往复活塞式空压机的变频节能改造

廖 明

(白银有色集团股份有限公司， 甘肃 白银 730900)

往复活塞式空压机的变频节能改造

廖 明

(白银有色集团股份有限公司， 甘肃 白银 730900)

以白银有色集团深部铜矿D- 100/8- e3型往复活塞式空压机为实例，阐述了该类型空气压缩机变频节能改造的途径与效果。

往复活塞式空压机; 变频调速; 能耗; 储气罐; 压力脉动

0 前言

白银有色集团股份有限公司是我国大型有色金属采、选、冶和加工制造综合企业，其下属的深部铜矿为多金属铜矿山，年产品位0.7%～1.2%的铜矿石100万t，坑内采矿最大耗气量为118 m3/min。深部铜矿现有空压机站一个，由4台D- 100/8- e3型往复活塞式空压机组成，用以实现整体矿山开采的压缩空气用风。空压机技术参数如表1所示。

表1 D- 100/8- e3型往复活塞式空压机技术参数

1 空压机的结构特点

D- 100/8- e3型往复活塞式空压机为对称平衡型，双列、水冷、往复活塞式结构，并设有油压、水压、排气压力和排气温度等自动显示、自动保护装置，由机身、曲柄连杆机构、异步电机、活塞、气缸、进排气阀及冷却器等部件构成，见图1。其中，异步电机驱动曲轴连杆机构，将曲柄的回转运动转变为气缸中活塞的往复直线运动；同时，由气缸、活塞所组成的气腔容积周期性发生变化，使空气在气缸内完成吸气、压缩、排气三个循环工作过程。空压机具有转速低、坚固耐用等特点，因其排气过程是非连续性、间歇动作排气，因而在压缩空气管网中，存在着一定的压力脉动现象，而空压机进排气阀片、活塞环、密封件等损耗性零件状况的好坏，也直接影响着该类型空压机的能源使用效率。

图1 D- 100/8- e3型往复活塞式空压机实物图

2 空压机站存在的问题

由4台D- 100/8- e3型往复活塞式空压机组成的深部铜矿空压机站重建于2003年12月。在正常生产情况下，空压机站处于两开两备或三开一备状态。空压机站和矿山各压缩空气使用点之间的供求平衡是空压机站的理想运行状态。由于矿山开采生产的特点，空压站的供气量通常大于矿山设备的实际用气量，而且压缩风实际用量波动较大，以往曾采用空压机间歇运行或空载运行来调节压缩风的管网流量及压力，结果既引起电能空耗，也带来了电网波动的问题，并影响空压机的正常使用寿命。生产统计资料显示，空压机空载运行时用电量仍为满负载的28%，这部分电能因此而被空耗掉，深部铜矿空压站的能耗分析如下：

(1)间歇或空载运行导致的能源消耗。压缩空气用量变化大，引起压缩空气管网压力波动，从而导致对压缩空气用量的需求错觉，结果导致了多开空压机以保证管网压力平稳，压缩空气用量的需求出现冗余,空压机以低效率状态运行，电能消耗约占空压站整体能耗的28%。

(2)由于空压机的非连续性间歇排气过程，压缩空气管网中存在着一定的压力脉动导致的空压机电能消耗占空压站整体能耗的5%。

(3)压缩空气的传输、使用过程中，空压机与用气设备之间的连接管道、储气罐等附属处理设备出现了一定量的泄漏、截流或过流现象，影响了压缩空气的使用效率，增加了空压机的能耗，该部分能耗约占空压机站整体能耗的5%。

(4)其它因素，例如因压缩空气不当使用所增加的消耗等占空压站整体能耗的2%。

3 空压机变频改造方法论述及分析

深部铜矿空压站长期生产运行及记录分析说明：D- 100/8- e3型往复活塞式空压机压缩空气量的供求关系，主要表现在排气压力的变化上，当压缩空气排气量恰好满足矿山生产使用压缩空气量的要求时，管路储气压力保持不变。生产中由于压缩空气使用量的不均衡，空压机供气量一般要大于实际用气量。为降低能耗，充分利用、提高D- 100/8- e3型往复活塞式空压机的开机运行效率，并保持管路储气压力不变，必须进行能量调节。参考当今空压机节能的先进技术，空压机的能量调节控制方式主要有五种，即：空压机间歇控制运行、空压机吸气调节、空压机气缸卸载、空压机分档变速调节输气量、变频调速。其中，采用空压机间歇运行或空载运行来调节能量消耗的大小最为常见。但空压机间歇运行会造成空压机启停频繁，增加电能损耗，增大电网波动，严重影响空压机设备的使用寿命；空压机空载运行，耗电量仍是满载的25%～55%，这部分电能被空耗掉，而空压机空载启动电流是额定电流的5～7倍，对电网及其它用电设备冲击较大，同时缩短了空压机的正常使用寿命。通过以上分析，2012年10月对该空压站四台D- 100/8- e3型往复活塞式空压机实施了驱动电机变频调速改造，以解决该矿山空压站能耗居高不下的难题，提高空压机的运行效率。

4 变频调速原理及特点

空压机变频调速的原理为:改变空压机异步电机转速，以便控制空压机单位时间的出气量，从而控制管路中的压缩空气压力，实现调节空压机流量的目的与功效。该方法能在一定范围内连续进行空压机的能量调节，满足空压机轻载时的运行需要，使空压机的制气量与实际用气量相匹配。

D- 100/8- e3型往复活塞式空压机的异步电机转速n可从下式中计算解出：

n=(1-s)60f1/P，

(1)

式中：n——电机转速，r/min；

f1——电机端电压频率，Hz；

s——电机转差率；

P——电机定子绕组的极对数。

由式(1)知，电机转速n与电源频率f1成正比，因此改变空压机异步电机的电源频率，就能改变异步电机的转速，实现变频调速的目的。根据电磁感应原理，变频调速时，磁通Φ恒定不变，异步电机定子的电压与电源频率成正比，异步电机的输出功率随供电电源频率的变化而发生变化。改变定子端的输入电压，就可调节电机的频率，即：恒压频比(V/F)控制方式，系统框图如图2所示。

图2 D- 100/8- e3型往复活塞式空压机变频调速系统框图

由压力变送器所测得的管网压力值与压力设定值比较后可得到偏差，经由PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值后，通过变频器可输出相应频率和幅值的交流电，使异步电动机得到相应的转速，从而使处于工作状态的空压机把生产所需的压缩空气量输出至储气罐，最终实现压缩空气管网的压力与所给定的实际生产所需压缩空气的压力值相同。经变频调速技术改造后，该矿山空压站空压机表现出以下几方面的优点：空压机异步电机实现软启动，降低了启动电流，空压机启动平滑、无机械冲击；延长了空压机的使用寿命，减少了空压机对供电电网的影响；空压机输气压力稳定，压缩空气调整可靠性高；节能效果明显，经试运行后测试，空压站总体节电约30%～40%。

5 空压机变频改造

公司于2012年10月对空压机站4台D- 100/8- e3型往复活塞式空压机进行了变频改造，所增加的控制系统由下述零部件、仪器和仪表组成：变频器(内置数字PID调节器，在变频器界面上只需设置压力给定即可自行调节输出频率以便稳定压力)、可编程控制器PLC、压力变送器、接触器、空气开关、电缆、电流表、电压表、按钮和互感器等。

6 空压机变频技术改造前后的能耗比较

D- 100/8- e3型往复活塞式空压机变频技改后,运行30天的能耗平均数据与技改前30天的空压机能耗平均数据比较见表2。

表2 D- 100/8- e3型往复活塞式空压机变频技改前后的平均能耗比较

实施变频技术改造后，D- 100/8- e3型往复活塞式空压机主要的能耗指数有着明显的提高，经济效益显著；该型空压机启动电流的下降减少了对空压机站供电电网的冲击和波动，有效提升了空压机的运行效率，维持了空压站供风主管网压力的稳定性；同时，改善了单台空压机的开机率，并延长了单台空压机的使用周期，有力保障了该矿山正常的开采工作。

7 结束语

空压机节能降耗改造方法、方式多样，节能效果也不尽相同。白银有色集团深部铜矿D- 100/8- e3型往复活塞式空压机变频节能改造取得了较好的效果。

[1] 郁永章．容积式空压机维修[M]．北京:机械工业出版社,2007.1

Energy Saving Transformation of Variable Frequency on Reciprocating Piston Type Air Compressor

LIAO Ming

Based on the Baiyin Nonferrous Metal Group actual example of D-100/8-e3 reciprocating piston type air compressor, this paper expounds the ways of frequency energy saving transformation and effect for such type air compressor.

reciprocating piston air compressor； frequency control； energy consumption; gasholder; pressure fluctuation

2015-05-10

廖明(1958—)，男，广东梅州人，大学本科，高级工程师，现任白银有色集团股份有限公司董事长、总经理。

TD443.2

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1008-5122(2015)05-0028-03