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摘要：探討噴氣織機用壓縮空氣恒壓變流量供氣的節(jié)能改造措施。針對噴氣織機用壓縮空氣流量大、用氣壓力低、變化范圍寬、壓力浮動小的特點,對壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)采用恒壓變流量供氣方案改造。通過工程實際運行數(shù)據(jù)分析得出,采用恒壓變流量供氣改造后,可節(jié)約空壓系統(tǒng)總能耗11.2%。并根據(jù)變頻改造設(shè)計運行實踐,給出變頻空壓機和控制元件的設(shè)計選型原則。認(rèn)為:采取壓縮空氣恒壓變流量供氣改造,可大幅節(jié)約壓縮空氣系統(tǒng)耗能。

噴氣織機依靠壓縮空氣作為動力投緯,要求壓力穩(wěn)定,流量充足。企業(yè)為了保持噴氣織機的產(chǎn)量和效率,均對壓縮空氣的供氣系統(tǒng)設(shè)置較大的富余量,但由于織機在運行中速度高低調(diào)節(jié)、車間停臺變化等因素,壓縮空氣的用量均在一定范圍內(nèi)浮動,這就會造成部分空壓機處在卸載運行狀態(tài)。由于空壓機裝機功率高,處在卸載運行狀態(tài)時仍有較大的能量消耗,其中卸載能耗依然占空壓機總能耗10%~30%。采用空壓機恒壓變流量控制技術(shù),可不產(chǎn)生卸載能耗,實現(xiàn)空壓系統(tǒng)的運行節(jié)能。

1噴氣織機空壓系統(tǒng)特點

織布車間壓縮空氣用量大,要求壓縮空氣無水無油,用氣壓力較低(一般≤0.6MPa),壓力浮動小(≤0.1MPa)。產(chǎn)量和速度的調(diào)節(jié)要求壓縮空氣用量變化范圍大,一般要求變化范圍在80%~100%。所以配置空壓機時,常采用以多臺無油螺桿空壓機配置,或采用離心式空壓機和無油螺桿式空壓機聯(lián)合工作的配置方法。由于空壓機降壓運行產(chǎn)氣量大于額定壓力產(chǎn)氣量。空壓站額定供氣量和實際產(chǎn)氣量均有較大富余。

螺桿式空氣壓縮機為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,一般采用后端管道上的壓力繼電器來控制空壓機的運行。空壓機工作過程主要分為啟動、加載、卸載三個過程,在啟動過程中,空壓機進氣閥關(guān)閉,電機空載啟動。啟動完成后在加載過程中,壓縮機進氣閥打開,電機工作在重負(fù)載狀態(tài)運行,不斷向后端管路中供氣。當(dāng)后端管道中的壓力達(dá)到設(shè)計上限值,壓力控制器發(fā)出卸載信號,進入卸載過程。卸載過程中壓縮機進氣閥關(guān)閉,電機在空負(fù)載狀態(tài)工作。

由于噴氣織機用氣的工作特點和生產(chǎn)工藝的差別,使車間用氣量經(jīng)常發(fā)生波動,空壓機開機后部分機臺多運行在加載、卸載、再加載的循環(huán)中。若此時空壓機選型不合理,會造成空壓機頻繁加載、卸載過程。為使空壓機不至于頻繁啟動停止,影響空壓機安全運行,對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊,常規(guī)控制方法采用空壓機卸載后仍然工頻運轉(zhuǎn)。此時卸載運行所消耗的能耗是無效的,如果卸載時間過長,會造成電能較大的浪費。這就為變頻控制空壓機,實現(xiàn)恒壓變流量供氣提供了基礎(chǔ)。

2恒壓變流量供氣

所謂恒壓變流量供氣,就是設(shè)定不同流量下供氣管網(wǎng)壓力恒定,利用管網(wǎng)壓力的變化控制變頻器,從而控制空壓機的轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)即時響應(yīng)供氣流量變化。

2.1空壓機變頻調(diào)速

空壓機變頻器工作原理是將電網(wǎng)輸入的工頻三相交流電經(jīng)過整流后變成直流電,再經(jīng)逆變回路逆變成三相交流電,拖動電動機工作。逆變過程中通過對頻率的調(diào)節(jié),實現(xiàn)輸出三相交流電頻率的變化,對電動機轉(zhuǎn)速進行無極調(diào)節(jié)。

2.2恒壓變流量供氣

恒壓變流量供氣的工作原理:通過壓力變送器檢測壓縮空氣儲氣罐的壓力,利用智能控制器將檢測信號和原設(shè)定壓力信號進行比較運算,輸出變化的頻率來控制空壓機轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)恒壓變流量供氣方案。系統(tǒng)工作時,壓力變送器將壓縮空氣輸出端的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査腿隤ID智能控制器與壓力設(shè)定值P0比較,并根據(jù)差值的大小按給定控制模式進行運算,產(chǎn)生控制信號。通過變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速,使實際壓力始終接近設(shè)定壓力,維持壓縮空氣系統(tǒng)恒壓。當(dāng)壓縮空氣系統(tǒng)用量增加時,變頻器運行頻率逐漸升高為50Hz,如果系統(tǒng)壓力依然不足,則PID智能控制器將待機的工頻空壓機啟動投入運行。變頻空壓機保證了壓縮空氣系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定。系統(tǒng)中變頻空壓機隨時調(diào)整轉(zhuǎn)速,調(diào)整壓縮空氣的產(chǎn)量。

當(dāng)系統(tǒng)需用壓縮空氣超過變頻空壓機的產(chǎn)量調(diào)整范圍時PID智能控制器才啟動其他空壓機或讓運行的其他空壓機待機,這樣會大大降低空壓機啟動、待機的頻率。根據(jù)系統(tǒng)壓縮空氣的用量,循環(huán)啟動、循環(huán)待機的工作方式實現(xiàn)了供氣量的連續(xù)調(diào)節(jié),維持壓縮空氣系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定,減少壓縮空氣系統(tǒng)中其他空壓機因待機而產(chǎn)生的能量損失節(jié)約了能源。恒壓變流量供氣原理圖如圖1示。

3工程實例

3.1空壓系統(tǒng)配置

以本公司織布車間為例,車間共有ZAX-190型噴氣織機240臺,每臺織機壓縮空氣用量約1Nm3/min,用氣壓力0.55MPa。按生產(chǎn)工藝要求,織機分兩個區(qū)布置,每個區(qū)120臺。單個系統(tǒng)壓縮空氣最大用量120Nm3/min?？諌赫驹鋫鋃R400型水冷無油螺桿空壓機4臺,工頻運行。單臺產(chǎn)氣量62.9Nm3/min,供氣壓力0.75MPa,裝機功率400kW;變頻改造配備一臺ZR315型變頻水冷無油螺桿空壓機1臺,單臺產(chǎn)氣量50.2Nm3/min,供氣壓力0.86MPa,裝機功率315kW?？諌赫鞠到y(tǒng)簡圖如圖2所示。

3.2運行控制方案

系統(tǒng)運行時,若車間用氣量逐步增加時,變頻空壓機優(yōu)先啟動,通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速來達(dá)到要求;當(dāng)變頻空壓機的頻率達(dá)到50Hz其出氣量仍無法滿足要求時,便加入1臺常規(guī)工頻空壓機運行,變頻空壓機則通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)來滿足要求,當(dāng)變頻空壓機的頻率再次達(dá)到50Hz仍無法滿足要求時,則加入第2臺工頻空壓機來運行,直至達(dá)到車間用氣量平衡。反之,如果系統(tǒng)用氣量不高,當(dāng)壓力或出氣量太富余時,則減去相應(yīng)的工頻空壓機。車間滿負(fù)荷生產(chǎn)時,工頻空壓機運行3臺,變頻空壓機運行1臺,備用機組1臺。設(shè)定產(chǎn)氣壓力0.60MPa,空壓站銘牌產(chǎn)氣量238.9Nm3/min,實際產(chǎn)氣量可達(dá)289Nm3/min,變頻空壓機負(fù)載率在50%~80%之間,能夠滿足生產(chǎn)需要。

管網(wǎng)恒壓力變流量設(shè)定原則:根據(jù)用戶要求,先設(shè)定給定壓力值P0,然后通電運行,壓力傳感器監(jiān)測管網(wǎng)壓力,轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柗答佒林悄芸刂破?智能控制器經(jīng)過對反饋值和設(shè)定值的分析處理,輸出控制變頻器的信號,由變頻器來控制空壓機的運行,最終達(dá)到反饋值和設(shè)定值的一致;當(dāng)用氣量增加時,系統(tǒng)壓力降低,反饋值小于設(shè)定值,變頻器輸出電壓和頻率升高,空壓機轉(zhuǎn)速升高,出氣量增加。當(dāng)用氣量減小時,空壓機轉(zhuǎn)速降低,減少出氣量,使管網(wǎng)壓力始終維持設(shè)定壓力值。

3.3運行數(shù)據(jù)檢測

為便于比較分析,分別采用4臺工頻空壓機聯(lián)合運行、3臺工頻空壓機+1臺變頻空壓機聯(lián)合運行的兩種方案,測試數(shù)據(jù)如下。工頻運行狀態(tài):車間滿負(fù)荷生產(chǎn)情況下,4臺工頻空壓機運行,理論供氣量251.6Nm3/min，設(shè)定最高供氣壓力0.70MPa,最低供氣壓力0.60MPa,按單臺運行67.5h,合計運行時間270h統(tǒng)計?？諌簷C人機界面顯示,合計加載時間236.25h,卸載時間33.75h,折合單臺空壓機卸載占空比為50%。現(xiàn)場實際測試電流,加載時電流690A;卸載時電流250A,平均電流為470A。

變頻運行狀態(tài):車間滿負(fù)荷生產(chǎn)情況下,3臺工頻空壓機運行,理論供氣量188.7Nm3/min,1臺變頻空壓機運行,理論產(chǎn)氣量50.2Nm3/min,合計理論產(chǎn)氣量238.9Nm3/min,設(shè)定供氣壓力0.60MPa,壓力浮動范圍暲0.05MPa。也按運行時間270h統(tǒng)計,現(xiàn)場實測電流,工頻機運轉(zhuǎn)電流640A,變頻空壓機運轉(zhuǎn)頻率及電流情況見表1。從表1可以計算出,變頻空壓機平均實耗功率169.40KW。

3.4節(jié)能分析

采用相同的車間生產(chǎn)狀況,兩種運行狀態(tài)的節(jié)能比較見表2。其中,電機功率計算公式按N=1.732IUcosφ;功率因數(shù)cosφ=0.8,電壓380V;變頻器實耗功率按2.5%計算。

由表2可知,工頻+卸載控制方案總耗功率1337.40kW,工頻+變頻控制方案總耗功率1188.25kW。采用變頻恒壓變流量供氣技術(shù)后,空壓系統(tǒng)節(jié)電功率149.15kW,節(jié)電率11.2%。每年按7875h運行時間計算,每年可節(jié)電1.1746暳106kW·h;按電費0.7元/(kW·h)計算,每年可節(jié)約電費82.2萬元。變頻空壓機及系統(tǒng)改造投資110萬元,一年半內(nèi)可收回全部設(shè)備改造投資。

4恒壓變流量供氣設(shè)計運行原則

4.1變頻空壓機的選擇

變頻空壓機理論供氣量和供氣壓力選擇,需考慮與工頻空壓機供氣量的匹配問題。主要從站房空壓機的理論供氣量、供氣壓力、用氣量浮動范圍綜合考慮。一般兩者的供氣壓力應(yīng)該相等,理論供氣量應(yīng)小于工頻空壓機。如果兩者供氣量相等或接近,則變頻空壓機的運行狀態(tài)就與工頻空壓機一樣,失去了應(yīng)有的作用;如果變頻空壓機的理論供氣量過小,不能起到很好的調(diào)節(jié)作用。綜合考慮這兩種情況,選擇1臺產(chǎn)量為工頻空壓機60%~70%產(chǎn)氣量的變頻螺桿空壓機較為合適(其余負(fù)荷因用氣壓力波動由空壓機的壓力調(diào)節(jié)變動滿足),這樣也可使變頻器的容量減小,降低設(shè)備投資費用。從表1可以看出,本工程由于變頻空壓機容量略大,產(chǎn)氣量調(diào)節(jié)范圍較大,但由于車間設(shè)備用氣量變化范圍較小,變頻空壓機實際調(diào)節(jié)范圍有限。

4.2變頻機頻率變化范圍的確定

確定變頻螺桿空壓機的輸出頻率范圍(上限頻率和下限頻率)需根據(jù)車間運行情況的用氣量范圍來確定。從試驗數(shù)據(jù)來看,當(dāng)頻率低于額定頻率30%時,空壓機系統(tǒng)的效率明顯下降。從電機運行特性來看,由于壓縮機的恒轉(zhuǎn)矩特性,當(dāng)電機在額定頻率30%以下運行時,其工作電流依然會維持在額定電流附近,甚至更大;又由于普通異步電機的冷卻方式都為自冷式,因此在額定頻率30%以下長期運行時,電機的散熱又是一個不容忽視的問題。綜合壓縮機和電機兩方面的因素,變頻螺桿空壓機的輸出頻率調(diào)節(jié)范圍在額定頻率40%~100%為宜。本工程最低頻率控制在額定頻率的60%(30Hz)已經(jīng)完全滿足車間用氣量浮動的要求。

4.3變頻設(shè)計控制要點

根據(jù)設(shè)計運行經(jīng)驗,普通螺桿空壓機進行變頻改造時可從多方面考慮。在變頻器的選擇上,由于螺桿式壓縮機的轉(zhuǎn)矩特性,應(yīng)優(yōu)先選擇矢量型或直接轉(zhuǎn)矩型變頻器為宜,對于250kW及以上的普通螺桿壓縮機變頻改造時,一般應(yīng)在變頻器輸出端加入電抗器以改善電機的運行狀態(tài);變頻器容量宜略大于壓縮機的軸功率;對于水冷式螺桿壓縮機改造時,應(yīng)考慮冷卻水量的調(diào)節(jié)問題。壓力變送器應(yīng)選擇能夠抵抗較強電磁干擾的型號。

5結(jié)論

(1)噴氣織機車間空壓機選型宜選擇多臺無油螺桿空壓機,或采用離心式空壓機和無油螺桿式空壓機聯(lián)合工作。

(2)通過與工頻運行狀態(tài)的比較,恒壓變流量供氣系統(tǒng)具有穩(wěn)定系統(tǒng)壓力,隨時適應(yīng)車間用氣量變化。在變頻運行空壓機自動調(diào)壓的同時,可降低工頻運行空壓機電流,實現(xiàn)空壓系統(tǒng)綜合節(jié)能11.2%。

(3)變頻運行空壓機的理論供氣量宜選擇為工頻運行空壓機的60%~70%為宜。

(4)空壓機變頻器宜選擇矢量型或直接轉(zhuǎn)矩型變頻器。變頻器控制范圍宜控制在工頻頻率的40%~100%。