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螺桿式空壓機變頻改造方案設計
來源:乾鼎節能 發布者:admin 發布時間:2019年 01月 05日 閱讀次數:182 次

   針對螺桿式空壓機能耗大、噪音大、自動化程度低等問題,在螺桿式空壓機節能原理的基礎上,提出了利用變頻器對螺桿式空壓機變頻改造進行節能改造的方案.

  該方案采用安全連鎖、PID調節和電機溫升控制等技術手段來實現.節能效果分析表明,該方案節電率達到28.3%,具有推廣價值

一:螺桿式空壓機變頻改造節能原理分析:

1.以單螺桿式空壓機為例說明空氣壓縮機工作原理,如圖1所示為單螺桿空氣壓縮機的結構原理圖。螺桿式空氣壓縮機的工作過程分為吸氣、密封及輸送、壓縮、排氣四個過程。當螺桿在殼體內轉動時,螺桿與殼體的齒溝相互嚙合,空氣由進氣口吸入,同時也吸入機油,由于齒溝嚙合面轉動將吸入的油氣密封并向排氣口輸送;在輸送過程中齒溝嚙合間隙逐漸變小,油氣受到壓縮;當齒溝嚙合面旋轉至殼體排氣口時,較高壓力的油氣混合氣體排出機體。螺桿空壓機結構原理圖.png

2.根據空氣壓縮理論,壓縮機的軸功率、排氣量
      和軸轉速之間的關系應符合下列公式:N2=Mr×n9553  Vd=K×Vh×n2式中,N2為壓縮機軸功率/kW,Mr為壓縮機輸入的平均軸扭矩/(N·m),n為壓縮機轉速/(r·min-1),K為與氣缸容積、壓力、溫度和泄漏有關的系數,n2為調節后的壓縮機轉速/(r·min-1),Vd為在n2轉速下的排氣量/(m3·min-1),Vh為一級缸積/m3

      根據上述分析,在空壓機的汽缸容積不能改變的條件下,要想改變排氣量只有調節壓縮機轉速;在空壓機排氣量大于用氣量時,通過降低壓縮機轉速調節供氣壓力,是壓縮機經濟運行的有效方法。

二:螺桿式空壓機變頻改造中空壓機工頻運行和變頻運行的比較:

1.空壓機電機功率一般較大,啟動方式多采用空載(卸載)星-三角啟動,加載和卸載方式都為瞬時。這使得空壓機在啟動時會有較大的啟動電流,加載和卸載時對設備機械沖擊較大;不光引起電源電壓波動,也會使壓縮氣源產生較大的波動;同時這種運行方式還會加速設備的磨損,降低設備的使用年限。

2.對空壓機進行變頻改造,能夠使電機實現軟起軟停,減小啟動沖擊,延長設備使用年限;同時由于電機運行頻率可變,實現了空壓機根據用氣量的大小自動調節電機轉速,減少了電機頻繁的加載和卸載,使得供氣系統氣壓維持恒定,在一定程度上節約了電能。

3.空壓機主電路和控制電路的變頻改造:以某品牌空壓機為例,圖4是其電路原理圖。

電路原圖4
可以看出該品牌型號的空壓機采用星-三角啟動方式,在主電路改造時,將變頻器串接進原有的電源進線中;斷開原加載閥控制回路,將原加載閥控制輸出改為一個時間繼電器JS,時間繼電器的線圈一端與220V控制電路零線接通,另一端連接到PLC的加載輸出點,將加載閥的一端直接和220V控制電路零線接通,另一端通過時間繼電器JS的一對??サ閿?20V控制電路火線接通,通過時間繼電器延長加載時間。變頻器的正轉信號端子FWD,通過電機主電路上的交流接觸器KM1的一對??サ?,與變頻器公共控制端CM接通。變頻器的模擬量反饋信號C1和GND端子,與壓縮氣輸送管路上的壓力傳感器相連接。

變頻改造后的電路原理圖
圖5是變頻改造后的電路原理圖。

4.空壓機變頻改造后,電機啟動時原有的交流接觸器仍然由其控制PLC按星-三角方式動作,但在交流接觸器連接為星型時,交流接觸器KM1的??サ忝揮斜蘸?,變頻器FWD端子與CM端子沒有接通,變頻器不啟動、無輸出;當PLC控制交流接觸器轉換為三角形接法后,KM1的??サ惚蘸?,變頻器FWD端子與CM端子接通,時間繼電器JS處于延時狀態,加載閥不動作,變頻器開始空載變頻啟動電機。當變頻器啟動電機完成后,時間繼電器JS動作加載閥,變頻器自動變頻運行。

三:螺桿式空壓機變頻改造方案的關鍵點

1、螺桿式空壓機變頻改造安全連鎖

由于螺桿空壓機嚴禁反轉,所以要特別注意電
機主回路的電源相序.系統可以加裝相序?;て饕員Vさ緇男較蛘罰詰魘允?,則必須脫開主電機和空壓機的連接,單獨測試主電機的旋轉方向和散熱風機的旋轉方向,
以保證設備的安全。

2、空壓機原有的?;すδ芤A?,并引入到變頻控制系統,
使設備發生故障時變頻器能及時?;?臺空壓機的控制回路電源要分開,保證在檢修任意一臺空壓機時控制回路不帶電,保障檢修人員的安全.

四:螺桿式空壓機變頻改造注意事項:
1.按生產工藝要求,變頻改造后,適當降低壓縮氣供氣系統的供氣壓力,將原來的高壓變流量供氣改變為變頻恒壓變流量供氣方式。
2.必須保留空壓機的工頻運行模式,萬一變頻器出出故障,可以直接切換到工頻模式下運行,不至對對生產造成影。
3.使用變頻器下限頻率延時?;菝吖δ?。
4.管路上的壓力傳感器的安裝位置要盡量靠近空壓機,不要安裝在過濾器或是閥門以后,同時切記壓力傳感器和空壓機之間的管路上不能安裝任何閥門元件,防止過濾器堵塞或是閥門關閉后,空壓機不?;⒎⑸ㄎO??;褂Ω帽A艨昭夠吹難沽ν;;た?。
5.在進行變頻改造時應該注意,盡量保持原有設備主電路和控制電路的完整性,對其電路的改動越少越好;這有利于在變頻器發生故障或是檢修時,空壓機可以很方便地改動回到原有的控制方式上去,這保證了空壓機在變頻和工頻狀態下都可以運行,也使得改造時可以不用重新編寫PLC程序。
6.變頻器的下限運行頻率一般要設在35赫茲或以上,如果赫茲數太低,可能會造成油氣分離器無法有效分離油氣,造成空壓機漏油現象。但要根據實際情況具體來考慮設定下限頻率值,因為不同的空壓機其機械配合磨損和效率不盡相同,其不漏油的下限頻率也不一定相同。
7.時間繼電器JS的整定時間要大于等于變頻器的啟動時間,這保證變頻器空載變頻啟動,有效避免變頻器低頻啟動時過負荷跳閘。
8.變頻器的啟動信號由角形接法交流接觸器KM1控制,既在星形時變頻器不啟動無輸出。

五:螺桿式空壓機變頻改造節能分析

  如以下公式所示拉力F與摩擦力F’大小相等、方向相反,拉力F在時間T內拉動物體做直線運動,移動位移S。拉力F在時間T內作的功率P為

由數學知識可知線速度v和旋轉角速度ω之間的關系如式2所示,式中f為旋轉體的旋轉頻率。將式2代入式1可以求得旋轉物體摩擦阻力功率如式3所示公式2

由式3可以知道,克服旋轉體的摩擦阻力使旋轉體勻速轉動,需要向旋轉體提供的功率按式3公式計算(忽略機械效率損失,認為η為1)。式3中F’為旋轉體的旋轉摩擦阻力,r為旋轉體的旋轉半徑,f為旋轉體的旋轉頻率。所以我們可以在忽略空氣壓縮機機械效率損失,同時忽略空壓機機械效率因為電機轉速變化而變化的情況下,即始終認為空壓機機械效率η為1,可以近似地認為變頻器的輸出功率與空壓機電機的轉速成正比,即成一次方正比例關系。公式3

 

  
如下圖7所示是螺桿式空壓機工頻運行時的轉速/功率-周期示意圖。t1是空壓機加栽運行時間,t2是空壓機卸栽運行時間,加栽/卸栽時的轉速和功率分別為P1/n1和P2/n2。忽略空壓機機械效率η的變化,W1和W2分別為空壓機加栽運行時間t1和卸栽運行時間t2中由電源輸送給空壓機電機的能量。其中W1轉換為壓縮空氣勢能、動能和熱能等形式的能量,供設備使用。而W2則轉換為機械的摩擦熱能和聲音、震動等形式的能量損失掉。

圖7

以螺桿式空壓機經過變頻改造后,由于電機處于變速運行情況下,而通過式3的推導知道電機的平均功率與電機的平均轉速成一次方正比例關系??昭夠淦蹈腦旌?,是根據用氣系統的用氣量恒壓變流供氣;所以變頻改造后,空壓機在周期T(t1+t2)內所作的功W,等于同等工況下,空壓機工頻運行時,加載運行時間t1內所作的功W1。如圖8所示。 圖8

通過以上分析,可知只要知道螺桿式空壓機工頻改造前卸載運行時間和卸載電流,就可以大致計算出,相同工況下變頻改造后的節能功率和節能電量(忽略機械效率η的變化)

 

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