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改造前德耐爾空壓站問題的提出
通常德耐爾空壓站由多臺德耐爾空壓機組成，每臺德耐爾空壓機都由一臺電機拖動，獨立進行控制。在實際工作中，德耐爾空壓站按更大工作負(fù)荷而設(shè)計的，所以在用氣量少時，啟動1-2臺機組，用氣量大時，啟動多臺并聯(lián)運行，在系統(tǒng)預(yù)設(shè)管網(wǎng)壓力值,系統(tǒng)將自動根據(jù)預(yù)設(shè)的壓力值的下限與上限進行自動的加載和卸載，用來滿足用氣量。德耐爾空壓站這種控制方式，帶來許多問題。如：螺桿式德耐爾空壓機氣量的供求關(guān)系主要表現(xiàn)為排氣壓力的變化,當(dāng)排氣量正好滿足生產(chǎn)用氣量要求時,儲氣壓力保持不變,但由于生產(chǎn)用風(fēng)量的不均衡,而裝機容量需根據(jù)生產(chǎn)更大用風(fēng)量并留有余量設(shè)計,故實際運行中德耐爾空壓機供風(fēng)量遠(yuǎn)大于實際用風(fēng)量。若德耐爾空壓機仍恒速運轉(zhuǎn),則儲氣罐內(nèi)的氣體壓力越來越大,當(dāng)罐內(nèi)壓力上升達到設(shè)定壓力時,一般采用兩種辦法:一種是德耐爾空壓機卸荷運行（關(guān)閉入氣閥）,不產(chǎn)生壓縮氣體,電動機處于空載運轉(zhuǎn),其用電量仍為滿負(fù)載的30% ～50% , 還有德耐爾空壓機是大轉(zhuǎn)動慣量負(fù)載，電機空載起動時所需的功率大致相當(dāng)于滿載運行所消耗2-3倍，運行時間約為5-60S，在頻繁起動控制排氣量時，對電網(wǎng)沖擊大，能耗明顯增加，這部分電能也被白白浪費廢掉;另外一種辦法是停止德耐爾空壓機運行,但將會帶來電動機的頻繁啟動。德耐爾空壓機的空載啟動電流大約是額定電流的5～7倍,對電網(wǎng)及其它用電設(shè)備沖擊較大,同時使德耐爾空壓機的使用壽命也會縮短。為滿足生產(chǎn)設(shè)備用氣要求,儲氣罐內(nèi)空氣運行壓力通常設(shè)為0. 55～0. 65MPa,壓力設(shè)定范圍太大則會形成管路高壓力，高傳送損耗，漏氣，而且氣壓大范圍波動無法滿足現(xiàn)代生產(chǎn)工藝的需求。
變頻器改造節(jié)能方案
變頻恒壓控制方式是通過系統(tǒng)A/D﹑D/A+變頻器內(nèi)置的PID自動調(diào)節(jié)輸氣量與設(shè)定量的差值，使壓力恒定，系統(tǒng)壓力通過壓力變送器將管網(wǎng)壓力轉(zhuǎn)變成電信號送到系統(tǒng),經(jīng)過系統(tǒng)的計算后通過D/A轉(zhuǎn)換成摸擬信號給變頻器的PID調(diào)節(jié)單元,使德耐爾空壓站的拖動電機通過變頻器輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速來控制德耐爾空壓機的運行速度及臺數(shù)，使實際壓力與設(shè)定壓力相等來達到恒壓目的，實現(xiàn)供氣的連續(xù)調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力穩(wěn)定。變頻器恒壓供氣系統(tǒng)是根據(jù)管網(wǎng)瞬時用氣量的變化自動調(diào)節(jié)德耐爾空壓站中央德耐爾空壓機的轉(zhuǎn)速和運轉(zhuǎn)臺數(shù)，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定的設(shè)定壓力，從而達到了德耐爾空壓機的節(jié)能降耗和提高供氣質(zhì)量的目的，同時實現(xiàn)了控制過程的自動化，并且對德耐爾空壓機進行了超壓、過載、過流、欠壓等自動報警保護。
工作原理
通過檢測儲氣罐壓力,實現(xiàn)系統(tǒng)的壓力閉環(huán)控制,自動調(diào)節(jié)德耐爾空壓機的轉(zhuǎn)速和德耐爾空壓機的運轉(zhuǎn)臺數(shù)。改造后的德耐爾空壓站控制系統(tǒng)由兩個基本系統(tǒng)組成,即恒壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和微機控制參數(shù)監(jiān)測管理系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時,壓力變送器YB將總管壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査腿階/D與壓力設(shè)定值Po 比較,并根據(jù)差值的大小按給定控制模式進行運算,產(chǎn)生控制信號送變頻調(diào)速器,通過變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速,通過控制系統(tǒng),控制德耐爾空壓機運行的臺數(shù),使實際壓力P始終接近設(shè)定壓力Po。在用風(fēng)系統(tǒng)需一臺德耐爾空壓機運行時,單臺德耐爾空壓機變頻運行維持恒壓供風(fēng);當(dāng)用風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量不足時,變頻器運行頻率升高為50Hz，（或當(dāng)電機運行速度接近工頻速度時通過自動延時轉(zhuǎn)為工頻運行）,再啟動另一臺德耐爾空壓機變頻運行維持恒壓供風(fēng)，這樣如此類推。多臺德耐爾空壓機都由變頻器來啟動,實現(xiàn)帶載軟啟動,避免了啟動沖擊電流和啟動給德耐爾空壓機帶來的機械沖擊。系統(tǒng)循環(huán)帶載軟啟動、循環(huán)停機的工作方式,實現(xiàn)了供氣量的連續(xù)調(diào)節(jié),保證了總管壓力穩(wěn)定。如圖:
改造后系統(tǒng)運行特點
1） 風(fēng)壓幅值變化小
由于該變頻器是以壓力控制的,即保持恒值,使壓力- 轉(zhuǎn)數(shù)- 功率達到動態(tài)匹配,在設(shè)定的壓力下穩(wěn)定運行。實測使用變頻運行時,其壓力變化幅值為0. 034MPa即在設(shè)定壓力為0. 5MPa時,其壓力在0. 486～0. 52MPa區(qū)間變化。而工頻運行時,在同樣的條件下,其壓力在0. 368～0. 523MPa區(qū)間變化,其變化幅值為0. 155MPa。因風(fēng)壓幅值變化小,使用風(fēng)負(fù)荷穩(wěn)定,供風(fēng)質(zhì)量好,生產(chǎn)效率高。
2） 噪音低
使用變頻運行時,機房平均噪音為72dB （A） ,排氣時機房噪音平均為81. 125 dB （A） ,不排氣時機房噪音平均76. 625 dB （A） 。使用變頻比使用工頻運行排氣時平均降低噪音9. 125 dB （A） ,不排氣時平均降低噪音4. 625 dB （A） 。由于噪音降低,改善了工作環(huán)境。
3） 操作簡便
使用變頻運行,只要按動起動按鈕就可使設(shè)備運行。甩掉了傳統(tǒng)的減荷閥控制,省去了繁瑣的操作程序,同時,可實現(xiàn)多臺電動機循環(huán)軟啟動,消除了電機起動時對電網(wǎng)大電流的沖擊現(xiàn)象。
4） 節(jié)約德耐爾空壓機潤滑油40%
采用變頻調(diào)速后,在德耐爾空壓機低轉(zhuǎn)速運行時,潤滑油耗量也就變小,即所謂"低轉(zhuǎn)速,低潤滑"。以4L220 /3型德耐爾空壓機為例,據(jù)統(tǒng)計測算,使用工頻運行時,潤滑油平均每小時用105g,而使用變頻運行平均每小時有42g就夠了。
5） 延長設(shè)備使用壽命
由于變頻器保持恒定值的優(yōu)點,使之壓力- 轉(zhuǎn)速- 功率達到動態(tài)匹配,轉(zhuǎn)數(shù)明顯降低,一般情況在220～584 r /min之間,機械磨損減小,延長設(shè)備的使用壽命。
6） 提高運行可靠性
原電控系統(tǒng)與改造后電控系統(tǒng)可互為備用,提高了運行可靠性,同時各項保護措施更加完善。
節(jié)能效果分析
設(shè)Po 為現(xiàn)有德耐爾空壓站的壓力設(shè)定值。系統(tǒng)改造前,因人工控制方式下送氣量不能連續(xù)調(diào)節(jié),為保證正常供氣,須使壓力在Po 附近上下波動。Pmax是最高壓力值,當(dāng)管網(wǎng)壓力達到此值時,德耐爾空壓站關(guān)閉吸氣閥使電機處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。Pmin是最低壓力值,即能夠保證用氣設(shè)備正常工作的最低壓力,當(dāng)管網(wǎng)壓力達到此值時,德耐爾空壓站重新開啟吸氣閥。一般情況下,Pmax、P0、Pmin之間關(guān)系可以用下式來表示:
Pmax = （1 + 2δ） Pmin
P0 = （1 +δ） Pmin
δ是一個百分?jǐn)?shù),其數(shù)值大致在15% ～30%之間,即15% ≤δ≤30%。改造后,系統(tǒng)可連續(xù)調(diào)節(jié)供氣量使管網(wǎng)壓力恒定,因此,可將壓力設(shè)定在能滿足設(shè)備用氣的最低壓力值Pmin附近。改造后系統(tǒng)所節(jié)約的能量主要分析為:
�。�1） 超過Pmin的壓力所消耗的能量
改造后德耐爾空壓機對氣體所做的功可以表示為W = Pmin ×Qmin ,可以假設(shè)改造前壓力常年工作在P1附近,此時德耐爾空壓機所做的功可以表示為:
W1 = （ Pmin +ΔP） （Qmin +ΔQ）,式中的ΔP =δPmin、ΔQ ≈ Qo - Qmin ,若假設(shè)系統(tǒng)改造前、后的管網(wǎng)的情況和用氣的工況不變, P -Q之間的管阻曲線是一條二次曲線,通常情況下可以用直線來表示。則系統(tǒng)改造后的節(jié)能率η可以表示為:
η = （W1 - W ） /W1=1 - W /W1
由計算可知,節(jié)能率η的值可達相應(yīng)δ值的一倍以上,因此超壓部分的節(jié)能潛力很大。
�。�2） 調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量
通常情況下,當(dāng)壓力達到Pmax時,德耐爾空壓機通過關(guān)閉吸氣閥使電機空轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)排氣量,但德耐爾空壓機在空轉(zhuǎn)中還是帶動活塞或螺桿運動,此時的能耗約占德耐爾空壓機滿載運行時的30% ～50%,將這部分能量節(jié)省下來的數(shù)量,也相當(dāng)可觀。
�。�3） 電機起動時所消耗的能量
德耐爾空壓機是大轉(zhuǎn)動慣量負(fù)載,電機空載起動時所需的功率大致相當(dāng)于電機滿載運行時所消耗功率的2～3倍,時間約為1min,這部分能耗在大多數(shù)德耐爾空壓站中不占主要部分,在某些靠頻繁起動來控制排氣量的德耐爾空壓站時,這部分能耗就顯得很大。
結(jié)語
本系統(tǒng)利用變頻器實現(xiàn)多臺德耐爾空壓機的變頻節(jié)能改造,在降低投資的同時實現(xiàn)更佳節(jié)能效果,既降低開機、停機時瞬間電流沖擊對電氣和機械設(shè)備的影響,又提高了設(shè)備運行的可靠性，系統(tǒng)至今運行十分正常,滿足了生產(chǎn)的需要,達到了預(yù)期節(jié)能效果。
如一臺45KW的德耐爾空壓機為例:45KW X 90%�。健�40.5（度/小時）
電費計價￥0.85元/度，使用時間按每月30天,每天20小時，則每月注塑機油泵馬達部分的電費約為：
40.5度/小時X30天X20小時X ￥0.85元/度＝￥20,655元/月
改造后德耐爾空壓機的節(jié)電率按平均30%核算，則每月回收效益為:
�。�20,655X 30% = ￥6,196.5元/月
年回收效益為:￥6,196.5元/月 X 12月 = 74,358￥元
以上僅為舉例說明，具體數(shù)據(jù)以試機實測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。
一般情況下，所有投資可于6-10個月內(nèi)通過電費節(jié)省回收。
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作者:德耐爾@德耐爾空壓機 空壓機修訂日期：2012-02-02
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