變頻器在氫氣回收系統壓縮機上的應用

張俊紅

（金堆城鉬業股份有限公司，陜西西安710077）

0 前言

金堆城鉬業公司鉬粉某分廠850 Nm3/h精脫碳脫水氫氣回收系統，安裝有2臺110 kW的往復式活塞壓縮機，給氫氣循環提供動力的同時使氫氣達到提純所需的工作壓力，2臺壓縮機工作狀態為一用一備，壓縮機起動方式采用自藕降壓啟動，壓縮機正常運轉供氣量為850 N3/h，提供壓力為0.6 MPa。然而由于生產上氫氣用量的不均勻性，用氣量是在動態變化的，在實際使用過程中，有時只需要500 N3/h的氫氣量，且供氣壓力最低時需要0.4 MPa，而壓縮機在全速運行，大量的氣體需要通過回流閥，壓縮機做了很多無用功；另外壓縮機在啟動過程中，需要較大啟動電流，對電網有較大的沖擊，影響電網內其它用電設施的正常運轉；在正常運轉過程中，壓縮機總是在額定轉速下工作，機械磨損大，對壓縮機的維護保養也提出了更高的要求。因此很有必要對原有壓縮機的控制方式進行改變，減少壓縮機啟動過程對電網的沖擊，同時減少功率損失。

1 常用幾種壓縮機啟動控制方法

大功率壓縮機啟動控制方法主要有：星形－三角形（Y－△）降壓啟動控制、自藕降壓啟動控制、軟啟動器控制、變頻器控制等。各種啟動方式有各自不同的優缺點，根據不同的工況選用不同的啟動方式。

1.1 星形－三角形（Y－△）降壓啟動

星形－三角形降壓啟動是指電動機啟動時，把定子繞組接成星形（Y），以降低啟動電壓，限制啟動電流；待電動機啟動后，再把定子繞組改接成三角形（△），使電動機全壓運行。只有正常運行時定子繞組作三角形（△）聯接的異步電動機才可采用這種降壓啟動方法。電動機啟動時，接成星形，加在每相定子繞組上的啟動電壓只有三角形接法直接啟動時的1/3，啟動電流為直接采用三角形接法時的1/3，啟動轉矩也只有三角形接法直接啟動時的1/3。所以這種降壓啟動方法，只適用于輕載或空載下啟動。星形－三角形降壓啟動的最大優點是設備簡單，價格低，因而獲得較廣泛的應用。缺點是只用于正常運行時為Δ接法的電動機，降壓比固定，有時不能滿足啟動要求。

1.2 自耦降壓啟動

自耦變壓器降壓啟動是指電動機啟動時利用自耦變壓器來降低加在電動機定子繞組上的啟動電壓。待電動機啟動后，再使電動機與自耦變壓器脫離，從而在全壓下正常運動。自耦變壓器副邊有2～3組抽頭，如2次電壓分別為原邊電壓的80％、60％、40％。自耦變壓器降壓啟動優點：可以按允許的啟動電流和所需的啟動轉矩來選擇自耦變壓器的不同抽頭實現降壓啟動，而且不論電動機的定子繞組采用Y或Δ接法都可以使用。缺點：設備體積大，投資較貴，啟動完成后不能改變負載的運動狀況。

1.3 軟啟動器控制

STR軟啟動器采用3對反并聯的晶閘管串接于交流電機的定子回路上。利用晶閘管的電子開關作用，通過微處理器控制其觸發角的變化來改變晶閘管的開通程度，由此來改變電動機輸入電壓的大小，以達到電動機軟啟動的目的。當啟動完成后軟啟動器輸出達到額定電壓。

軟啟動器控制相對于自藕降壓啟動和星三角啟動有以下優勢：1）減少起動過程引起的電網電壓降使之不影響共網其它電氣設備的正常運行；2）減小電動機的沖擊電流，沖擊電流會造成電動機局部過熱，危害電動機壽命；3）減小硬起動帶來的機械沖力，機械沖力將加速傳動機械（軸、嚙合齒輪等）的磨損；4）減少電磁干擾，沖擊電流會以電磁波的形式干擾電氣儀表的正常運行；5）可靠性高、維護量小以及參數設置簡單。總之，軟起動使電動機可以起停自如，提高作業率，因而有其重要作用。

然而軟啟動器也有缺陷，不能長時間用于啟動扭矩要求很高的電動機驅動裝置上。這種局限性主要因為，軟啟動器實際上是靠將自身電壓斜坡式抬升至最大值（而在停機過程中又逐漸下降至設定的關機水平）來完成工作。由于扭矩與電壓平方成正比，連接電動機不從一開始就達到最大扭矩，因此，軟啟動器更適合于風機、水泵、風扇、傳送帶、電梯等輕型易啟動的設備。

1.4 變頻器啟動

以上3種控制方式只能在某些程度減少壓縮機在啟動過程中對電網的沖擊，在壓縮機正常運轉過程中無法改變壓縮機的工作狀況，不能改變壓縮機的轉速，因此也不能起到真正節能作用。而利用變頻器控制壓縮機，不僅可以實現軟啟動功能，減少啟動過程電流過大對電網的沖擊，同時可以實現改變壓縮機轉速，實現節能效果，另外采用變頻器控制方式還有以下優點：1）降低電力線路的電壓波動；2）啟動時需要的功率更低；3）可控加速功能；4）可調的轉矩極限；5）受控的停止方式等。

2 壓縮機節能原理分析

根據流體力學可知，可從以下公式分析壓縮機電動機的軸功率與其壓縮量Q、氣壓H之間的關系是：

P∝Q×H

當電動機轉速從n1變化到n2時，Q、H、P之間的關系為：

Q2/Q1=n2/n1

H2/H1=（n2/n1）2

P2/P1=（n2/n1）3

排氣壓力與轉速的平方成正比，壓縮機的壓縮量與轉速成正比，電動機消耗的功率與電動機的轉速的3次方成正比。當壓縮機的轉速降低時，壓縮機所消耗的電能按3次方比例關系下降。而在實際工礦中，為滿足系統壓力的穩定和平衡，通常采用回流閥控制供氣量和氣壓，能量損失嚴重。通過以上關系分析，在壓縮機總排氣量大于供氣量時，通過降低壓縮機轉速調節供氣壓力，是達到壓縮機經濟運行的有效方法。

3 變頻控制的實現

3.1 設備選型

通過分析，變頻啟動是壓縮機啟動和正常運轉的最優選擇。通過降低壓縮機轉速調節供氣壓力，是達到壓縮機經濟運行的有效方法。而變頻調速方法，是一種高效的調速方法。考慮在儲氣罐上安裝1只壓力變送器，將壓力信號反饋到變頻器的端子上，構成恒壓供氣系統，供氣壓力0.6 MPa。本例選用1臺森蘭SB12S132變頻器，SB12變頻器是專門用于風機、水泵變頻調速，對風機、水泵的運轉控制具有PID調節控制的智能型變頻調速器，由高性能微處理器控制，功能齊全，操作簡便。

為節約成本，本系統采用1臺變頻器控制2臺壓縮機，壓縮機通過接觸器與變頻器連接，為避免2臺壓縮機同時啟動，接觸器考慮了互鎖裝置，保證每次允許1臺壓縮機工作。

3.2 變頻器恒壓控制原理圖

3.3 控制實現過程

圖中ST1和ST2為兩位手柄控制開關，M1和M2分別為2臺壓縮機。啟動壓縮機前，通過空氣開關QF為系統供電，然后通過ST1和ST2選擇啟動的壓縮機，接觸器吸合后通過開關SB3啟動變頻器開始工作。工作過程中變頻器通過傳感器采集到壓力信號后與系統設定的壓力進行對比，通過變頻器調節控制變頻器頻率。

圖1 變頻器恒壓控制原理圖

4 注意事項

由于配電房距壓縮機安裝現場有100 m距離，為了防止對系統其它控制信號干擾，必須對壓縮機用電纜進行單獨布線，或者采用屏蔽的方法。鎧裝電纜不緊可以增強抗拉強度，也可以增加防電磁干擾能力，此處根據現場條件運用鎧裝電纜，保證了其他控制信號的穩定。

5 改造后效果

（1）電動機啟動過程為軟啟動，對電動機、壓縮機和電網的沖擊大為減小。

（2）延長了設備的使用壽命，減少了設備的維修量和維修費用。改造前，壓縮機的油封環、閥片等至少每1個月需要檢修1次，改造完成后，壓縮機使用壽命提高1倍。

（3）進一步完善了保護功能，如熱保護、過電流、過電壓、欠電壓、短路、缺相等保護功能。

（4）操作簡便，運行平穩、壓縮機溫升正常，噪聲、振動減小。

6 節能效果

6.1 變頻節能

電機不能在滿負荷下運行，除達到動力驅動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。采用該系統，產品氣壓力過高時，可降低電機的運行速度，使其在恒壓的同時節約電能。

6.2 提高功率因數節能

采用變頻節能調速器后，由于其性能已變為ac－dc－ac，在整流濾波后，負載特性發生了變化。變頻調速器對電網的阻抗特性呈阻性，有較高的功率因素，減少了無功損耗。

6.3 節能效果

改造前壓縮機在工頻狀態下運轉變頻器前電流為170 A；改造后壓縮機系統穩定后，變頻器頻率為43 Hz，變頻器前正常運轉電流為130 A。改造前每天用電量 W=1.732×I×U ×24/1 000 =2 685.3 kW·h，改造后每天用上述公式計算用電量為2 053.5 kW·h，每年節約用電230 607 kW·h，節能率為23.53％。按照每度電0.5元計算，每年節約成本115 303.5元，1年即可回收投資成本。

7 結論

壓縮機改造完成后，啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和壓縮機易損件的使用壽命，提高了設備的運轉率，同時也降低了維護成本。特別是在節能方面，取得了很好的經濟效益。經過半年的運行，系統運行穩定可靠，達到了預期的目的。

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