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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,對壓縮空氣供應系統采用恒壓變流量供氣方案改造。通過工程實際運行數據分析得出,采用恒壓變流量供氣改造后,可節約空壓系統總能耗11.2%。并根據變頻改造設計運行實踐,給出變頻空壓機和控制元件的設計選型原則。認為:采取壓縮空氣恒壓變流量供氣改造,可大幅節約壓縮空氣系統耗能。

噴氣織機依靠壓縮空氣作為動力投緯,要求壓力穩定,流量充足。企業為了保持噴氣織機的產量和效率,均對壓縮空氣的供氣系統設置較大的富余量,但由于織機在運行中速度高低調節、車間停臺變化等因素,壓縮空氣的用量均在一定范圍內浮動,這就會造成部分空壓機處在卸載運行狀態。由于空壓機裝機功率高,處在卸載運行狀態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,可不產生卸載能耗,實現空壓系統的運行節能。

1噴氣織機空壓系統特點

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)。產量和速度的調節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合工作的配置方法。由于空壓機降壓運行產氣量大于額定壓力產氣量。空壓站額定供氣量和實際產氣量均有較大富余。

螺桿式空氣壓縮機為恒轉矩負載,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,電機工作在重負載狀態運行,不斷向后端管路中供氣。當后端管道中的壓力達到設計上限值,壓力控制器發出卸載信號,進入卸載過程。卸載過程中壓縮機進氣閥關閉,電機在空負載狀態工作。

由于噴氣織機用氣的工作特點和生產工藝的差別,使車間用氣量經常發生波動,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,對電網產生沖擊,常規控制方法采用空壓機卸載后仍然工頻運轉。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,實現恒壓變流量供氣提供了基礎。

2恒壓變流量供氣

所謂恒壓變流量供氣,就是設定不同流量下供氣管網壓力恒定,利用管網壓力的變化控制變頻器,從而控制空壓機的轉速,實現即時響應供氣流量變化。

2.1空壓機變頻調速

空壓機變頻器工作原理是將電網輸入的工頻三相交流電經過整流后變成直流電,再經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節,實現輸出三相交流電頻率的變化,對電動機轉速進行無極調節。

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速,實現恒壓變流量供氣方案。系統工作時,壓力變送器將壓縮空氣輸出端的壓力轉變為電信號送入PID智能控制器與壓力設定值P0比較,并根據差值的大小按給定控制模式進行運算,產生控制信號。通過變頻器控制電機的轉速,使實際壓力始終接近設定壓力,維持壓縮空氣系統恒壓。當壓縮空氣系統用量增加時,變頻器運行頻率逐漸升高為50Hz,如果系統壓力依然不足,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的壓力穩定。系統中變頻空壓機隨時調整轉速,調整壓縮空氣的產量。

當系統需用壓縮空氣超過變頻空壓機的產量調整范圍時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。根據系統壓縮空氣的用量,循環啟動、循環待機的工作方式實現了供氣量的連續調節,維持壓縮空氣系統壓力的穩定,減少壓縮空氣系統中其他空壓機因待機而產生的能量損失節約了能源。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。按生產工藝要求,織機分兩個區布置,每個區120臺。單個系統壓縮空氣最大用量120Nm3/min。空壓站原配備ZR400型水冷無油螺桿空壓機4臺,工頻運行。單臺產氣量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,單臺產氣量50.2Nm3/min,供氣壓力0.86MPa,裝機功率315kW。空壓站系統簡圖如圖2所示。

3.2運行控制方案

系統運行時,若車間用氣量逐步增加時,變頻空壓機優先啟動,通過調節電機轉速來達到要求;當變頻空壓機的頻率達到50Hz其出氣量仍無法滿足要求時,便加入1臺常規工頻空壓機運行,變頻空壓機則通過轉速調節來滿足要求,當變頻空壓機的頻率再次達到50Hz仍無法滿足要求時,則加入第2臺工頻空壓機來運行,直至達到車間用氣量平衡。反之,如果系統用氣量不高,當壓力或出氣量太富余時,則減去相應的工頻空壓機。車間滿負荷生產時,工頻空壓機運行3臺,變頻空壓機運行1臺,備用機組1臺。設定產氣壓力0.60MPa,空壓站銘牌產氣量238.9Nm3/min,實際產氣量可達289Nm3/min,變頻空壓機負載率在50%~80%之間,能夠滿足生產需要。

管網恒壓力變流量設定原則:根據用戶要求,先設定給定壓力值P0,然后通電運行,壓力傳感器監測管網壓力,轉變為電信號反饋至智能控制器,智能控制器經過對反饋值和設定值的分析處理,輸出控制變頻器的信號,由變頻器來控制空壓機的運行,最終達到反饋值和設定值的一致;當用氣量增加時,系統壓力降低,反饋值小于設定值,變頻器輸出電壓和頻率升高,空壓機轉速升高,出氣量增加。當用氣量減小時,空壓機轉速降低,減少出氣量,使管網壓力始終維持設定壓力值。

3.3運行數據檢測

為便于比較分析,分別采用4臺工頻空壓機聯合運行、3臺工頻空壓機+1臺變頻空壓機聯合運行的兩種方案,測試數據如下。工頻運行狀態:車間滿負荷生產情況下,4臺工頻空壓機運行,理論供氣量251.6Nm3/min，設定最高供氣壓力0.70MPa,最低供氣壓力0.60MPa,按單臺運行67.5h,合計運行時間270h統計。空壓機人機界面顯示,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:車間滿負荷生產情況下,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,理論產氣量50.2Nm3/min,合計理論產氣量238.9Nm3/min,設定供氣壓力0.60MPa,壓力浮動范圍暲0.05MPa。也按運行時間270h統計,現場實測電流,工頻機運轉電流640A,變頻空壓機運轉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節能分析

采用相同的車間生產狀況,兩種運行狀態的節能比較見表2。其中,電機功率計算公式按N=1.732IUcosφ;功率因數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后,空壓系統節電功率149.15kW,節電率11.2%。每年按7875h運行時間計算,每年可節電1.1746暳106kW·h;按電費0.7元/(kW·h)計算,每年可節約電費82.2萬元。變頻空壓機及系統改造投資110萬元,一年半內可收回全部設備改造投資。

4恒壓變流量供氣設計運行原則

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該相等,理論供氣量應小于工頻空壓機。如果兩者供氣量相等或接近,則變頻空壓機的運行狀態就與工頻空壓機一樣,失去了應有的作用;如果變頻空壓機的理論供氣量過小,不能起到很好的調節作用。綜合考慮這兩種情況,選擇1臺產量為工頻空壓機60%~70%產氣量的變頻螺桿空壓機較為合適(其余負荷因用氣壓力波動由空壓機的壓力調節變動滿足),這樣也可使變頻器的容量減小,降低設備投資費用。從表1可以看出,本工程由于變頻空壓機容量略大,產氣量調節范圍較大,但由于車間設備用氣量變化范圍較小,變頻空壓機實際調節范圍有限。

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)需根據車間運行情況的用氣量范圍來確定。從試驗數據來看,當頻率低于額定頻率30%時,空壓機系統的效率明顯下降。從電機運行特性來看,由于壓縮機的恒轉矩特性,當電機在額定頻率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節范圍在額定頻率40%~100%為宜。本工程最低頻率控制在額定頻率的60%(30Hz)已經完全滿足車間用氣量浮動的要求。

4.3變頻設計控制要點

根據設計運行經驗,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矩特性,應優先選擇矢量型或直接轉矩型變頻器為宜,對于250kW及以上的普通螺桿壓縮機變頻改造時,一般應在變頻器輸出端加入電抗器以改善電機的運行狀態;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,應考慮冷卻水量的調節問題。壓力變送器應選擇能夠抵抗較強電磁干擾的型號。

5結論

(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合工作。

(2)通過與工頻運行狀態的比較,恒壓變流量供氣系統具有穩定系統壓力,隨時適應車間用氣量變化。在變頻運行空壓機自動調壓的同時,可降低工頻運行空壓機電流,實現空壓系統綜合節能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矩型變頻器。變頻器控制范圍宜控制在工頻頻率的40%~100%。