变频器在氢气回收系统压缩机上的应用

张俊红

（金堆城钼业股份有限公司，陕西西安710077）

0 前言

金堆城钼业公司钼粉某分厂850 Nm3/h精脱碳脱水氢气回收系统，安装有2台110 kW的往复式活塞压缩机，给氢气循环提供动力的同时使氢气达到提纯所需的工作压力，2台压缩机工作状态为一用一备，压缩机起动方式采用自藕降压启动，压缩机正常运转供气量为850 N3/h，提供压力为0.6 MPa。然而由于生产上氢气用量的不均匀性，用气量是在动态变化的，在实际使用过程中，有时只需要500 N3/h的氢气量，且供气压力最低时需要0.4 MPa，而压缩机在全速运行，大量的气体需要通过回流阀，压缩机做了很多无用功；另外压缩机在启动过程中，需要较大启动电流，对电网有较大的冲击，影响电网内其它用电设施的正常运转；在正常运转过程中，压缩机总是在额定转速下工作，机械磨损大，对压缩机的维护保养也提出了更高的要求。因此很有必要对原有压缩机的控制方式进行改变，减少压缩机启动过程对电网的冲击，同时减少功率损失。

1 常用几种压缩机启动控制方法

大功率压缩机启动控制方法主要有：星形－三角形（Y－△）降压启动控制、自藕降压启动控制、软启动器控制、变频器控制等。各种启动方式有各自不同的优缺点，根据不同的工况选用不同的启动方式。

1.1 星形－三角形（Y－△）降压启动

星形－三角形降压启动是指电动机启动时，把定子绕组接成星形（Y），以降低启动电压，限制启动电流；待电动机启动后，再把定子绕组改接成三角形（△），使电动机全压运行。只有正常运行时定子绕组作三角形（△）联接的异步电动机才可采用这种降压启动方法。电动机启动时，接成星形，加在每相定子绕组上的启动电压只有三角形接法直接启动时的1/3，启动电流为直接采用三角形接法时的1/3，启动转矩也只有三角形接法直接启动时的1/3。所以这种降压启动方法，只适用于轻载或空载下启动。星形－三角形降压启动的最大优点是设备简单，价格低，因而获得较广泛的应用。缺点是只用于正常运行时为Δ接法的电动机，降压比固定，有时不能满足启动要求。

1.2 自耦降压启动

自耦变压器降压启动是指电动机启动时利用自耦变压器来降低加在电动机定子绕组上的启动电压。待电动机启动后，再使电动机与自耦变压器脱离，从而在全压下正常运动。自耦变压器副边有2～3组抽头，如2次电压分别为原边电压的80％、60％、40％。自耦变压器降压启动优点：可以按允许的启动电流和所需的启动转矩来选择自耦变压器的不同抽头实现降压启动，而且不论电动机的定子绕组采用Y或Δ接法都可以使用。缺点：设备体积大，投资较贵，启动完成后不能改变负载的运动状况。

1.3 软启动器控制

STR软启动器采用3对反并联的晶闸管串接于交流电机的定子回路上。利用晶闸管的电子开关作用，通过微处理器控制其触发角的变化来改变晶闸管的开通程度，由此来改变电动机输入电压的大小，以达到电动机软启动的目的。当启动完成后软启动器输出达到额定电压。

软启动器控制相对于自藕降压启动和星三角启动有以下优势：1）减少起动过程引起的电网电压降使之不影响共网其它电气设备的正常运行；2）减小电动机的冲击电流，冲击电流会造成电动机局部过热，危害电动机寿命；3）减小硬起动带来的机械冲力，机械冲力将加速传动机械（轴、啮合齿轮等）的磨损；4）减少电磁干扰，冲击电流会以电磁波的形式干扰电气仪表的正常运行；5）可靠性高、维护量小以及参数设置简单。总之，软起动使电动机可以起停自如，提高作业率，因而有其重要作用。

然而软启动器也有缺陷，不能长时间用于启动扭矩要求很高的电动机驱动装置上。这种局限性主要因为，软启动器实际上是靠将自身电压斜坡式抬升至最大值（而在停机过程中又逐渐下降至设定的关机水平）来完成工作。由于扭矩与电压平方成正比，连接电动机不从一开始就达到最大扭矩，因此，软启动器更适合于风机、水泵、风扇、传送带、电梯等轻型易启动的设备。

1.4 变频器启动

以上3种控制方式只能在某些程度减少压缩机在启动过程中对电网的冲击，在压缩机正常运转过程中无法改变压缩机的工作状况，不能改变压缩机的转速，因此也不能起到真正节能作用。而利用变频器控制压缩机，不仅可以实现软启动功能，减少启动过程电流过大对电网的冲击，同时可以实现改变压缩机转速，实现节能效果，另外采用变频器控制方式还有以下优点：1）降低电力线路的电压波动；2）启动时需要的功率更低；3）可控加速功能；4）可调的转矩极限；5）受控的停止方式等。

2 压缩机节能原理分析

根据流体力学可知，可从以下公式分析压缩机电动机的轴功率与其压缩量Q、气压H之间的关系是：

P∝Q×H

当电动机转速从n1变化到n2时，Q、H、P之间的关系为：

Q2/Q1=n2/n1

H2/H1=（n2/n1）2

P2/P1=（n2/n1）3

排气压力与转速的平方成正比，压缩机的压缩量与转速成正比，电动机消耗的功率与电动机的转速的3次方成正比。当压缩机的转速降低时，压缩机所消耗的电能按3次方比例关系下降。而在实际工矿中，为满足系统压力的稳定和平衡，通常采用回流阀控制供气量和气压，能量损失严重。通过以上关系分析，在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。

3 变频控制的实现

3.1 设备选型

通过分析，变频启动是压缩机启动和正常运转的最优选择。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。而变频调速方法，是一种高效的调速方法。考虑在储气罐上安装1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0.6 MPa。本例选用1台森兰SB12S132变频器，SB12变频器是专门用于风机、水泵变频调速，对风机、水泵的运转控制具有PID调节控制的智能型变频调速器，由高性能微处理器控制，功能齐全，操作简便。

为节约成本，本系统采用1台变频器控制2台压缩机，压缩机通过接触器与变频器连接，为避免2台压缩机同时启动，接触器考虑了互锁装置，保证每次允许1台压缩机工作。

3.2 变频器恒压控制原理图

3.3 控制实现过程

图中ST1和ST2为两位手柄控制开关，M1和M2分别为2台压缩机。启动压缩机前，通过空气开关QF为系统供电，然后通过ST1和ST2选择启动的压缩机，接触器吸合后通过开关SB3启动变频器开始工作。工作过程中变频器通过传感器采集到压力信号后与系统设定的压力进行对比，通过变频器调节控制变频器频率。

图1 变频器恒压控制原理图

4 注意事项

由于配电房距压缩机安装现场有100 m距离，为了防止对系统其它控制信号干扰，必须对压缩机用电缆进行单独布线，或者采用屏蔽的方法。铠装电缆不紧可以增强抗拉强度，也可以增加防电磁干扰能力，此处根据现场条件运用铠装电缆，保证了其他控制信号的稳定。

5 改造后效果

（1）电动机启动过程为软启动，对电动机、压缩机和电网的冲击大为减小。

（2）延长了设备的使用寿命，减少了设备的维修量和维修费用。改造前，压缩机的油封环、阀片等至少每1个月需要检修1次，改造完成后，压缩机使用寿命提高1倍。

（3）进一步完善了保护功能，如热保护、过电流、过电压、欠电压、短路、缺相等保护功能。

（4）操作简便，运行平稳、压缩机温升正常，噪声、振动减小。

6 节能效果

6.1 变频节能

电机不能在满负荷下运行，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。采用该系统，产品气压力过高时，可降低电机的运行速度，使其在恒压的同时节约电能。

6.2 提高功率因数节能

采用变频节能调速器后，由于其性能已变为ac－dc－ac，在整流滤波后，负载特性发生了变化。变频调速器对电网的阻抗特性呈阻性，有较高的功率因素，减少了无功损耗。

6.3 节能效果

改造前压缩机在工频状态下运转变频器前电流为170 A；改造后压缩机系统稳定后，变频器频率为43 Hz，变频器前正常运转电流为130 A。改造前每天用电量 W=1.732×I×U ×24/1 000 =2 685.3 kW·h，改造后每天用上述公式计算用电量为2 053.5 kW·h，每年节约用电230 607 kW·h，节能率为23.53％。按照每度电0.5元计算，每年节约成本115 303.5元，1年即可回收投资成本。

7 结论

压缩机改造完成后，启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和压缩机易损件的使用寿命，提高了设备的运转率，同时也降低了维护成本。特别是在节能方面，取得了很好的经济效益。经过半年的运行，系统运行稳定可靠，达到了预期的目的。

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