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安徽德沃機(jī)械有限公司
ANHUI DEWO MACHINERY CO.,LTD
空壓機(jī)節(jié)電系統(tǒng)
一、應(yīng)用背景:
空氣壓縮機(jī)作為一種重要的動(dòng)力形式,被廣泛應(yīng)用于生活生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。其廣泛應(yīng)用于機(jī)械,冶金,電子電力,醫(yī)藥,包裝,化工,食品,采礦,紡織,交通等眾多工業(yè)領(lǐng)域。空壓機(jī)組是很多企業(yè)的必備動(dòng)力設(shè)備,一般在設(shè)計(jì)空壓機(jī)的裝機(jī)容量時(shí),由于不能排除空壓機(jī)在滿負(fù)荷狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的可能性,所以只能按******需要來(lái)決定壓縮機(jī)的容量,設(shè)計(jì)余量一般偏大。
二、工作原理
目前市場(chǎng)上空壓機(jī)主要分為螺桿空壓機(jī)、活塞空壓機(jī)和離心式空壓機(jī)等,離心式空壓機(jī)主要應(yīng)用于用氣量很大的場(chǎng)合,般企業(yè)應(yīng)用很少?;钊娇諌簷C(jī)設(shè)備投資低,以往很多企業(yè)都采用,但是產(chǎn)氣效率較差,正連步被螺桿式空壓機(jī)所取代,螺桿式空壓機(jī)設(shè)備產(chǎn)氣效率高,主要分為有油和無(wú)油兩種,其中無(wú)油式空壓機(jī)應(yīng)用在紡織、醫(yī)藥等特殊場(chǎng)合。下面我們就蝶桿式和活塞式分別作一下簡(jiǎn)要介紹:
1、螺桿式空壓機(jī)原理
(1)吸氣過(guò)程:
螺桿式的進(jìn)氣側(cè)吸氣口.在設(shè)計(jì)時(shí)必項(xiàng)使壓縮室可以充分吸氣.而螺桿式壓縮機(jī)并無(wú)進(jìn)氣與排“閩組,進(jìn)氣只靠調(diào)節(jié)周的開(kāi)啟,關(guān)團(tuán)調(diào)節(jié), 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),主副轉(zhuǎn) 子的齒溝空間在轉(zhuǎn)至進(jìn)氣端味開(kāi)口時(shí),其空間******,此時(shí)轉(zhuǎn)子的內(nèi)溝空間與進(jìn)中之自山空相通,因在排氣時(shí)齒溝之空氣被全數(shù)排出。排氣結(jié)束時(shí),內(nèi)溝乃處于真寧狀態(tài):當(dāng)轉(zhuǎn)到進(jìn)氣口時(shí),外界空氣即坡吸入沿軸向流入主麗轉(zhuǎn)了的費(fèi)溝內(nèi)當(dāng)空氣無(wú)滿蝦個(gè)由溝時(shí),轉(zhuǎn)子之進(jìn)氣側(cè)湖面轉(zhuǎn)離了機(jī)光之進(jìn)"n,在內(nèi)溝向的空氣即被封閉。
(2)封閉及輸送過(guò)程:
主副兩轉(zhuǎn)子在吸氣結(jié)束時(shí),其主副轉(zhuǎn)子齒峰會(huì)與機(jī)殼封閉,此時(shí)空氣在齒溝內(nèi)封閉不再外流,即[封閉過(guò)程].兩轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),其齒峰與齒溝在吸氣端吻合,吻合面逐漸向排氣端移動(dòng)。
(3)壓縮及噴油過(guò)程:
在輸送過(guò)程中,嚙合面逐漸向排氣端移動(dòng),亦即嚙合面與排氣口間的齒溝間漸漸減小,齒溝內(nèi)之氣體逐漸被壓縮,壓力提高,此即[壓縮過(guò)程]。而壓縮同時(shí)潤(rùn)滑油亦因壓力差的作用而噴入壓縮室內(nèi)與室氣混合。
(4)排氣過(guò)程:
當(dāng)轉(zhuǎn)子的嚙合端面轉(zhuǎn)到與機(jī)殼排氣相通時(shí),(此時(shí)壓縮氣體之壓力******)被壓縮之氣體開(kāi)始排出,直至齒峰與齒溝的嚙合面移至排氣端面,此時(shí)兩轉(zhuǎn)子嚙合面與機(jī)殼排氣口這齒溝空間為零,即完成(排氣過(guò)程),在此同時(shí)轉(zhuǎn)子嚙合面與機(jī)殼進(jìn)氣口之間的齒溝長(zhǎng)度又達(dá)到最長(zhǎng),其吸氣過(guò)程又在進(jìn)行
2、活塞空氣壓縮機(jī)工作原理
在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞向右移動(dòng)時(shí),氣缸內(nèi)活塞左腔的壓力低于大氣壓力p,吸氣閥開(kāi)啟,外界空氣吸入缸內(nèi),這個(gè)過(guò)程稱為壓縮過(guò)程。當(dāng)缸內(nèi)壓力高于輸出空氣管道內(nèi)壓力p后,排氣閥打開(kāi)。壓縮空氣送至輸氣管內(nèi),這個(gè)過(guò)程稱為排氣過(guò)程。活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)形成的。曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑動(dòng)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)?;钊娇諌簷C(jī)有多種結(jié)構(gòu)形式。按氣缸的配置方式分有立式、臥式、角度式、對(duì)稱平衡式和對(duì)置式幾種。按壓縮級(jí)數(shù)可分為單級(jí)式、雙級(jí)式和多級(jí)式三種。按設(shè)置方式可分為移動(dòng)式和固定式兩種。按控制方式可分為卸荷式和壓力開(kāi)關(guān)式兩種。其中,卸荷式控制方式是指當(dāng)貯氣罐內(nèi)的壓力達(dá)到調(diào)定值時(shí),空壓機(jī)不停止運(yùn)轉(zhuǎn)而通過(guò)打開(kāi)安全閥進(jìn)行不壓縮運(yùn)轉(zhuǎn)。這種空轉(zhuǎn)狀態(tài)稱為卸荷運(yùn)轉(zhuǎn)。而壓力開(kāi)
關(guān)式控制方式是推當(dāng)貯氣罐內(nèi)的壓力達(dá)到調(diào)定值時(shí),空壓機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)?;罴问娇諌簷C(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用壽命長(zhǎng),并且容易實(shí)現(xiàn)大容量和高壓輸出。缺點(diǎn)是振動(dòng)大,噪聲大且因?yàn)榕艢鉃閿嗬m(xù)進(jìn)行,輸出有脈沖,需要貯氣罐。
三、存在問(wèn)題
1、能耗分析
我們知道加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在Pmin-Pmax之間來(lái)回變化。Pmin是最低工作壓力值,即能夠保證用戶正常工作的最低壓力。-股情況下,Pmax、Pmin之間關(guān)系可以用下式來(lái)表示:
Pmax=(1+ 5 )Pmin
8是一個(gè)百分?jǐn)?shù),其數(shù)值大致在10%~25%之間。
而若采用變頻調(diào)速技術(shù)可連續(xù)調(diào)節(jié)供氣量的話,則可將管網(wǎng)壓力始終維持在能滿足最低工作壓力上,即Pmin附近。
由此可知,在加、卸載供氣控制方式下的空壓機(jī)較之變頻系統(tǒng)控制下的空壓機(jī),所浪費(fèi)的能量主要在2個(gè)部分:
a、 壓縮空氣壓力超過(guò)Pmin所消耗的能量
b、在壓力達(dá)到 Pmin后,原控制方式?jīng)Q定其壓力會(huì)繼續(xù)上升(直到Pmax).這一過(guò)程中必將會(huì)向外界釋放更多的熱量,從而導(dǎo)致能量損失。另一方面,高于Pmin的氣體在進(jìn)入氣動(dòng)元件前,其壓力需要經(jīng)過(guò)減壓潤(rùn)減壓至接近Pmin.這過(guò)程同樣是一個(gè)耗能過(guò)程。
2、卸載時(shí)調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量
通常情況下,當(dāng)壓力達(dá)到Pmax時(shí),空壓機(jī)通過(guò)如下方法來(lái)降壓卸載:關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài),同時(shí)將分離罐中多余的壓縮空氣通過(guò)放空間放空。這種調(diào)節(jié)方法要造成很大的能量浪費(fèi)。關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)空轉(zhuǎn)雖然可以使空壓機(jī)不需要再壓縮氣體作功,但空壓機(jī)在空轉(zhuǎn)中還是要帶動(dòng)螺桿或者活塞做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),據(jù)我們測(cè)算,空壓機(jī)卸栽時(shí)的能耗約占空壓機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)的10%~ 15%(這還是在卸載時(shí)間所占比例不大的情況下)。換言之.該空壓機(jī)10%的時(shí)間處于空載狀態(tài),在作無(wú)用功。很明顯在加卸載供氣控制方式下,空壓機(jī)電機(jī)存在很大的節(jié)能空間。
3、其它不足之處
(1)靠機(jī)械方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥,使供氣量無(wú)法連續(xù)調(diào)節(jié),當(dāng)用氣量不斷變化時(shí),供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)。用氣精度達(dá)不到工藝要求。再加上頻繁調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥,會(huì)加速進(jìn)氣閥的磨損,增加維修量和維修成本。
(2)頻繁采用打開(kāi)和關(guān)閉放氣閥,放氣閥的耐用性得不到保障。一般的工礦企業(yè)空壓機(jī)-直都是全速運(yùn)行,正常情況空壓機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)將這部分多余的能星通過(guò)溢壓閥放掉了溢壓閥放的能量越多,那么浪費(fèi)的電能就越多:新型的空壓機(jī)雖已采用自動(dòng)控制當(dāng)氣樂(lè)到達(dá)設(shè)定值時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量來(lái)調(diào)整做功量,當(dāng)?shù)竭_(dá)******設(shè)定值時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣閥讓電機(jī)空轉(zhuǎn),這樣雖可節(jié)約一部分電能,但據(jù)我們實(shí)測(cè),空轉(zhuǎn)時(shí)的電流只是降到打壓時(shí)的一半電流(如一臺(tái)55KW空壓機(jī)打壓時(shí)電流為100A到120A,空轉(zhuǎn)時(shí)電流也有60A左右) ,都存在電能的巨大浪費(fèi)。
四、改造方案
空氣壓縮機(jī)恒壓供氣智能控制系統(tǒng)是由變頻器、壓力傳感器、智能控制器控制單元、軟件控制單元等組成。此控制系統(tǒng)根據(jù)壓力傳感器檢測(cè)到的空壓機(jī)出口的壓力值,通過(guò)智能控制器進(jìn)行計(jì)算,然后輸出信號(hào)調(diào)整變頻器輸出頻率,進(jìn)而控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速,在精確地控制空壓機(jī)出口的壓力的同時(shí),延長(zhǎng)壓縮機(jī)系統(tǒng)的使用壽命,并大幅度地節(jié)約電能。
我們可以把管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)象,壓力變送器YB將儲(chǔ)氣罐的壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送給PID智能儀表,與壓力設(shè)定值P0作比較,并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運(yùn)算,產(chǎn)生控制信號(hào)送變頻調(diào)速器VVVF,通過(guò)變頻器控制電機(jī)的工作頻率與轉(zhuǎn)速,從而使實(shí)際壓力P始終接近設(shè)定壓力PO:同時(shí),該方案可增加工頻與變頻切換功能,并保留原有的控制和保護(hù)系統(tǒng),另外,采用該方案后,空壓機(jī)電機(jī)從牌止到旋轉(zhuǎn)工作可由變頻器來(lái)啟動(dòng),實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng),避免了啟動(dòng)沖擊電流和啟動(dòng)給空壓機(jī)帶來(lái)的機(jī)械沖擊。
由于用氣量的不斷變化,氣罐里的壓力也會(huì)變化頻繁。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)用調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法來(lái)調(diào)整壓縮機(jī)的供氣量。使氣罐內(nèi)的氣壓始終保持在理想的狀態(tài)下,由于空壓機(jī)基本上屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,用變頻調(diào)速的方法調(diào)整供氣量能使電機(jī)的輸出功率基本與轉(zhuǎn)速(供氣量)成正比關(guān)系,達(dá)到很好的節(jié)電效果。由于空壓機(jī)在啟動(dòng)時(shí),內(nèi)部有少量的滯留氣壓,啟動(dòng)和加減速運(yùn)行時(shí)要求變頻器反應(yīng)快速,因此,調(diào)節(jié)方式采用閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié),控制系統(tǒng)根據(jù)壓力傳感器檢測(cè)到空壓機(jī)出口的壓力信號(hào)值,經(jīng)過(guò)A/D模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元的信號(hào)轉(zhuǎn)換后,通過(guò)智能控制器和變頻器調(diào)整壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,保證電機(jī)以最小的功率輸出。
空壓機(jī)節(jié)電控制系統(tǒng)與空壓機(jī)原控制系統(tǒng)互為備用,兩套系統(tǒng)之間存在互鎖關(guān)系,以確保空壓機(jī)正常、安全運(yùn)行
五、節(jié)電原理
我們知道,用調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法同樣可以調(diào)整供氣量。由于空壓機(jī)基本上屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,用變頻調(diào)速的方法調(diào)整供氣量能使電機(jī)的輸出功率基本與轉(zhuǎn)速(供氣量)成正比關(guān)系,達(dá)到很好的節(jié)電效果。
我們采用具有矢量控制功能的富士變頻器(或由用戶指定品牌的變頻器),可使電機(jī)在低速時(shí)也能提供滿足負(fù)載需要的轉(zhuǎn)矩。同時(shí),富士變頻器的自動(dòng)節(jié)電模式,可使電機(jī)在滿足負(fù)載轉(zhuǎn)矩要求下以最小電流運(yùn)行,達(dá)到更好的節(jié)電效果。
進(jìn)氣口調(diào)節(jié)方式耗用
變頻調(diào)速耗用功率
Q (流量)
50% 100%圖6功率-流量曲線圖
總之,采用空壓機(jī)節(jié)電控制系統(tǒng)后,不但可節(jié)約15 35%的電 力費(fèi)用,延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽俞,并可實(shí)現(xiàn)“恒壓供氣”的目的,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
六、改造后性能1、節(jié)約能源:
變頻器控制壓縮機(jī)與傳統(tǒng)控制的壓縮機(jī)比較,能源節(jié)的是最有實(shí)際意義的。根據(jù)壓縮空氣雷求量來(lái)供給的壓縮機(jī)工作是經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài),節(jié)省電費(fèi)約15 -35%2間,運(yùn)行成本降低
傳統(tǒng)壓縮機(jī)的運(yùn)行成本由三項(xiàng)組點(diǎn):初始采購(gòu)成本、維護(hù)點(diǎn)本和能要成本。其中能源成本大約占?jí)嚎s機(jī)運(yùn)行成本的77%.通過(guò)能源成本降低25%,再加上變領(lǐng)起動(dòng)后對(duì)設(shè)備的沖擊減少。維護(hù)和維修量也跟隨降低,所以運(yùn)行成本將大大降低。
3、提高壓力控制精度:
變頻控制系統(tǒng)具有精確的壓力控制能力。使壓縮機(jī)的空氣壓力輸出與用戶空氣系統(tǒng)所需的氣盤相匹配。變頻控制壓縮機(jī)的輸出氣量隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變。由于變頻控制電機(jī)速度的精度提高,所以它可以使管網(wǎng)的系統(tǒng)壓力變化保持在3pisg變化范圍也就是0.Zbar范圍內(nèi)有效地提高了工況的質(zhì)量。
4、延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命:
變頻器從0Hz起動(dòng)壓縮機(jī),它的起動(dòng)加速時(shí)間可以調(diào)整,從而減少起動(dòng)時(shí)對(duì)壓縮機(jī)的電器部件和機(jī)械部件所造成的沖擊,增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性,使壓縮機(jī)的使用壽命延長(zhǎng)。此外,變頻控制能夠減少機(jī)組起動(dòng)時(shí)電流波動(dòng),這-波動(dòng)電流會(huì)影響電網(wǎng)和其它設(shè)備的用電,變頻器能夠有效的將起動(dòng)電流的峰值減少到最低程度。
5、降低了空壓機(jī)的噪音:
根據(jù)壓縮機(jī)的工況要求,變頻調(diào)速改造后,電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度明顯減慢,因此有效地降了空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪音?,F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定表明,噪音與原系統(tǒng)比較下降約3至7分貝。
6、系統(tǒng)穩(wěn)定性能更強(qiáng):
保存原軟啟動(dòng)系統(tǒng),本控制系統(tǒng)的變頻-工頻切換功能可以使變頻控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)將壓縮機(jī)電機(jī)切換到原軟啟動(dòng)系統(tǒng)工頻工作,以確保壓縮機(jī)組可以正常工作。
空壓機(jī)主機(jī)節(jié)電已經(jīng)被很多工業(yè)企業(yè)所采用。節(jié)電效果一般在15%~35%,節(jié)電率高并提高供氣質(zhì)量。但是由于它特殊的力矩特性及復(fù)雜的電路系統(tǒng),只有少數(shù)技術(shù)公司才能完全掌握。
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