空压站变频节能改造方案设计

摘要 文章就卷烟生产线中空压站的变频改造问题，给出相关节能性分析及系统改造具体方案，最后给出改造后性能预测。 1 系统改造的必要性分析 在工业生产和产品加工制造业中，风机、泵类设备应用范围广泛;其电能消耗和诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护、维修费用占到生产成本的7%～25%，是一笔不小的生产费用开支。随着经济改革的不断深入，市场竞争的不断加剧，节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一。而80年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的智能电机时代。一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。 2 工艺流程及原系统概况 2.1 空压站工艺流程如图1示 图1 空压站工艺流程 图1 空压站工艺流程 2.2 现有系统运行状况 现有系统中共有三台空气压缩机，整个系统控制运行状况如下： (1)1、2号空气压缩机为新型压缩机，功率为132kw，转速1480r/m，3号为老式空气压缩机，功率为138kw，转速为1480r/m。 (2)正常运行时，1号满负荷运行，2号稍作补充，3号备用即可满足生产要求。 (3) 三台压缩机都没有采用变频技术，正常运转时工作在工频（50Hz），电能利用率低。 (4)根据压缩空气总管压力，采用开关调节方式对各空气压缩机进气阀门进行控制，调节精度低，容易引起压缩空气压力波动。 3 空压站变频改造的功效分析 在目前的许多空压机运行中，有很大一部分时间是在非满负荷情况中进行的，这样一来，通过传统的控制就会产生能量浪费，从而造成效率低下。 但现在由于变频器的出现，使得这些大功率空压机有机会在非满负荷运行的时候可以节省能源，提高效率。下面将主要介绍空压机使用变频调速的基本情况，并详细阐述了空压机使用变频器后的节能功效。 3.1 空压机调速控制的功效 使用变频调速控制的空压机其独特之处就在于输出的空气量可以通过变化空压机的主机速度来进行大小调节，空压机主机的电机由变频器来控制。它不同于传统的机器是通过压力的加载卸载来实现的，因此有更高的效率。当然在部分空气压力负载时使用变频调速还有其他几个功效： 3.1.1 取消了齿轮箱和传动皮带 当电动机的速度变化时，就不需要一个齿轮箱或皮带传动，从而可以降低机械能量的损耗。 3.1.2 可以更精确地控制压力 当需要有一个更加精确的压力控制时，采用变频调速就可以保证。在一个单独安装的空压机中，变频调速器就可以连续运转，而出来的空气压力基本可以保持在误差在0.2BAR这样窄幅内。跟传统的加载和卸载ON/OFF控制来说，可以节省大约2%的能量，可传统的控制压力误差却在0.5BAR左右，精度自然低下。 3.1.3 降低耗气量 负载平均压力低时，使用变频调速可以降低设备的漏气和降低耗气量，在7.0BAR时典型的耗气量可以降低2%左右。 变频调速用在控制具有可变压力的负载设备是非常理想的，而且空压机能提供满容量的供气。但是在需要提供满负载运行时，（即在额定值运行时）变频调速就不具有优势，反而耗电更多，如图2所示，其增加的部分主要是用于变频器本身的耗电。变频调速控制与传统的空压机控制的功率耗用90KW为例。 图2 3.2 空压机变频速度控制的优点 精确的压力控制不仅可以降低能耗，而且可以保证提高产品的质量和降低浪费（从而 图3 变频调速控制与传统的空压机控制的功率耗用 变频调速控制与传统的空压机控制的功率耗用 间接节能）。从图3中可以看出，在传统的空压机控制中，它对空气压力的需求基本是不变的，调节靠加载和卸载ON/OFF控制，但在变频器空压机中，则通过转速控制来达到压力需求，其速度随时可以根据工况改变。 在传统的空压机中，为了保护电机，通常对起停次数都有所规定，如200KW以上的高压电机一般一小时起停不宜超过4次。而变频空压机则完全不一样，它是软起软停，无电流冲击，基本可以做到频繁启动（也就是说对次数没有限制）。 在管道压力饱和或外界无压力需求时，变频空压机可以处于轻松实现“休息”状态，这主要归因于变频器的零频功能。零频功能主要指变频器根据外界信号判断运行频率是否在零频运行阈值内，同时根据零频回差的设定来控制起停的频繁程度。有了这个功能，就可以实现休眠过程，实现节能运行。 变频器可靠的线路设计和软件功能能为变频空压机带来以下优点： （1）实现空压机的软启动，无峰值电流，启动平稳， （2）大幅度降低压缩机系统的噪声。 （3）自动控制，简便高效，可靠和自保护，无需专人看护。 （4）运转平稳，延长压缩机系统寿命，减少维护量。 （5）保证供气压力恒定，提供供气质量。 （6）大量节约电能。 3.3 空压机单机和多机的变频控制 变频空压机单机应用一般是针对独立式单台空压机而言，当用户的供气需求量不需要长时间工作在最大输出状态时，变频单机控制能很好地节能。 在空压机多机应用中，传统的控制压力或出气量的方法是将多台空压机全部运行，并通过加载来调节。最终达到压力或出气量的控制要求。显然，所有的空压机都是在全速运行，所耗电严重且控制频繁，尤其是在加一台太多减一台又太少的情况下。 图4 变频调速控制与传统的空压机控制的功率耗用 图4 变频调速控制与传统的空压机控制的功率耗用 因此，对于多机进行变频控制是非常理想。如图4所示，如果空气压力要求或出气量不高，只需要一台空压机工作即可，这时变频空压机便通过调节电机转速来达到要求，当变频空压机电机的频率达到50HZ其出气量仍无法满足要求时，便要求加入1台常规空压机进行运行，变频空压机则通过速度调节来满足要求时，则需要加入2台常规空压机来进行运行，变频空压机则通过速度调节来满足出气量或压力要求。反之，当压力或出气量太富余时，则要求减去相应的常规空压机。 从图中可看出，变频空压机始终是在工频状态，并作为调节的主要对象。空压机多机变频控制的作用有以下几点： （1）节能的目的可以达到，为用户节约高额的电费开支。 （2）避免频繁加载、卸载，延长空压机的寿命。 （3）变频静音，可以降低工作环境噪音。 （4）保证供气压力平稳。 4 空压机变频控制的具体实施方案 实践证明，相对于传统的空压机而言，购买先进的变频速度控制的新型空压机产品在购买成本上付出的多余部分将在使用一到两年后电能节省中获得相应回报。挪威TALC公司的空压机应用就是一个典型的例子。当然，节省电能的具体数量或金额则不一而足，必须依据用户现场才能进行估算。 从当前系统的运行状况来看，由于设备的大功率和低利用率，且多台运行，此系统的改造具有非常大的经济效益。具体改造方案如下： (1)空气压缩机采用变频技术，根据实际需要调节工作频率。 (2)控制方案上摒弃陈旧的进气阀开关式控制，改用先进的变频调速－恒压力控制方案：通过压缩空气管道上的压力变送器检测实际压力值，根据控制算法的输出，借助于变频器起停各压缩机和调节其工作频率。系统采用闭环控制，且各回路提供手自动的无扰动切换功能。 a、控制系统网络结构方案 根据对生产线周边配套设备的了解，提出一套结构合理，功能齐全，稳定可靠，操作、维护方便，性价比高的整机控制系统方案。总体设计理念是：以S7-300、S7-200为控制器主体，以MPI和PPI网为通信基础，以TP07和Dell计算机为操作员站，以进口设备（变频器、仪表）为主，国产设备为辅，各段按地域和功能划分子系统，各子系统独立运行且又相互协调，实现集中管理和分散控制。一次投入成本相对较低，安全可靠，维护方便。具体网络结构如图5所示： b、系统分析 根据用户要求，结合现场实际情况，设计DCS系统控制结构如图5所示。系统为三级控制方式。 该系统第一级为现场控制级,主要有现场的变送器、仪表以及电机变频系统组成。用以完成现场信号的采集及控制。 第二级为控制网络级，由高性能西门子S7-300 PLC实现控制算法的运算及相关的信号处理，从而保证控制系统达到控制要求，保证系统正常稳定运转。而S7 -300 PLC和上位机组成MPI通讯网络，实现上位机和下位PLC的数据交换。 上位机采用Dell工业控制计算机，以西门子组态软件WinCC为平台，实现上位控制系统的组态。上位控制系统通过形象的操作画面，丰富的操作元素，以及各种数据的处理，图表的组织，相关的报警提示等等方式，从而使用户能够直观地对该DCS系统进行操作，并通过相关的图表数据，报警提示等对系统的运行状态进行分析，了解，及时掌握系统的工作状 态，为保证系统的正常稳定运行提供充分的条件。 图5 系统网络结构框图 图5系统网络结构框图 第三级为管理网络级。管理级计算机接入厂区局域网，同时管理级计算机通过以太网和控制系统上位机连接，可以将控制系统的有关数据传入管理计算机，使相关的生产、管理、调度等部门及时掌握系统的运行情况，从而为协调组织生产工作提供必备的条件。 c、改造后运行状况预估