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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(jī)組成，每臺德耐爾空壓機(jī)都由一臺電機(jī)拖動(dòng)，獨(dú)立進(jìn)行控制。在實(shí)際工作中，德耐爾空壓站按更大工作負(fù)荷而設(shè)計(jì)的，所以在用氣量少時(shí)，啟動(dòng)1-2臺機(jī)組，用氣量大時(shí)，啟動(dòng)多臺并聯(lián)運(yùn)行，在系統(tǒng)預(yù)設(shè)管網(wǎng)壓力值,系統(tǒng)將自動(dòng)根據(jù)預(yù)設(shè)的壓力值的下限與上限進(jìn)行自動(dòng)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(jī)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(shí),儲(chǔ)氣壓力保持不變,但由于生產(chǎn)用風(fēng)量的不均衡,而裝機(jī)容量需根據(jù)生產(chǎn)更大用風(fēng)量并留有余量設(shè)計(jì),故實(shí)際運(yùn)行中德耐爾空壓機(jī)供風(fēng)量遠(yuǎn)大于實(shí)際用風(fēng)量。若德耐爾空壓機(jī)仍恒速運(yùn)轉(zhuǎn),則儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體壓力越來越大,當(dāng)罐內(nèi)壓力上升達(dá)到設(shè)定壓力時(shí),一般采用兩種辦法:一種是德耐爾空壓機(jī)卸荷運(yùn)行（關(guān)閉入氣閥）,不產(chǎn)生壓縮氣體,電動(dòng)機(jī)處于空載運(yùn)轉(zhuǎn),其用電量仍為滿負(fù)載的30% ～50% , 還有德耐爾空壓機(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載，電機(jī)空載起動(dòng)時(shí)所需的功率大致相當(dāng)于滿載運(yùn)行所消耗2-3倍，運(yùn)行時(shí)間約為5-60S，在頻繁起動(dòng)控制排氣量時(shí)，對電網(wǎng)沖擊大，能耗明顯增加，這部分電能也被白白浪費(fèi)廢掉;另外一種辦法是停止德耐爾空壓機(jī)運(yùn)行,但將會(huì)帶來電動(dòng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)。德耐爾空壓機(jī)的空載啟動(dòng)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(shí)使德耐爾空壓機(jī)的使用壽命也會(huì)縮短。為滿足生產(chǎn)設(shè)備用氣要求,儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣運(yùn)行壓力通常設(shè)為0. 55～0. 65MPa,壓力設(shè)定范圍太大則會(huì)形成管路高壓力，高傳送損耗，漏氣，而且氣壓大范圍波動(dòng)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(dòng)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(jì)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(dòng)電機(jī)通過變頻器輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速來控制德耐爾空壓機(jī)的運(yùn)行速度及臺數(shù)，使實(shí)際壓力與設(shè)定壓力相等來達(dá)到恒壓目的，實(shí)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(shí)用氣量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)德耐爾空壓站中央德耐爾空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)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(dá)到了德耐爾空壓機(jī)的節(jié)能降耗和提高供氣質(zhì)量的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了控制過程的自動(dòng)化，并且對德耐爾空壓機(jī)進(jìn)行了超壓、過載、過流、欠壓等自動(dòng)報(bào)警保護(hù)。
工作原理
通過檢測儲(chǔ)氣罐壓力,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的壓力閉環(huán)控制,自動(dòng)調(diào)節(jié)德耐爾空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速和德耐爾空壓機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)臺數(shù)。改造后的德耐爾空壓站控制系統(tǒng)由兩個(gè)基本系統(tǒng)組成,即恒壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和微機(jī)控制參數(shù)監(jiān)測管理系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時(shí),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(jìn)行運(yùn)算,產(chǎn)生控制信號送變頻調(diào)速器,通過變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,通過控制系統(tǒng),控制德耐爾空壓機(jī)運(yùn)行的臺數(shù),使實(shí)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(jī)運(yùn)行時(shí),單臺德耐爾空壓機(jī)變頻運(yùn)行維持恒壓供風(fēng);當(dāng)用風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量不足時(shí),變頻器運(yùn)行頻率升高為50Hz，（或當(dāng)電機(jī)運(yùn)行速度接近工頻速度時(shí)通過自動(dòng)延時(shí)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行）,再啟動(dòng)另一臺德耐爾空壓機(jī)變頻運(yùn)行維持恒壓供風(fēng)，這樣如此類推。多臺德耐爾空壓機(jī)都由變頻器來啟動(dòng),實(shí)現(xiàn)帶載軟啟動(dòng),避免了啟動(dòng)沖擊電流和啟動(dòng)給德耐爾空壓機(jī)帶來的機(jī)械沖擊。系統(tǒng)循環(huán)帶載軟啟動(dòng)、循環(huán)停機(jī)的工作方式,實(shí)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(yùn)行特點(diǎn)
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(dá)到動(dòng)態(tài)匹配,在設(shè)定的壓力下穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)測使用變頻運(yùn)行時(shí),其壓力變化幅值為0. 034MPa即在設(shè)定壓力為0. 5MPa時(shí),其壓力在0. 486～0. 52MPa區(qū)間變化。而工頻運(yùn)行時(shí),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(yùn)行時(shí),機(jī)房平均噪音為72dB （A） ,排氣時(shí)機(jī)房噪音平均為81. 125 dB （A） ,不排氣時(shí)機(jī)房噪音平均76. 625 dB （A） 。使用變頻比使用工頻運(yùn)行排氣時(shí)平均降低噪音9. 125 dB （A） ,不排氣時(shí)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(yùn)行,只要按動(dòng)起動(dòng)按鈕就可使設(shè)備運(yùn)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(shí),可實(shí)現(xiàn)多臺電動(dòng)機(jī)循環(huán)軟啟動(dòng),消除了電機(jī)起動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)大電流的沖擊現(xiàn)象。
4） 節(jié)約德耐爾空壓機(jī)潤滑油40%
采用變頻調(diào)速后,在德耐爾空壓機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí),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(jī)為例,據(jù)統(tǒng)計(jì)測算,使用工頻運(yùn)行時(shí),潤滑油平均每小時(shí)用105g,而使用變頻運(yùn)行平均每小時(shí)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(diǎn),使之壓力- 轉(zhuǎn)速- 功率達(dá)到動(dòng)態(tài)匹配,轉(zhuǎn)數(shù)明顯降低,一般情況在220～584 r /min之間,機(jī)械磨損減小,延長設(shè)備的使用壽命。
6） 提高運(yùn)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(yùn)行可靠性,同時(shí)各項(xiàng)保護(hù)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(dòng)。Pmax是最高壓力值,當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到此值時(shí),德耐爾空壓站關(guān)閉吸氣閥使電機(jī)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(dá)到此值時(shí),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(gè)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(jī)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(shí)德耐爾空壓機(jī)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(jì)算可知,節(jié)能率η的值可達(dá)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(dá)到Pmax時(shí),德耐爾空壓機(jī)通過關(guān)閉吸氣閥使電機(jī)空轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)排氣量,但德耐爾空壓機(jī)在空轉(zhuǎn)中還是帶動(dòng)活塞或螺桿運(yùn)動(dòng),此時(shí)的能耗約占德耐爾空壓機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)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(jī)起動(dòng)時(shí)所消耗的能量
德耐爾空壓機(jī)是大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載,電機(jī)空載起動(dòng)時(shí)所需的功率大致相當(dāng)于電機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)所消耗功率的2～3倍,時(shí)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(dòng)來控制排氣量的德耐爾空壓站時(shí),這部分能耗就顯得很大。
結(jié)語
本系統(tǒng)利用變頻器實(shí)現(xiàn)多臺德耐爾空壓機(jī)的變頻節(jié)能改造,在降低投資的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更佳節(jié)能效果,既降低開機(jī)、停機(jī)時(shí)瞬間電流沖擊對電氣和機(jī)械設(shè)備的影響,又提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，系統(tǒng)至今運(yùn)行十分正常,滿足了生產(chǎn)的需要,達(dá)到了預(yù)期節(jié)能效果。
如一臺45KW的德耐爾空壓機(jī)為例:45KW X 90% ＝ 40.5（度/小時(shí)）
電費(fèi)計(jì)價(jià)￥0.85元/度，使用時(shí)間按每月30天,每天20小時(shí)，則每月注塑機(jī)油泵馬達(dá)部分的電費(fèi)約為：
40.5度/小時(shí)X30天X20小時(shí)X ￥0.85元/度＝￥20,655元/月
改造后德耐爾空壓機(jī)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(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。
一般情況下，所有投資可于6-10個(gè)月內(nèi)通過電費(fèi)節(jié)省回收。
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作者:德耐爾@德耐爾空壓機(jī) 空壓機(jī)修訂日期：2012-02-02
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