空壓機變頻節能技術分析

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摘要：目前，空壓機節能改造方面多采用變頻調速技術手段，通過生產實踐具有良好的節能效果，有效降低了空壓機能耗，提高了運行效率；同時變頻調速的應用也實現了空壓機的軟啟動和恒壓供氣，延長了設備壽命，保障了正常生產。本文結合生產實踐，對空壓機變頻節能技術的基本原理和實際應用進行了探討。

關鍵詞：空壓機；壓縮空氣；變頻器；節能

空壓機是一種氣體壓縮設備，以氣體壓力作為動力源，具有供壓穩定、壓強大、可控性好的優點，在鋼鐵廠煉鋼、連鑄、高爐噴煤等生產環節都有著十分廣泛的應用，是生產必不可少的動力設備。絕大多數氣動元件都是以空壓機作為氣源來維持運轉，因此運行情況與企業生產密切相關。同時，空壓機也是工業生產中主要的能耗設備，用能耗約可占整個鋼鐵企業能耗的15％以上；但由于控制和運行方式不當等原因，連續工頻運行下空壓機的電能消耗也是十分嚴重的，浪費率最高可達到40%，節能空間巨大。在當前鋼鐵企業節能增效的要求下，作為企業能耗大戶，空壓機的節能改造問題也成為企業技術公關的重點。目前，空壓機節能改造方面多采用變頻調速技術手段，通過生產實踐具有良好的節能效果，有效降低了空壓機能耗，提高了運行效率；同時，變頻調速的應用也實現了空壓機的軟啟動和恒壓供氣，延長了設備壽命，保障了正常生產。本文結合生產實踐，對空壓機變頻節能技術的基本原理和實際應用進行了探討。

一、鋼鐵廠空壓機系統基本概況

1.空壓機運行的基本原理。空壓機是通過對氣體的機械壓縮，改變氣體分子密度，使之具有壓力能的一種設備。從基本工作原理和能量轉換的角度來看，空壓機實質是一種能量轉換設備，它利用了空氣的可壓縮性，把機械運動的動能轉化為氣體壓力能，然后通過氣體壓力能再推動其他設備運行做功。根據對氣體壓縮方式的不同，空壓機可分為容積式壓縮機和透平式壓縮機兩類。容積式壓縮機是在嚴格密閉條件下，對氣體進行機械壓縮，通過減少容積和增大氣體密度來達到增大氣體壓力的目的；透平式壓縮機是通過旋轉的葉輪葉片對氣體做功，以提高氣體動能和增大氣體壓力。2.鋼鐵廠空壓機系統基本概況。經空壓機增壓后并具有壓力能的空氣稱之為壓縮空氣。在鋼鐵企業中，壓縮空氣是一種重要的動力源，其應用非常廣泛。例如燒結氣體輸送、高爐噴吹、氣刀噴吹、各種氣動儀表閥等，都是采用空氣壓力作為其動力來源。沒有壓縮空氣或者是氣體壓力不足，許多生產環節將無法生產，被迫停機，由此可見空壓機對工業生產的重要性。為保證足夠的、不間斷的氣體壓力供應，鋼鐵企業建立了遍布各個生產環節的復雜的壓縮空氣系統，因此，空壓機系統也是鋼鐵廠生產過程中電能消耗的重要環節。

二、空壓機采用變頻調速的必要性

鋼鐵企業生產對于壓縮空氣的需求量是非常大的。在系統設計之初，壓縮空氣系統都是按照生產對壓縮空氣的最大需求量來決定電機容積的，設計冗余量一般偏大；而且采用工頻運行方式，不能按照流量或是壓力的變動來調節功率輸出。很多時間空壓機系統都是處于輕載運行的狀態下，存在“大馬拉小車”的情況，空壓機功耗浪費較大。在實際生產中，由于壓縮空氣使用量隨時處在變化狀態，并非恒定，空壓機并不經常在額定工況下運行。為了調節用氣量變化對壓縮空氣系統穩定性的影響，儲氣罐內需保持一定的氣體壓力：第一種情況是當空壓機排氣量正好滿足生產用氣量時，儲氣罐內壓力不變；第二種情況是當排氣量小于用氣量時，由儲氣罐作為壓力補償，保證系統壓力穩定；第三種情況是當排氣量大于用氣量時，如果空壓機此時仍恒速運轉，多余的氣體壓力則會在儲氣罐內不斷積存。空壓機的功耗浪費主要出現在第三種情況下。當儲氣罐內氣體壓力達到設定的壓力限值時，通常空壓機有兩種應對措施，一種是空壓機空載運行，不產生氣體壓力，但空載運行下其用電量仍可達到滿負荷工況下的30％~60％，而這部分電能消耗則成為無用功而被白白浪費了；另一種是讓空壓機停止運行，這樣雖然避免了空壓機的空轉浪費，但會帶來空壓機的頻繁啟停，工頻運行下空壓機啟動時的瞬間電流可達到額定電流的5~7倍，這無疑會對電網和設備帶來較大的沖擊，導致空壓機和其他電氣設備使用壽命降低。為了使空壓機適應復雜的工況，在滿足用氣量前提下盡量減少空壓機的無用功耗，需要空壓機能夠按照用氣量需要及時調整功率。因此，采用變頻調速無疑就成為空壓機節能降耗的有效辦法。當用氣量減小時，空壓機和電動機可以相應地降低運行功率和轉速，從而降低能耗；同時變頻調速的可連續調節和軟啟動功能還能保持溫度、壓力等參數的穩定，從而保證系統長壽命穩定運行。

三、空壓機變頻調速節能系統的結構和運行原理

變頻調速是一種通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機功率輸出的技術，它改變了電機在單一工頻模式下不能調節轉速和功率的弊端，實現了電動機及其拖動負載的“按需輸出”，使電機運行更加高效節能。1.變頻調速節能系統的構成。空壓機變頻調速系統主要由變頻器、壓力傳感器、工頻轉換柜三部分組成。其中變頻器是系統運行的核心，主要作用是改變電機工作電源頻率。運行時根據傳感器的壓力反饋信號，經過恰當的強制變頻方法，將輸入的工頻電轉變為幅值和頻率都可調節的交流電，然后再輸出至交流電機，從而實現交流電機的變速運行；壓力傳感器主要用于采集氣壓管網的壓力信號，并將采集的信號以模擬信號的方式反饋給變頻器；工變頻轉換柜是變頻器的控制系統，通過變頻器實現對空壓機的自動化變頻調速；同時還具有故障報警和狀態顯示功能，使人們通過轉換柜的顯示界面即可觀察到電機的電流、頻率、輸出、PID反饋值等實時工況信息。2.變頻調速系統的運行原理。變頻調速系統以壓力作為控制對象，通過對電機轉速的變頻調節實現對空壓機輸出壓力自動化控制，從而使空壓機輸出壓力與管網用氣量變化達到動態化匹配的理想運行狀態，降低功耗浪費。變頻調速系統運行時首先由PID調節器獲取壓力傳感器反饋的壓力信號，并將其與預設的壓力給定信號相比較，進行一系列運算后形成綜合信號，然后再由PID將處理后的綜合信號傳輸至變頻器，由變頻器根據反饋信號與給定信號的壓力變動量對電動機轉速和工作頻率進行自動調節，使空壓機輸出壓力與實際需求壓力相匹配。現在很多變頻器本身就具有PID調節功能，一般不需要再外加PID調節器，系統布局也可以更加簡單。

四、鋼鐵廠空壓機變頻控制的應用

1.空壓機變頻改造方案。鋼鐵廠內的壓縮空氣用戶遍布每一個工段，一般由多個獨立的空壓站供壓，每個空壓站采用“一拖二”的布置方式，由一個變頻器負責兩個或是多個空壓機電機的變頻控制；在儲氣罐內加裝壓力傳感器以實時反饋儲氣罐內的壓力，PID調節器負責壓力反饋信號的處理與傳輸。生產時根據用氣量需求合理調度空壓機的啟停，并留有備用機。對空壓機進行變頻節能改造時，建議保留原有工頻系統和“五大保護”；在此基礎上，加裝工變頻互鎖切換裝置即可，根據生產和檢修的需要適時進行工變頻的切換。為達到最佳的節能效果，消除高次諧波對電機的影響，根據空壓機運行特點建議選擇帶壓力反饋的矢量控制方式的變頻器，能夠四象限運行；變頻器輸入端應有抑制電磁干擾的有效措施。2.鋼鐵廠空壓機變頻控制的應用。生產實際中，壓力的需求量是不斷變化的。當儲氣罐內壓力難以滿足用氣壓力時，壓力傳感器會將儲氣罐內壓力不足的信號傳輸給PID調節器和變頻器，然后由變頻器控制電機提高轉速和輸出功率，加大空壓機供氣量，從而避免儲氣罐和系統管路壓力不足；而當用氣量減少，儲氣罐壓力富足時，壓力傳感器同樣會將該壓力信號傳輸至變頻器，由變頻器控制電機降低轉速和輸出功率，從而避免了空壓機的功耗的浪費。整個控制過程中，儲氣罐和系統管路的氣壓基本處在恒壓的狀態下，從而在節省電能消耗的同時達到了恒壓供氣的目的。

五、空壓機變頻控制的優勢

1.節省電能消耗。變頻調速最大的優勢就是實現了電機輸出功率與實際用氣量的實時匹配，在保證了空壓機正常供壓的前提下，避免了低用氣量下空壓機系統自動排空造成的電能浪費，減少了無功損耗。就實際使用效果來看，節電率可達30％以上，保證了空壓機系統的節能高效運行。2.減少設備故障率，延長設備使用壽命。空壓機采用變頻調速之后，空壓機大多時間處在變頻工況下運行，功耗降低隨之帶來的則是機械部件磨損的減少；另一方面，變頻調速減少了空壓機電機的啟停次數，軟啟動下啟動電流對電網及設備的沖擊也減少了很多，因而降低了設備的故障率和維修率，在正常維護下電機可比工頻運行具有更長的使用壽命。3.實現了恒壓供氣。系統投入運行后，通過壓力傳感器和變頻器實現了對儲氣罐壓力變化的實時反饋和對負載變化的調節，提高了供氣的可靠性和穩定性，確保了壓縮空氣系統的恒壓供氣。因而也為生產工藝參數和產品質量的控制提供了保障。4.運行可靠。變頻調速使電機可以更好適應電網工況變化，極大減少了因電網壓力波動等原因而發生的故障。此外系統的過壓、欠壓、缺相、過流等保護功能和工變頻切換功能更加提高了系統運行的可靠性。

六、結語

綜上所述，變頻調速系統保證了空壓機在生產所需壓力下的最低功耗運行，降低了電機不必要的功率輸出，在實現了恒壓供氣的同時節省了空壓機電能消耗；另一方面，變頻調速的應用也降低了設備的故障率，減少了檢修維護的壓力，提高了設備使用壽命。變頻節能設備改造后，我們對空壓機能耗進行了調查，節電率可達到20％以上，為企業帶來了可觀的經濟效益和環保效益，是企業理想的節能設備，促進了鋼鐵企業的節能減排、低碳生產。

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作者:王文峰 單位:河鋼邯鋼能源中心