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螺杆式空壓機變頻改造方案設計
来源:乾鼎节能 发布者:admin 发布时间:2019年 01月 05日 阅读次数:197 次

   针对螺杆式空压机能耗大、噪音大、自动化程度低等问题,在螺杆式空压机节能原理的基础上,提出了利用变频器对螺杆式空压机变频改造进行节能改造的方案.

  该方案采用安全连锁、PID调节和电机温升控制等技术手段来实现.节能效果分析表明,该方案节电率达到28.3%,具有推广价值

一:螺杆式空壓機變頻改造節能原理分析:

1.以單螺杆式空壓機爲例說明空氣壓縮機工作原理,如圖1所示爲單螺杆空氣壓縮機的結構原理圖。螺杆式空氣壓縮機的工作過程分爲吸氣、密封及輸送、壓縮、排氣四個過程。當螺杆在殼體內轉動時,螺杆與殼體的齒溝相互齧合,空氣由進氣口吸入,同時也吸入機油,由于齒溝齧合面轉動將吸入的油氣密封並向排氣口輸送;在輸送過程中齒溝齧合間隙逐漸變小,油氣受到壓縮;當齒溝齧合面旋轉至殼體排氣口時,較高壓力的油氣混合氣體排出機體。螺杆空压机结构原理图.png

2.根據空氣壓縮理論,壓縮機的軸功率、排氣量
      和轴转速之间的关系应符合下列公式:N2=Mr×n9553  Vd=K×Vh×n2式中,N2爲壓縮機軸功率/kW,Mr爲壓縮機輸入的平均軸扭矩/(N·m),n爲壓縮機轉速/(r·min-1),K爲與氣缸容積、壓力、溫度和泄漏有關的系數,n2爲調節後的壓縮機轉速/(r·min-1),Vd爲在n2轉速下的排氣量/(m3·min-1),Vh爲一級缸積/m3

      根据上述分析,在空压机的汽缸容积不能改变的条件下,要想改变排气量只有调节压缩机转速;在空压机排气量大于用气量时,通过降低压缩机转速调节供气压力,是压缩机经济运行的有效方法。

二:螺杆式空壓機變頻改造中空壓機工頻運行和變頻運行的比較:

1.空壓機電機功率一般較大,啓動方式多采用空載(卸載)星-三角啓動,加載和卸載方式都爲瞬時。這使得空壓機在啓動時會有較大的啓動電流,加載和卸載時對設備機械沖擊較大;不光引起電源電壓波動,也會使壓縮氣源産生較大的波動;同時這種運行方式還會加速設備的磨損,降低設備的使用年限。

2.對空壓機進行變頻改造,能夠使電機實現軟起軟停,減小啓動沖擊,延長設備使用年限;同時由于電機運行頻率可變,實現了空壓機根據用氣量的大小自動調節電機轉速,減少了電機頻繁的加載和卸載,使得供氣系統氣壓維持恒定,在一定程度上節約了電能。

3.空壓機主電路和控制電路的變頻改造:以某品牌空壓機爲例,圖4是其電路原理圖。

电路原图4
可以看出該品牌型號的空壓機采用星-三角啓動方式,在主電路改造時,將變頻器串接進原有的電源進線中;斷開原加載閥控制回路,將原加載閥控制輸出改爲一個時間繼電器JS,時間繼電器的線圈一端與220V控制電路零線接通,另一端連接到PLC的加載輸出點,將加載閥的一端直接和220V控制電路零線接通,另一端通過時間繼電器JS的一對常開觸點與220V控制電路火線接通,通過時間繼電器延長加載時間。變頻器的正轉信號端子FWD,通過電機主電路上的交流接觸器KM1的一對常開觸點,與變頻器公共控制端CM接通。變頻器的模擬量反饋信號C1和GND端子,與壓縮氣輸送管路上的壓力傳感器相連接。

变频改造后的电路原理图
圖5是變頻改造後的電路原理圖。

4.空壓機變頻改造後,電機啓動時原有的交流接觸器仍然由其控制PLC按星-三角方式動作,但在交流接觸器連接爲星型時,交流接觸器KM1的常開觸點沒有閉合,變頻器FWD端子與CM端子沒有接通,變頻器不啓動、無輸出;當PLC控制交流接觸器轉換爲三角形接法後,KM1的常開觸點閉合,變頻器FWD端子與CM端子接通,時間繼電器JS處于延時狀態,加載閥不動作,變頻器開始空載變頻啓動電機。當變頻器啓動電機完成後,時間繼電器JS動作加載閥,變頻器自動變頻運行。

三:螺杆式空壓機變頻改造方案的關鍵點

1、螺杆式空壓機變頻改造安全連鎖

由于螺杆空壓機嚴禁反轉,所以要特別注意電
機主回路的電源相序.系統可以加裝相序保護器以保證電機的旋轉方向正確.在調試時,則必須脫開主電機和空壓機的連接,單獨測試主電機的旋轉方向和散熱風機的旋轉方向,
以保證設備的安全。

2、空壓機原有的保護功能要保留,並引入到變頻控制系統,
使設備發生故障時變頻器能及時停機.2台空壓機的控制回路電源要分開,保證在檢修任意一台空壓機時控制回路不帶電,保障檢修人員的安全.

四:螺杆式空壓機變頻改造注意事項:
1.按生産工藝要求,變頻改造後,適當降低壓縮氣供氣系統的供氣壓力,將原來的高壓變流量供氣改變爲變頻恒壓變流量供氣方式。
2.必須保留空壓機的工頻運行模式,萬一變頻器出出故障,可以直接切換到工頻模式下運行,不至對對生産造成影。
3.使用變頻器下限頻率延時停機休眠功能。
4.管路上的壓力傳感器的安裝位置要盡量靠近空壓機,不要安裝在過濾器或是閥門以後,同時切記壓力傳感器和空壓機之間的管路上不能安裝任何閥門元件,防止過濾器堵塞或是閥門關閉後,空壓機不停機並發生爆炸危險。還應該保留空壓機原來的壓力停機保護開關。
5.在進行變頻改造時應該注意,盡量保持原有設備主電路和控制電路的完整性,對其電路的改動越少越好;這有利于在變頻器發生故障或是檢修時,空壓機可以很方便地改動回到原有的控制方式上去,這保證了空壓機在變頻和工頻狀態下都可以運行,也使得改造時可以不用重新編寫PLC程序。
6.變頻器的下限運行頻率一般要設在35赫茲或以上,如果赫茲數太低,可能會造成油氣分離器無法有效分離油氣,造成空壓機漏油現象。但要根據實際情況具體來考慮設定下限頻率值,因爲不同的空壓機其機械配合磨損和效率不盡相同,其不漏油的下限頻率也不一定相同。
7.時間繼電器JS的整定時間要大于等于變頻器的啓動時間,這保證變頻器空載變頻啓動,有效避免變頻器低頻啓動時過負荷跳閘。
8.變頻器的啓動信號由角形接法交流接觸器KM1控制,既在星形時變頻器不啓動無輸出。

五:螺杆式空壓機變頻改造節能分析

  如以下公式所示拉力F与摩擦力F’大小相等、方向相反,拉力F在时间T内拉动物体做直线运动,移动位移S。拉力F在时间T内作的功率P为

由數學知識可知線速度v和旋轉角速度ω之間的關系如式2所示,式中f爲旋轉體的旋轉頻率。將式2代入式1可以求得旋轉物體摩擦阻力功率如式3所示公式2

由式3可以知道,克服旋轉體的摩擦阻力使旋轉體勻速轉動,需要向旋轉體提供的功率按式3公式計算(忽略機械效率損失,認爲η爲1)。式3中F’爲旋轉體的旋轉摩擦阻力,r爲旋轉體的旋轉半徑,f爲旋轉體的旋轉頻率。所以我們可以在忽略空氣壓縮機機械效率損失,同時忽略空壓機機械效率因爲電機轉速變化而變化的情況下,即始終認爲空壓機機械效率η爲1,可以近似地認爲變頻器的輸出功率與空壓機電機的轉速成正比,即成一次方正比例關系。公式3

 

  
如下圖7所示是螺杆式空壓機工頻運行時的轉速/功率-周期示意圖。t1是空壓機加栽運行時間,t2是空壓機卸栽運行時間,加栽/卸栽時的轉速和功率分別爲P1/n1和P2/n2。忽略空壓機機械效率η的變化,W1和W2分別爲空壓機加栽運行時間t1和卸栽運行時間t2中由電源輸送給空壓機電機的能量。其中W1轉換爲壓縮空氣勢能、動能和熱能等形式的能量,供設備使用。而W2則轉換爲機械的摩擦熱能和聲音、震動等形式的能量損失掉。

图7

以螺杆式空壓機經過變頻改造後,由于電機處于變速運行情況下,而通過式3的推導知道電機的平均功率與電機的平均轉速成一次方正比例關系。空壓機變頻改造後,是根據用氣系統的用氣量恒壓變流供氣;所以變頻改造後,空壓機在周期T(t1+t2)內所作的功W,等于同等工況下,空壓機工頻運行時,加載運行時間t1內所作的功W1。如圖8所示。 图8

通過以上分析,可知只要知道螺杆式空壓機工頻改造前卸載運行時間和卸載電流,就可以大致計算出,相同工況下變頻改造後的節能功率和節能電量(忽略機械效率η的變化)

 

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