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森蘭SB70系列變頻器在化工行業(yè)空壓機上的應用

一、前言

在工業(yè)生產(chǎn)中,壓縮氣體的使用非常普遍。在工廠內(nèi),若干臺空氣壓縮機安裝在一個地方,就構(gòu)成一個空壓機站。四川自貢鴻鶴化工實業(yè)有限公司有一氫壓機站,安裝有3臺110kW防爆往復式活塞式氫壓縮機,用來壓縮氫氣。在設計選用氫氣壓縮機電動機容量時,過多考慮建設前后長期工藝要求的差異,使裕量過大。另外,設計過程中很難作準確的計算,考慮長期運行過程中可能發(fā)生的各種問題,通常是將氫氣壓縮機滿負荷長時間運行來作為選型的依據(jù),但氫氣壓縮電動機的系列是有限的,往往選不到合適電動機型號就往上靠,大20%~30%的比較常見。由于上述的原因,實際生產(chǎn)中氫氣壓縮機輕載運行的時間會顯著增長。

另外,由于生產(chǎn)上使用氫氣的不均勻性,用氣量是在動態(tài)變化的,有時需要同時運行數(shù)臺氫壓縮機供氣,而有時一臺氫壓縮機產(chǎn)的氣都有富余,但氫壓縮機仍在全速運行。氫氣壓縮機出廠時配套的排氣壓力調(diào)節(jié)裝置為關(guān)閉進氣管式壓力調(diào)節(jié)器,其工作原理是當儲氣罐(風包)內(nèi)空氣壓力達到或超過設定壓力(0.82MPa)時,壓縮機進氣管上碟閥自動關(guān)閉,壓縮機進入空轉(zhuǎn)卸荷狀態(tài)。當儲氣罐內(nèi)空氣壓力低于設定壓力(0.77MPa)時,壓縮機進氣管碟閥自動開啟,壓縮機又進入滿載工作狀態(tài)。

氫氣壓縮機的排氣量和壓力,在運轉(zhuǎn)中也不是不變的,但工藝上的需求是動態(tài)改變的,所以氫氣壓縮機工作時總是在重復滿載-卸荷工作方式。滿載時的工作電流接近電動機的額定電流,而卸荷時的空轉(zhuǎn)電流約為35~50%電動機額定電流,這部分電流不是做有用功,而是機械在額定轉(zhuǎn)速下的空轉(zhuǎn)損耗。這種機械式調(diào)節(jié)裝置雖然也能起到壓力調(diào)節(jié)作用,但是壓力調(diào)節(jié)精度低,壓力波動大。氫壓縮機總是在額定轉(zhuǎn)速下工作,機械磨損大、且運行在低效狀態(tài),電耗高。

如采用變頻調(diào)速,根據(jù)需要來調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速,使之在高效狀態(tài)下減少電動機的運行功率,可在滿足生產(chǎn)工藝要求的條件下達到節(jié)能的目的。從運行質(zhì)量的角度看,氫壓縮機系統(tǒng)大多不能根據(jù)負載的輕重連續(xù)地進行調(diào)整。而采用變頻調(diào)速后,則可以十分方便有效地進行連續(xù)調(diào)節(jié),保持壓力、流量等參數(shù)的穩(wěn)定,從而大大提高壓縮機工作效率及性能。


根據(jù)上述理論分析,在氫壓縮機的氣缸容積不能改變的條件下,只有調(diào)節(jié)氫壓縮機的轉(zhuǎn)速來改變排氣量;氫壓縮機是恒轉(zhuǎn)矩負載,壓縮機軸功率與轉(zhuǎn)速的一次方成正比變化;在氫壓縮機總排氣量大于供氣量時,通過降低壓縮機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)供氣壓力,是達到壓縮機經(jīng)濟運行的有效方法。

在可以選用的交流異步電動機調(diào)速方法有變極調(diào)速、改變皮帶輪傳動比、繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速等。變頻調(diào)速與其它調(diào)速方法相比,具有無極調(diào)速、容易實現(xiàn)自動控制、不用改變設備結(jié)構(gòu)和安裝工作量小的特點,高效調(diào)速且節(jié)能。即交流異步電動機變頻調(diào)速,是一種不耗能的高效的調(diào)速方法。

三. 變頻恒壓供氣

變頻器、壓力變送器構(gòu)成壓力閉環(huán)系統(tǒng),自動按需降低氫壓縮機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)供氣壓力,達到壓縮機經(jīng)濟運行??紤]在儲氣罐上安裝一只壓力變送器,將壓力信號反饋到變頻器的端子上,構(gòu)成恒壓供氣系統(tǒng),供氣壓力設置為0.8MPa。

氫壓縮機電動機的額定電流應等于或小于恒轉(zhuǎn)矩變頻器額定電流。變頻器要有內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器和4~20mA模擬信號接口。本例選用一臺森蘭SB70G132變頻器,壓力變送氣選用森納斯DG13W=BZ-A,1.6MPa。恒壓供氣原理圖如圖2所示:

圖中:由壓力傳感器PT從貯氣罐取出壓力反饋信號,送至變頻器內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器的輸入端,與預置的壓力給定信號相比較,經(jīng)PID調(diào)節(jié)器處理后,從而決定電動機的工作頻率和轉(zhuǎn)速。此種控制方式在保證儲氣罐氫氣的壓力始終保持恒定的前提下,在用氣量改變時自動調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速,保持高效率運轉(zhuǎn)實現(xiàn)節(jié)能。


變頻器控制第一臺氫壓縮機,給定調(diào)節(jié)用變頻器上的操作鍵盤,變頻器的多功能輸出Y1、Y2接第二和第三臺氫壓縮機的自耦減壓起動器的起動/停止電路,這樣可由變頻器的輸出控制另外兩臺氫壓縮機的運行或停機。手動運行時,第一臺氫壓縮機由變頻器控制,第二和第三臺的氫壓縮機可用自耦減壓起動器人工起動/停止。自動運行時,第一臺氫壓縮機首先變頻運行,當變頻器的輸出頻率已達到50Hz,供氣量仍不足,變頻器的輸出節(jié)點Y1、Y2動作,起動第二和第三臺氫壓縮機工作;如供氣量大于給定值時,系統(tǒng)自動停止第二和第三臺的氫壓縮機工作,通過閉環(huán)調(diào)節(jié)可實現(xiàn)恒壓供氣。

氫氣為可燃性氣體,氫壓縮機的工作場地有爆炸危險,SB70G系列變頻器的防護等級為IP2O,顯然不能在有爆炸危險的場合。將變頻安裝在沒有爆炸危險的配電房內(nèi),用遠方控制盒在壓縮機旁進行操作,遠方控制盒也要考慮為本質(zhì)安全性的。

四、注意事項

1、由于空氣壓縮機的轉(zhuǎn)動慣量大,在選用變頻器時應根據(jù)具體的工況條件和現(xiàn)場的運行電流情況確定選配的變頻器容量。

2、壓力傳感器應在壓力變化不是相對劇烈地方,最好安裝在儲氣罐上。為避免干擾,壓力傳感器的信號盡量采用4~20mA電流信號,傳輸線用雙芯屏蔽線。

3、在變頻器的控制系統(tǒng)中應設有開環(huán)和閉環(huán)兩種控制模式,以便于調(diào)試和特殊情況下使用。

4、由于空氣壓縮機不允許長期工作在低頻狀態(tài)下,在低頻下運行不但穩(wěn)定性變差,而且容易出現(xiàn)喘振,另一方面也使缸體的潤滑變差,會加快磨損,故應設定合理的、有效的、安全的工作頻率下限。具體的設定要根據(jù)不同的工況、不同的使用條件和要求,耐心細致地調(diào)整。

五、節(jié)能改造后的效果

壓縮機于2005年8月改造完成,經(jīng)過三個月的運行,達到了預想的目的。不論生產(chǎn)工藝如何改變,也不論供氣量如何改變,恒壓供氣的氫氣壓力維持在0.8MPa左右,供氣質(zhì)量大幅度提高。

變頻調(diào)速后,空壓機零速平滑起動,提高生產(chǎn)安全性。氫壓縮機任何時候不再是全速運轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速降低后,工作環(huán)境噪音也相應下降;轉(zhuǎn)速降低后,機械的磨損隨之減小,有利于增長壓縮機的壽命,降低維修成本。

節(jié)能方面,由壓縮機的公式可見,壓縮機消耗的軸功率PZ(kW)與軸轉(zhuǎn)速n(r/min)成正比,而壓縮機的排氣量QD(m3/min)又與軸轉(zhuǎn)速成正比,則壓縮機消耗的軸功率PZ(kW)就與壓縮機的排氣量QD(m3/min)成正比,降低轉(zhuǎn)速可節(jié)省軸功率,經(jīng)實測節(jié)電率達到26%,取得了較好的經(jīng)濟效益。