統(tǒng)作為旁路?？諝鈮嚎s機通常是24h運行，節(jié)電投資回報周期=投資總額/月節(jié)約電費，具體數(shù)據(jù)如下：

月節(jié)約電費=電動機功率×負(fù)載率×每天工作時間×每月工作時間×電費單價×節(jié)電率=132×0.9×24×20×0.60×25%=8553.6

可見，采用空氣壓縮機恒壓供氣節(jié)能控制系統(tǒng)1年可節(jié)約電費102643.2元，節(jié)電效果非常明顯。

5 結(jié)語

本文在分析空氣壓縮機工作原理的基礎(chǔ)上，著重介紹了一種基于變頻調(diào)速技術(shù)的空氣壓縮機恒壓供氣節(jié)能控制系統(tǒng)。實際應(yīng)用表明，該控制系統(tǒng)可節(jié)約電能、提高控制性能、減小節(jié)流損失、延長設(shè)備使用壽命、降低維修費用，具有一定的實用價值。

參考文獻(xiàn)：

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