摘 要：本文著重介紹風(fēng)光高壓變頻器在煤礦空氣壓縮機(jī)上的應(yīng)用情況，并對(duì)空壓機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析
關(guān)鍵詞： 高壓變頻器 空氣壓縮機(jī)
Abstract: This paper focuses on high voltage inverter in the coal mine scenery on the application of air compressor, and an analysis of the characteristics of air compressor.
Keywords: High voltage inverter Air compressor
1引言
陶二煤礦位于邯鄲市境內(nèi)，距離市區(qū)15公里，是冀中能源邯礦集團(tuán)有限公司為開(kāi)發(fā)河北省太行山東麓、武安盆地的東部邊緣，石炭二疊系煤層而新建的一座大型的現(xiàn)代化礦井。陶二煤礦1975年建井，1982年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)能力為90萬(wàn)噸/年，經(jīng)過(guò)陸續(xù)技術(shù)改造，2006年核定生產(chǎn)能力125萬(wàn)噸/年。陶二煤礦壓風(fēng)機(jī)房分別設(shè)在井上和井下。井上壓風(fēng)機(jī)房設(shè)計(jì)在福井口西側(cè)約60米處，風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)安裝兩臺(tái)SM5160-----25.5/8壓風(fēng)機(jī)，2臺(tái)SA—250壓風(fēng)機(jī)。壓風(fēng)管路由地面壓風(fēng)機(jī)房起始給地面壓風(fēng)管路，副井筒通往井下南北兩翼。南翼分別通往充電峒室，主井底裝載峒室，新南總回風(fēng)巷供生產(chǎn)維護(hù)使用。北翼風(fēng)別通往各采區(qū)工作面。隨著煤礦集團(tuán)的發(fā)展，設(shè)備陳舊落后、耗能的現(xiàn)象日漸凸顯，為響應(yīng)國(guó)家號(hào)召和社會(huì)發(fā)展的需要，礦領(lǐng)導(dǎo)決定對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行必要的升級(jí)改造。經(jīng)過(guò)礦領(lǐng)導(dǎo)的多方調(diào)查研究，決定選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-280F系列高壓變頻器對(duì)2臺(tái)SA—250螺桿式空氣壓縮機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。
2螺桿式空氣壓縮機(jī)
2.1簡(jiǎn)介
螺桿式空氣壓縮機(jī) 螺桿式空氣壓縮機(jī)由螺桿機(jī)頭、電動(dòng)機(jī)、油氣分離桶、冷卻系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、安全閥及控制系統(tǒng)等組成。工作時(shí)電動(dòng)機(jī)通過(guò)連軸器(或皮帶)直接帶主轉(zhuǎn)子，由于2轉(zhuǎn)子相互嚙合，主轉(zhuǎn)子直接帶動(dòng)副轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)。冷卻液由壓縮機(jī)機(jī)殼下部的噴嘴直接噴入轉(zhuǎn)子嚙合部分，并與空氣混合，帶走因壓縮而產(chǎn)生的熱量，達(dá)到冷卻效果。同時(shí)形成液膜，防止轉(zhuǎn)子間金屬與金屬直接接觸及封閉轉(zhuǎn)子間和機(jī)殼間的間隙。噴入的冷卻液亦可減少高速壓縮所產(chǎn)生的噪音。螺桿機(jī)頭通過(guò)吸氣過(guò)濾器和進(jìn)氣控制閥吸氣，同時(shí)油注入空氣壓縮室，對(duì)機(jī)頭進(jìn)行冷卻、密封以及對(duì)螺桿及軸承進(jìn)行潤(rùn)滑，壓縮室產(chǎn)生壓縮空氣。壓縮后生成的油氣混合氣體排放到油氣分離桶內(nèi)，由于機(jī)械離心力和重力的作用，絕大多數(shù)的油從油氣混合體中分離出來(lái)。空氣經(jīng)過(guò)由硅酸硼玻璃纖維做成的油氣分離筒芯，幾乎所有的油霧都被分離出來(lái)。從油氣分離筒芯分離出來(lái)的油通過(guò)回油管回到螺桿機(jī)頭內(nèi)。在回油管上裝有油過(guò)濾器，回油經(jīng)過(guò)油過(guò)濾器過(guò)濾后，潔凈的油才流回至螺桿機(jī)頭內(nèi)。當(dāng)油被分離出來(lái)后，壓縮空氣經(jīng)過(guò)最小壓力控制閥離開(kāi)油氣筒進(jìn)入后冷卻器。后冷卻器把壓縮空氣冷卻后排到貯氣罐供各用氣單位使用。冷凝出來(lái)的水集中在貯氣罐內(nèi)，通過(guò)自動(dòng)排水器或手動(dòng)排出。
圖1 螺桿式空氣壓縮機(jī)原理圖
2.2螺桿式空氣壓縮機(jī)工作原理
螺桿壓縮機(jī)的工作循環(huán)可分為進(jìn)氣，壓縮和排氣三個(gè)過(guò)程。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，每對(duì)相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)。
（1）進(jìn)氣過(guò)程：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒溝空間在轉(zhuǎn)至進(jìn)氣端壁開(kāi)口時(shí)，其空間最大，此時(shí)轉(zhuǎn)子齒溝空間與進(jìn)氣口的相通，因在排氣時(shí)齒溝的氣體被完全排出，排氣完成時(shí)，齒溝處于真空狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)至進(jìn)氣口時(shí)，外界氣體即被吸入，沿軸向進(jìn)入陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒溝內(nèi)。當(dāng)氣體充滿了整個(gè)齒溝時(shí)，轉(zhuǎn)子進(jìn)氣側(cè)端面轉(zhuǎn)離機(jī)殼進(jìn)氣口，在齒溝的氣體即被封閉。
（2）壓縮過(guò)程：陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子在吸氣結(jié)束時(shí)，其陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒尖會(huì)與機(jī)殼封閉，此時(shí)氣體在齒溝內(nèi)不再外流。其嚙合面逐漸向排氣端移動(dòng)。嚙合面與排氣口之間的齒溝空間漸漸件小，齒溝內(nèi)的氣體被壓縮壓力提高。
（3）排氣過(guò)程：當(dāng)轉(zhuǎn)子的嚙合端面轉(zhuǎn)到與機(jī)殼排氣口相通時(shí)，被壓縮的氣體開(kāi)始排出，直至齒尖與齒溝的嚙合面移至排氣端面，此時(shí)陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的嚙合面與機(jī)殼排氣口的齒溝空間為0，即完成排氣過(guò)程，在此同時(shí)轉(zhuǎn)子的嚙合面與機(jī)殼進(jìn)氣口之間的齒溝長(zhǎng)度又達(dá)到最長(zhǎng)，進(jìn)氣過(guò)程又再進(jìn)行。
從上述工作原理可以看出，螺桿壓縮機(jī)是一種工作容積作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的容積式氣體壓縮機(jī)械。氣體的壓縮依靠容積的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，而容積的變化又是借助壓縮機(jī)的一對(duì)轉(zhuǎn)子在機(jī)殼內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到。
2.3螺桿式空氣壓縮機(jī)的缺點(diǎn)
（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是最低壓力值，即能夠保證用戶(hù)正常工作的最低壓力。一般情況下，Pmax、Pmin之間關(guān)系可以用下式來(lái)表示:
Pmax＝(1＋δ)Pmin
δ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供氣的工作壓力上，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: 壓縮空氣壓力超過(guò)Pmin所消耗的能量
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)減壓閥減壓至接近Pmin。這一過(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)放空閥放空。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)螺桿做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，據(jù)我們測(cè)算，空壓機(jī)卸載時(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。
眾所周知，能源的開(kāi)發(fā)和控制是一個(gè)世界性的課題，它直接關(guān)系到人類(lèi)的生存和發(fā)展。沒(méi)有哪一個(gè)國(guó)家不在奮力尋求解決能源問(wèn)題的有效方案。能源的有效方案。能源的儲(chǔ)量是有限的，解決能源問(wèn)題的重點(diǎn)自然就落到了能源控制和節(jié)能上。節(jié)電節(jié)能控制受到政府的重視，中國(guó)這個(gè)能源消耗市場(chǎng)，節(jié)電不僅是良好的外部政策環(huán)境，同時(shí)擁有無(wú)可估量的用戶(hù)需求。當(dāng)前中國(guó)能效方面是一個(gè)巨大的空白市場(chǎng)，誰(shuí)能占領(lǐng)這個(gè)市場(chǎng)，誰(shuí)將獲得無(wú)法估量的回報(bào)。
3螺桿式空氣壓縮機(jī)改造方案的設(shè)計(jì)
針對(duì)原有供氣控制方式存在的諸多問(wèn)題，經(jīng)過(guò)上述對(duì)比分析，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制。采用這一方案時(shí)，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智能調(diào)節(jié)器，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P0。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)從靜止到旋轉(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。
具體的控制系統(tǒng)流程圖如圖2所示。
圖2 恒壓供氣控制系統(tǒng)流程圖
4空壓機(jī)變頻控制系統(tǒng)配置
4.1JD-BP37-280F高壓變頻器
該變頻器的主要特點(diǎn):
變頻器的主要參數(shù)
額定 輸出 | 額定功率（KW） | 280KW |
額定電流（A） | 33.6A |
過(guò)載能力 | 120%連續(xù)，150%一分鐘 |
額定電壓（KV） | 三相：0-6KV |
波形 | SPWM正弦波 |
輸 入電壓 | 相數(shù)、頻率、電壓 | 三相，50Hz， 6KV |
允許波動(dòng) | 電壓：-20%～+15%，頻率：±10% |
基本性能 | 啟動(dòng)頻率 | 1.1Hz |
精度 | 模擬設(shè)定：最高頻率設(shè)定值的0.3%（25±10℃）以下 數(shù)字設(shè)定：最高頻率設(shè)定值的0.01%（-10—50℃）以下 |
分辨率 | 模擬設(shè)定：最高頻率設(shè)定值的二千分之一 數(shù)字設(shè)定：0.01Hz（99.99Hz以下），0.1Hz（100Hz以上） |
效率 | >96%，額定輸出時(shí) |
保護(hù)功能 | 電機(jī)過(guò)電流、單元過(guò)電流、過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱、失速、外部報(bào)警等 |
環(huán) 境 | 使用場(chǎng)所 | 室內(nèi)，沒(méi)有腐蝕或?qū)щ娦詺怏w、灰塵、直射陽(yáng)光 |
環(huán)境溫度/濕度 | -10—40℃/20—90%RH 不結(jié)露 |
振動(dòng) | 4.9m/s2（0.6g以下） |
貯存溫度 | -20—65℃（適用運(yùn)輸?shù)榷虝r(shí)間的保存） |
冷卻方式 | 強(qiáng)迫風(fēng)冷 |
外型尺寸(mm) | 6600×2300×1200（長(zhǎng)*高*寬） |
重量(Kg) | 約6000 |
4.2 PID智能控制器
北京金立石PID智能控制器一個(gè)，型號(hào): XM808-6，單路輸入為4~20mA模擬信號(hào)，單路輸出為0~5V的電壓信號(hào)，測(cè)量精度0.2%，北京金立石電子科技發(fā)展有限公司。
4.3壓力變送器
壓力變送器一個(gè)型號(hào): HRK 2S 1G 1F 2Y 5F3 0-1.6Mpa，量程:0~1.6Mpa，輸出4~20mA的模擬信號(hào)。精確度0.5%FS。廠家: 北京虹潤(rùn)儀表有限公司。
5項(xiàng)目改造
改造中在排風(fēng)管道出口安裝壓力變送器以檢測(cè)氣體壓力變化，并將輸出信號(hào)傳輸給高壓變頻器上的PID，PID檢測(cè)出口壓力的變化，并自動(dòng)調(diào)整輸出電壓，高壓變頻器根據(jù)PID的輸出電壓變化來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行頻率，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速改變出口的壓力。當(dāng)高壓變頻器調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，高壓變頻器給出跳閘信號(hào)，再人為的轉(zhuǎn)到工頻運(yùn)行。主回路改造圖如下：
圖3 變頻器主回路圖
圖中QF為高壓控制斷路器，QS1、QS2、QS3為單刀單擲刀閘，其中工、變頻回路的刀閘實(shí)現(xiàn)電磁和機(jī)械互鎖。當(dāng)QS1閉合時(shí)，QS3不能合，只能合QS2；QS3吸合時(shí)QS1、QS2不能合。這就確保了主回路的安全與可靠。
6結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)一系列的反復(fù)調(diào)整，變頻器啟動(dòng)時(shí)間是20S,下降時(shí)間是25S，最終系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在40.5~42.5Hz的頻率范圍，管線壓力基本保持在0.68Mpa，供氣質(zhì)量得到提高。改造后空壓機(jī)的運(yùn)行安全、可靠，同時(shí)達(dá)到了煤礦用氣的工藝要求。
作者簡(jiǎn)介
高昌起 男 技術(shù)支持工程師，供職于山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司。
楊敬文 男 機(jī)電工程師，供職于冀中能源邯礦集團(tuán)陶二煤礦。
參考文獻(xiàn)
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3.《山東新風(fēng)光電子使用手冊(cè)》山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司
