空壓機變頻改造總結

孫燦炬

（杭州塑料工業有限公司，浙江 杭州 311305）

空壓機變頻改造總結

孫燦炬

（杭州塑料工業有限公司，浙江 杭州 311305）

針對空壓機系統供氣控制方式存在的諸多問題，使用55kW通用型變頻節電裝置，對空壓機進行節能改造，取得良好效果。

空壓機；變頻改造；節能降耗

一、概述

杭州塑料工業有限公司硬復車間供氣系統使用1臺55kW（LGFD-10/7-A）螺桿式空壓機對1個10m3儲氣罐供氣，空壓機供氣系統采用空壓機工頻供電運行。下限壓力0.6MPa，上限壓力0.8MPa。

2012年2月17日，對空壓房空壓機耗能情況進行測試：空壓機加載卸載周期為135s，一般工況為工作45s后壓力達到上限0.8MPa，停機90s后壓力下降到下限0.6MPa。然后再重新啟動，如此循環工作。

根據測試空壓機運行情況，經計算可知，空壓機加載期間有功功率平均值為63.82kW，卸載期間有功功率平均值為44.51kW，整個運行周期空壓機平均有功功率為50.95kW。

二、存在問題

通過統計設備近期加載運行時間和總運行時間發現，壓縮機組經常處于空運轉、部分負荷和滿負荷交替

運行的低效率狀態，從而造成大量的能源浪費。

根據用電量統計數據，空壓站的日用電量約為1 400kW·h，月平均用電量為4.3萬kW·h，占公司固定電能消耗量的13.38%。

企業用氣設備用氣壓力在0.5～0.6MPa，由于供氣及用氣的調節量大，相應的節電潛力較大。空壓機目前的運行方式電能浪費較大。若采取矢量控制的變頻器，結合應用PID技術，對空壓機進行變頻改造，則可以節電。

三、改造方案及實施

針對上述問題，公司決定對1臺空壓機進行恒壓供氣控制改造。改造采用55kW通用型變頻節電裝置，把空壓機供氣系統的管網壓力作為控制對象，將壓力變送器采集的儲氣罐壓力轉變為電信號送給PID自整定控制儀，與PID自整定控制儀的壓力設定值作比較，并根據差值的大小，按既定的PID控制模式進行運算，產生控制信號送變頻器，通過變頻裝置來控制電機的工作頻率與轉速，從而使實際壓力始終接近設定壓力值。變頻空壓機工作流程如圖1所示。

圖1 變頻空壓機工作流程圖

該恒壓供氣控制系統增加了工頻與變頻切換功能，并保留了原有的控制和保護系統。另外，采用該方案后，空壓機電機從靜止到旋轉工作可由變頻裝置來啟動，實現了軟啟動，避免了啟動沖擊電流和啟動給空壓機帶來的機械沖擊。

四、改造后出現的問題

原始空壓機的進氣系統，是用壓力繼電器來控制空壓機進氣門的打開和閉合的。當壓縮空氣壓力到達設定的上限時，壓力繼電器輸出一個信號至電磁閥，使其動作，關閉進氣門，進入卸荷狀態。在卸荷狀態下，壓縮空氣的壓力隨著空氣的消耗就會下降，下降到設定的下限，壓力繼電器又輸出一個信號至電磁閥，使其動作打開進氣門，進入工作狀態，不斷循環。

變頻裝置接入后，由于系統壓力恒定在0.66MPa，空壓機的進氣門就處于常開狀態。

在投入變頻控制后，實際使用過程中，發現公司的壓縮空氣用量變化非常大，用氣量低谷時，電機的工作頻率會下降到10Hz以下，這時，電動機會發出異響，嚴重時會過流報警，然后保護性停機，影響生產。針對該情況，通過啟用變頻器內置的休眠功能，設定當電機工作頻率下降到20Hz時，電動機進入休眠狀態；當壓縮空氣系統壓力下降到0.6MPa時，喚醒電動機重新工作。然而由于在空壓機的整個運行過程中，進氣閥始終處于開啟狀態。當空壓機處于休眠狀態時，因為空壓機內部空氣壓力大，所以連氣帶空壓機油會從進氣閥通道中噴出。

經分析發現變頻器上帶了4組控制開關，能夠根據變頻器的工作情況進行開和關的轉換。其中有一組能根據休眠和喚醒兩種狀態進行設置。空壓機原來進氣門的打開和閉合是利用壓力繼電器的開關來實現的，如果將兩只開關串聯，可以將兩者完美結合。在變頻控制情況下，壓力繼電器上的開關常閉，由變頻器上的開關來控制，可以實現休眠狀態關閉進氣門，喚醒狀態打開進氣門的功能。在退出變頻控制，用原來的控制系統的情況下，變頻器上的開關常閉，由壓力繼電器上的開關來控制進氣門的打開和關閉。從改造后的使用情況來看，完全達到預計的效果。

五、節電效果

方案實施后，第1個月的統計顯示，空壓機的月能耗由43 000kW·h降到23 000kW·h，節電40%以上。保守計算，節電率按30%，正常運行負荷率按85%計，年運行時間300d，每天運行時間24h，則年節電約10.10萬kW·h；年節約電費約7.78萬元。

國家重點推廣的電機節能先進技術目錄（第一批）

14無滑環繞線轉子異步電動機湖北華博電機有限公司采用轉子復合繞組技術，降低了啟動電流，提高了啟動轉矩，功率因數高。啟動與運行分開設計，分別達到最佳效果，降低了制造和更換滑環電刷的制造和維護成本。適用于10～3 000kW高壓或低壓的電機系統節能改造，可應用于機械、水利、礦山、油田等行業重載機械以及風機、水泵等普通機械，可替代YR系列低壓、高壓繞線轉子電動機。完成河北唐山福珍全礦業17臺總功率4 165kW電機節能改造，綜合節電率達10%以上。15單速電動機變極再制造技術上海電機系統節能工程技術研究中心有限公司采用負載與運行工況匹配技術，根據工況需求，匹配風機、水泵的輸出壓力和流量。采用電動機單繞組雙速再制造設計技術，根據風機、水泵的輸出改變電動機的轉速，降低電動機的輸出功率，更換定子繞組，再制造成變極雙速電動機。適用于火力發電廠循環水泵、增壓風機系統的節能改造。完成江蘇利港電廠600MW機組的鍋爐排煙管道脫硫系統用的2臺總功率4 000kW增壓風機電動機節能改造，由12極再制造為12/16極，單臺節電率達20%；浙江蘭溪電廠4臺總功率15 200kW循環水泵電機節能改造，由16極再制造為16/18極，單臺節電率達30%。16存量老舊電動機鑄銅轉子高效再制造技術云南銅業壓鑄科技有限公司南陽防爆集團股份有限公司采用經過優化設計的鑄銅轉子替換存量老舊Y、Y2系列的電動機中的鋁轉子，在保持定子系統不變的情況下，將電動機的能效水平提高一到兩個能效等級，把普通電機再制造成為（超）高效電動機。與目前使用的其它電動機再制造方式相比，由于不需要對定子部分進行任何改造，只是對于轉子部分進行整體更換，操作簡單可行，技術難度和成本較低。適用于功率范圍0.55～45kW，機座號從80到200，極數包括2，4，6極的Y系列和Y2系列電動機高效再制造。在中鋁洛陽銅業集團開展老舊電動機鑄銅轉子高效再制造應用，以一臺7.5kW的電動機為例，更換銅轉子的電機平均耗電量為5.98kWh/ h.而鋁轉子電動機平均耗電量為6.4kWh/h，綜合節電率達到7%以上。17高壓永磁同步電動機山西北方機械制造有限責任公司采用實心轉子磁極鐵心和啟動籠復合結構，通過氣隙長度、風扇和通風散熱風道的優化設計，顯著降低電動機溫升。取消了線圈和硅鋼片，降低了銅耗鐵耗，減小了轉子體積，轉子無電流，降低了系統運行電流和損耗，且滿足大啟動轉矩的要求。電動機功率因數達到0.99，效率大于96%，結構簡單，故障率低，高效運行范圍寬。適用于功率范圍200～2 000kW高壓電機系統改造，可應用于鋼鐵行業水泵、高爐風機、環冷風機、燒結風機、空壓機、磨機、皮帶機、除塵風機等設備；石化行業風機、真空泵、空壓機及熱力循環泵等設備；電力行業水泵、漿液泵、渣漿泵、脫硫氧化風機、脫硫增壓風機、鍋爐風機、引風機、磨煤機等設備；煤炭行業通風機、水泵等設備。完成國電太原第一熱電廠脫硫氧化風機2臺總功率560kW電機（6kV）節能改造，目前已經安全穩定運行16個月，運行電流降低了25.1%，功率因數達到0.999，效率96%，綜合節電率達14.12%。18永磁自起動同步電動機安徽明騰永磁機電設備有限公司采用新型專利結構永磁體獨立勵磁，無需無功補償。轉子結構的啟動功能與運行功能分離，啟動轉矩大，配電線路電阻損耗低，沒有滑環電刷的機械接觸、運行可靠，在25%～120%負載范圍內能效曲線變化平緩，經濟運行特性范圍寬，溫升降低20K，功率因數達0.96以上，運行電流下降約10%。相比電勵磁同步電動機，無需汲取直流電流勵磁即無勵磁損耗，電機效率高，重載啟動能力遠高于一般電動機。適用于功率范圍4～1 500kW高壓或低壓電機系統改造，可應用于冶金、石油、化工、電力、紡織、塑料、煤炭、建材、礦山行業的風機、泵、壓縮機、機床、傳輸帶等設備的驅動裝置。完成包頭鋼鐵（集團）有限責任公司4#高爐主料皮帶系統800kW電機系統改造，綜合節電率達到20%以上；完成唐山文豐鋼廠風機系統4極450kW及6極800kW電機系統改造，綜合節電率9.6%。19三相永磁同步電動機設計技術江蘇愛爾瑪科技有限公司通過控制永磁電機氣隙磁密的飽和特性，使變頻調速器推定轉子位置精度得到提高。采用150℃/5h磁穩定工藝及高效率（IE4）、高功率因數（1.0）、高失步轉矩（2.2～2.5）的設計技術，使磁損耗控制在2.5%以內，降低成本4%。使永磁體不退磁，永磁電機不反轉，運行可靠不失步，節電效果明顯。適用于功率范圍5.5～55kW紡織行業的細紗機、倍捻機和捻線機；功率范圍22～90kW塑膠行業的開煉機、密煉機、注塑機；功率范圍5.5～200kW水泥行業和化纖行業的攪拌機、拌料鼓；功率范圍22～75kW（變頻調速）金屬加工行業的金屬拉絲機。完成貝卡爾特（中國）技術研發公司14臺總功率224kW電機節能改造，綜合節電率為12%；華芳集團青紡織染有限公司13臺總功率240.5kW電機節能改造，綜合節電率為15%；上海德福倫化纖有限公司16臺總功率88kW電機節能改造，綜合節電率為25%。20開關磁阻電機及調速系統技術成都偉瓦節能科技有限公司采用先進的控制策略及電機電磁和結構優化設計等專有技術，解決了開關磁阻電機轉矩脈動和噪聲兩大技術難題，實現了良好的無級調速功能。該技術調速范圍可達25∶1，30%的啟動電流可以產生150%的啟動轉矩，3秒內可以實現快速剎車。相比傳統電機技術，平均節電率達30%以上，可實現全閉環伺服智能控制，功率和轉速可以根據工況系統進行自動調節，與工況系統匹配率達到95%以上。適用于功率范圍2.2～200kW高壓或低壓的電機系統節能改造。可應用于石油抽油機、球磨機、注塑機、高鐵電機、冶金輥道電機、拉絲機、新能源汽車、重卡或坦克、港口提升機、制冷設備、風力發電設備、水泵、船舶、機床、風機等設備改造。完成克拉瑪依油田抽油機4臺總功率180kW電機改造，綜合節電率達75%，電網因數從0.75提高到0.98，平均產油量提高30%以上。21開關磁阻電機設計及控制技術山東科匯電力自動化股份有限公司開關磁阻電機采用變斬波頻率運行，減小了開關損耗。通過優化槽型設計，降低了雜散損耗。控制采用軟斬波技術，減小IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的開關損耗。創新內部風道設計，提高電機的散熱能力，同時減小電機體積。采用轉子加固設計，可實現頻繁正反轉及帶載啟停，可去掉離合器及變速箱，簡化機械結構，高效節能。實時反饋閉環運行，能量根據需求輸出，減少了能量浪費。適用于功率范圍4～315kW，機座號132到355電機系統改造，可應用于電動螺旋壓力機、壓磚機、紡織機械、抽油機、曲柄壓力機、煤礦機械等。完成在山東耐火材料有限公司王村分公司400t摩擦壓磚機開關磁阻電機系統改造，節電率為67.86%。22永磁渦流柔性傳動節能技術鞍山欽元節能設備制造有限公司通過創新磁路結構設計和電磁場建模與優化，利用導體轉子和永磁轉子之間的磁場實現由原動機到負載的轉矩傳輸，改變了傳統的傳動和調速方式，節能率達20%～30%。同時，該系統具有緩沖啟動對電網的沖擊、過載保護、延長設備使用壽命、減少振動等優點。系統結構簡單，安裝方便，設備維護量和維修費用極低。適用于1.5～3 500kW高壓或低壓電機系統改造，可用于冶金、發電、礦山、造紙、石化等行業泵機、風機、皮帶運輸機、裝卸設備、壓縮機、離心機、削片機、粉碎機、制漿機、碎漿機、破碎機、錘磨機、攪拌機等改造。完成大慶采油一廠4臺總功率360kW電機節能改造，綜合節電率為30.08%。23永磁傳動控制技術河南瑞生磁動力科技有限公司基于自主知識產權的可調節磁扭矩的傳動軸永磁耦合傳動和調速裝置，采用筒盤復合式結構和獨特散熱結構，融合鑄造技術、潤滑技術、磁懸浮技術、散熱技術等，解決了電機堵轉的問題，減緩負載沖擊。實現機械傳動的絕對軟連接，容忍軸偏心，隔離并減小振動和降低噪聲。電機可在空載狀態下軟啟動，傳動效率最高達到97%，降低啟動電流30%～50%，啟動時間縮短50%，無級調速范圍在0～98%。該技術可靠性高，結構簡單，可適應惡劣環境，設備維護成本降低60%以上，針對離心式負載，節電率達到20%～65%。適用于功率范圍5.5～4 000kW高壓或低壓的電機系統節能改造。可用于火力發電水泵設備和風機；石化行業壓縮機；煤礦提升機、皮帶機；冶金行業風機、水泵、輥壓機；造紙行業粉碎機、造紙機、復卷機；水泥行業制造窯爐風機、壓力送風機等設備改造。完成中電國際平頂山姚孟電廠3臺總功率640kW電機節能改造，綜合節電率51.3%；完成山西鋁業集團1臺功率550kW電機節能改造，綜合節電率45.2%；完成鄂爾多斯市恒泰煤炭有限公司2臺總功率為825kW電機節能改造，綜合節電率57.4%；完成中石化勝利油田1臺功率1 000kW電機節能改造，綜合節電率54.8%。24水泵系統優化控制技術上海瑞晨環保科技有限公司采用三元流高效葉輪和高效穩流裝置，通過改變整流片的預旋角度來改變葉輪進口的流場分布，調節水泵進水口流量。采用專利納米噴涂，減少摩擦損失，改善水流動性，減少邊界層厚度。通過智能控制和管網優化，降低水泵系統以外的系統能耗損失，綜合節電率達30%左右。通過專利穩流裝置，將系統實際使用效能穩定在85%以上。適用于功率范圍5.5～3 000kW高壓或低壓的水泵系統節能改造，可應用于化工、鋼鐵、水泥等行業。完成江蘇沙鋼集團淮鋼特鋼有限公司51個循環水系統、78臺水泵的節能改造，綜合節電率超過25%。25關聯預測控制技術北京星達科技發展有限公司通過建立制冷站電機系統的關聯數據庫，采用智能前饋控制使系統實現全自動穩定可靠運行，設備低速運轉而無需頻繁啟停，減少設備磨損、噪音和振動，延長使用壽命。解決傳統制冷站因單點、局部控制造成的運行效率低的問題。相比傳統制冷站控制技術，年節電率提高20%以上。可廣泛應用于制藥、鋼鐵、造紙、電路板生產、電子芯片制造、大型數據計算中心、數據災備中心、工業控制中心、航空航天領域生產及裝配廠房、艦艇、船舶、核工業廠房等的制冷站的改造。完成合肥樂凱3#拉幅線工業制冷站11臺（套）、總電功率813.5kW改造，系統綜合節電率22%；完成深圳航天東方紅海特衛星有限公司集成冷凍站28臺（套）、總電功率1 322kW改造，系統綜合節電率25%。

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1671-0711（2014）08-0069-02

2014-03-07）