森兰变频器在化工行业空压机上的应用

一、前言

在工业生产中，压缩气体的使用非常普遍。在工厂内，若干台空气压缩机安装在一个地方，就构成一个空压机站。四川自贡鸿鹤化工实业有限公司有一氢压机站，安装有3台110kW防爆往复式活塞式氢压缩机，用来压缩氢气。在设计选用氢气压缩机电动机容量时，过多考虑建设前后长期工艺要求的差异，使裕量过大。另外，设计过程中很难作准确的计算，考虑长期运行过程中可能发生的各种问题，通常是将氢气压缩机满负荷长时间运行来作为选型的依据，但氢气压缩电动机的系列是有限的，往往选不到合适电动机型号就往上靠，大20%~30%的比较常见。由于上述的原因，实际生产中氢气压缩机轻载运行的时间会显著增长。

另外，由于生产上使用氢气的不均匀性，用气量是在动态变化的，有时需要同时运行数台氢压缩机供气，而有时一台氢压缩机产的气都有富余，但氢压缩机仍在全速运行。氢气压缩机出厂时配套的排气压力调节装置为关闭进气管式压力调节器，其工作原理是当储气罐(风包)内空气压力达到或超过设定压力(0.82MPa)时，压缩机进气管上碟阀自动关闭，压缩机进入空转卸荷状态。当储气罐内空气压力低于设定压力(0.77MPa)时，压缩机进气管碟阀自动开启，压缩机又进入满载工作状态。

氢气压缩机的排气量和压力，在运转中也不是不变的，但工艺上的需求是动态改变的，所以氢气压缩机工作时总是在重复满载-卸荷工作方式。满载时的工作电流接近电动机的额定电流，而卸荷时的空转电流约为35~50%电动机额定电流，这部分电流不是做有用功，而是机械在额定转速下的空转损耗。这种机械式调节装置虽然也能起到压力调节作用，但是压力调节精度低，压力波动大。氢压缩机总是在额定转速下工作，机械磨损大、且运行在低效状态，电耗高。

如采用变频调速，根据需要来调节电动机的转速，使之在高效状态下减少电动机的运行功率，可在满足生产工艺要求的条件下达到节能的目的。从运行质量的角度看，氢压缩机系统大多不能根据负载的轻重连续地进行调整。而采用变频调速后，则可以十分方便有效地进行连续调节，保持压力、流量等参数的稳定，从而大大提高压缩机工作效率及性能。

二. 氢压缩机节能原理

根据空气压缩理论，氢压缩机的轴功率PZ(kW)，排气量QD(m3/min)和转速n(r/min)符合下列公式：

式中：--氢压缩机输入的平均扭矩N·m

     K—与气缸容积、压力、温度和泄露有关的系数

     n2—调节后的压缩机转速，r/min

     --气缸容积,m3

根据上述理论分析，在氢压缩机的气缸容积不能改变的条件下，只有调节氢压缩机的转速来改变排气量；氢压缩机是恒转矩负载，压缩机轴功率与转速的一次方成正比变化；在氢压缩机总排气量大于供气量时，通过降低压缩机转速调节供气压力，是达到压缩机经济运行的有效方法。

在可以选用的交流异步电动机调速方法有变极调速、改变皮带轮传动比、绕线式电动机转子串电阻调速等。变频调速与其它调速方法相比，具有无极调速、容易实现自动控制、不用改变设备结构和安装工作量小的特点，高效调速且节能。即交流异步电动机变频调速，是一种不耗能的高效的调速方法。

三. 变频恒压供气

变频器、压力变送器构成压力闭环系统，自动按需降低氢压缩机转速调节供气压力，达到压缩机经济运行。考虑在储气罐上安装一只压力变送器，将压力信号反馈到变频器的端子上，构成恒压供气系统，供气压力设置为0.8MPa。

氢压缩机电动机的额定电流应等于或小于恒转矩变频器额定电流。变频器要有内置PID调节器和4～20mA模拟信号接口。本例选用一台森兰SB70G132变频器，压力变送气选用森纳斯DG13W=BZ-A，1.6MPa。恒压供气原理图如图2所示：

图中：由压力传感器PT从贮气罐取出压力反馈信号，送至变频器内部PID调节器的输入端，与预置的压力给定信号相比较，经PID调节器处理后，从而决定电动机的工作频率和转速。此种控制方式在保证储气罐氢气的压力始终保持恒定的前提下，在用气量改变时自动调节电动机转速，保持高效率运转实现节能。

图2  恒压供气原理图

变频器控制第一台氢压缩机，给定调节用变频器上的操作键盘，变频器的多功能输出Y1、Y2接第二和第三台氢压缩机的自耦减压起动器的起动/停止电路，这样可由变频器的输出控制另外两台氢压缩机的运行或停机。手动运行时，第一台氢压缩机由变频器控制，第二和第三台的氢压缩机可用自耦减压起动器人工起动/停止。自动运行时，第一台氢压缩机首先变频运行，当变频器的输出频率已达到50Hz，供气量仍不足，变频器的输出节点Y1、Y2动作，起动第二和第三台氢压缩机工作；如供气量大于给定值时，系统自动停止第二和第三台的氢压缩机工作，通过闭环调节可实现恒压供气。

氢气为可燃性气体，氢压缩机的工作场地有爆炸危险，SB70G系列变频器的防护等级为IP2O，显然不能在有爆炸危险的场合。将变频安装在没有爆炸危险的配电房内，用远方控制盒在压缩机旁进行操作，远方控制盒也要考虑为本质安全性的。

四、注意事项

1、由于空气压缩机的转动惯量大，在选用变频器时应根据具体的工况条件和现场的运行电流情况确定选配的变频器容量。

2、压力传感器应在压力变化不是相对剧烈地方，最好安装在储气罐上。为避免干扰，压力传感器的信号尽量采用4～20mA电流信号，传输线用双芯屏蔽线。

3、在变频器的控制系统中应设有开环和闭环两种控制模式，以便于调试和特殊情况下使用。

4、由于空气压缩机不允许长期工作在低频状态下，在低频下运行不但稳定性变差，而且容易出现喘振，另一方面也使缸体的润滑变差，会加快磨损，故应设定合理的、有效的、安全的工作频率下限。具体的设定要根据不同的工况、不同的使用条件和要求，耐心细致地调整。

五、节能改造后的效果

压缩机于2005年8月改造完成，经过三个月的运行，达到了预想的目的。不论生产工艺如何改变，也不论供气量如何改变，恒压供气的氢气压力维持在0.8MPa左右，供气质量大幅度提高。

变频调速后，空压机零速平滑起动，提高生产安全性。氢压缩机任何时候不再是全速运转，转速降低后，工作环境噪音也相应下降；转速降低后，机械的磨损随之减小，有利于增长压缩机的寿命，降低维修成本。

节能方面，由压缩机的公式可见，压缩机消耗的轴功率PZ(kW)与轴转速n(r/min)成正比，而压缩机的排气量QD(m3/min)又与轴转速成正比，则压缩机消耗的轴功率PZ(kW)就与压缩机的排气量QD(m3/min)成正比，降低转速可节省轴功率，经实测节电率达到26%，取得了较好的经济效益。