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济南福利得空压机节能改造

螺杆式空压机变频改造方案设计
来源:乾鼎节能 发布者:admin 发布时间:2019年 01月 05日 阅读次数:160 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:螺杆式空压机变频改造节能原理分析:

1.以单螺杆式空压机为例说明空气压缩机工作原理,如图1所示为单螺杆空气压缩机的结构原理图。螺杆式空气压缩机的工作过程分为吸气、密封及输送、压缩、排气四个过程。当螺杆在壳体内转动时,螺杆与壳体的齿沟相互啮合,空气由进气口吸入,同时也吸入机油,由于齿沟啮合面转动将吸入的油气密封并向排气口输送;在输送过程中齿沟啮合间隙逐渐变小,油气受到压缩;当齿沟啮合面旋转至壳体排气口时,较高压力的油气混合气体排出机体。螺杆空压机结构原理图.png

2.根据空气压缩理论,压缩机的轴功率、排气量
      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为压缩机轴功率/kW,Mr为压缩机输入的平均轴扭矩/(N·m),n为压缩机转速/(r·min-1),K为与气缸容积、压力、温度和泄漏有关的系数,n2为调节后的压缩机转速/(r·min-1),Vd为在n2转速下的排气量/(m3·min-1),Vh为一级缸积/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:螺杆式空压机变频改造中空压机工频运行和变频运行的比较:

1.空压机电机功率一般较大,启动方式多采用空载(卸载)星-三角启动,加载和卸载方式都为瞬时。这使得空压机在启动时会有较大的启动电流,加载和卸载时对设备机械冲击较大;不光引起电源电压波动,也会使压缩气源产生较大的波动;同时这种运行方式还会加速设备的磨损,降低设备的使用年限。

2.对空压机进行变频改造,能够使电机实现软起软停,减小启动冲击,延长设备使用年限;同时由于电机运行频率可变,实现了空压机根据用气量的大小自动调节电机转速,减少了电机频繁的加载和卸载,使得供气系统气压维持恒定,在一定程度上节约了电能。

3.空压机主电路和控制电路的变频改造:以某品牌空压机为例,图4是其电路原理图。

电路原图4
可以看出该品牌型号的空压机采用星-三角启动方式,在主电路改造时,将变频器串接进原有的电源进线中;断开原加载阀控制回路,将原加载阀控制输出改为一个时间继电器JS,时间继电器的线圈一端与220V控制电路零线接通,另一端连接到PLC的加载输出点,将加载阀的一端直接和220V控制电路零线接通,另一端通过时间继电器JS的一对常开触点与220V控制电路火线接通,通过时间继电器延长加载时间。变频器的正转信号端子FWD,通过电机主电路上的交流接触器KM1的一对常开触点,与变频器公共控制端CM接通。变频器的模拟量反馈信号C1和GND端子,与压缩气输送管路上的压力传感器相连接。

变频改造后的电路原理图
图5是变频改造后的电路原理图。

4.空压机变频改造后,电机启动时原有的交流接触器仍然由其控制PLC按星-三角方式动作,但在交流接触器连接为星型时,交流接触器KM1的常开触点没有闭合,变频器FWD端子与CM端子没有接通,变频器不启动、无输出;当PLC控制交流接触器转换为三角形接法后,KM1的常开触点闭合,变频器FWD端子与CM端子接通,时间继电器JS处于延时状态,加载阀不动作,变频器开始空载变频启动电机。当变频器启动电机完成后,时间继电器JS动作加载阀,变频器自动变频运行。

三:螺杆式空压机变频改造方案的关键点

1、螺杆式空压机变频改造安全连锁

由于螺杆空压机严禁反转,所以要特别注意电
机主回路的电源相序.系统可以加装相序保护器以保证电机的旋转方向正确.在调试时,则必须脱开主电机和空压机的连接,单独测试主电机的旋转方向和散热风机的旋转方向,
以保证设备的安全。

2、空压机原有的保护功能要保留,并引入到变频控制系统,
使设备发生故障时变频器能及时停机.2台空压机的控制回路电源要分开,保证在检修任意一台空压机时控制回路不带电,保障检修人员的安全.

四:螺杆式空压机变频改造注意事项:
1.按生产工艺要求,变频改造后,适当降低压缩气供气系统的供气压力,将原来的高压变流量供气改变为变频恒压变流量供气方式。
2.必须保留空压机的工频运行模式,万一变频器出出故障,可以直接切换到工频模式下运行,不至对对生产造成影。
3.使用变频器下限频率延时停机休眠功能。
4.管路上的压力传感器的安装位置要尽量靠近空压机,不要安装在过滤器或是阀门以后,同时切记压力传感器和空压机之间的管路上不能安装任何阀门元件,防止过滤器堵塞或是阀门关闭后,空压机不停机并发生爆炸危险。还应该保留空压机原来的压力停机保护开关。
5.在进行变频改造时应该注意,尽量保持原有设备主电路和控制电路的完整性,对其电路的改动越少越好;这有利于在变频器发生故障或是检修时,空压机可以很方便地改动回到原有的控制方式上去,这保证了空压机在变频和工频状态下都可以运行,也使得改造时可以不用重新编写PLC程序。
6.变频器的下限运行频率一般要设在35赫兹或以上,如果赫兹数太低,可能会造成油气分离器无法有效分离油气,造成空压机漏油现象。但要根据实际情况具体来考虑设定下限频率值,因为不同的空压机其机械配合磨损和效率不尽相同,其不漏油的下限频率也不一定相同。
7.时间继电器JS的整定时间要大于等于变频器的启动时间,这保证变频器空载变频启动,有效避免变频器低频启动时过负荷跳闸。
8.变频器的启动信号由角形接法交流接触器KM1控制,既在星形时变频器不启动无输出。

五:螺杆式空压机变频改造节能分析

  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

由数学知识可知线速度v和旋转角速度ω之间的关系如式2所示,式中f为旋转体的旋转频率。将式2代入式1可以求得旋转物体摩擦阻力功率如式3所示公式2

由式3可以知道,克服旋转体的摩擦阻力使旋转体匀速转动,需要向旋转体提供的功率按式3公式计算(忽略机械效率损失,认为η为1)。式3中F’为旋转体的旋转摩擦阻力,r为旋转体的旋转半径,f为旋转体的旋转频率。所以我们可以在忽略空气压缩机机械效率损失,同时忽略空压机机械效率因为电机转速变化而变化的情况下,即始终认为空压机机械效率η为1,可以近似地认为变频器的输出功率与空压机电机的转速成正比,即成一次方正比例关系。公式3

 

  
如下图7所示是螺杆式空压机工频运行时的转速/功率-周期示意图。t1是空压机加栽运行时间,t2是空压机卸栽运行时间,加栽/卸栽时的转速和功率分别为P1/n1和P2/n2。忽略空压机机械效率η的变化,W1和W2分别为空压机加栽运行时间t1和卸栽运行时间t2中由电源输送给空压机电机的能量。其中W1转换为压缩空气势能、动能和热能等形式的能量,供设备使用。而W2则转换为机械的摩擦热能和声音、震动等形式的能量损失掉。

图7

以螺杆式空压机经过变频改造后,由于电机处于变速运行情况下,而通过式3的推导知道电机的平均功率与电机的平均转速成一次方正比例关系。空压机变频改造后,是根据用气系统的用气量恒压变流供气;所以变频改造后,空压机在周期T(t1+t2)内所作的功W,等于同等工况下,空压机工频运行时,加载运行时间t1内所作的功W1。如图8所示。 图8

通过以上分析,可知只要知道螺杆式空压机工频改造前卸载运行时间和卸载电流,就可以大致计算出,相同工况下变频改造后的节能功率和节能电量(忽略机械效率η的变化)

 

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