張俊紅

（金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西西安710077）

0 前言

金堆城鉬業(yè)公司鉬粉某分廠850 Nm3/h精脫碳脫水氫氣回收系統(tǒng)，安裝有2臺110 kW的往復(fù)式活塞壓縮機(jī)，給氫氣循環(huán)提供動力的同時使氫氣達(dá)到提純所需的工作壓力，2臺壓縮機(jī)工作狀態(tài)為一用一備，壓縮機(jī)起動方式采用自藕降壓啟動，壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)供氣量為850 N3/h，提供壓力為0.6 MPa。然而由于生產(chǎn)上氫氣用量的不均勻性，用氣量是在動態(tài)變化的，在實際使用過程中，有時只需要500 N3/h的氫氣量，且供氣壓力最低時需要0.4 MPa，而壓縮機(jī)在全速運(yùn)行，大量的氣體需要通過回流閥，壓縮機(jī)做了很多無用功；另外壓縮機(jī)在啟動過程中，需要較大啟動電流，對電網(wǎng)有較大的沖擊，影響電網(wǎng)內(nèi)其它用電設(shè)施的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，壓縮機(jī)總是在額定轉(zhuǎn)速下工作，機(jī)械磨損大，對壓縮機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)也提出了更高的要求。因此很有必要對原有壓縮機(jī)的控制方式進(jìn)行改變，減少壓縮機(jī)啟動過程對電網(wǎng)的沖擊，同時減少功率損失。

1 常用幾種壓縮機(jī)啟動控制方法

大功率壓縮機(jī)啟動控制方法主要有：星形－三角形（Y－△）降壓啟動控制、自藕降壓啟動控制、軟啟動器控制、變頻器控制等。各種啟動方式有各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)不同的工況選用不同的啟動方式。

1.1 星形－三角形（Y－△）降壓啟動

星形－三角形降壓啟動是指電動機(jī)啟動時，把定子繞組接成星形（Y），以降低啟動電壓，限制啟動電流；待電動機(jī)啟動后，再把定子繞組改接成三角形（△），使電動機(jī)全壓運(yùn)行。只有正常運(yùn)行時定子繞組作三角形（△）聯(lián)接的異步電動機(jī)才可采用這種降壓啟動方法。電動機(jī)啟動時，接成星形，加在每相定子繞組上的啟動電壓只有三角形接法直接啟動時的1/3，啟動電流為直接采用三角形接法時的1/3，啟動轉(zhuǎn)矩也只有三角形接法直接啟動時的1/3。所以這種降壓啟動方法，只適用于輕載或空載下啟動。星形－三角形降壓啟動的最大優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，價格低，因而獲得較廣泛的應(yīng)用。缺點(diǎn)是只用于正常運(yùn)行時為Δ接法的電動機(jī)，降壓比固定，有時不能滿足啟動要求。

1.2 自耦降壓啟動

自耦變壓器降壓啟動是指電動機(jī)啟動時利用自耦變壓器來降低加在電動機(jī)定子繞組上的啟動電壓。待電動機(jī)啟動后，再使電動機(jī)與自耦變壓器脫離，從而在全壓下正常運(yùn)動。自耦變壓器副邊有2～3組抽頭，如2次電壓分別為原邊電壓的80％、60％、40％。自耦變壓器降壓啟動優(yōu)點(diǎn)：可以按允許的啟動電流和所需的啟動轉(zhuǎn)矩來選擇自耦變壓器的不同抽頭實現(xiàn)降壓啟動，而且不論電動機(jī)的定子繞組采用Y或Δ接法都可以使用。缺點(diǎn)：設(shè)備體積大，投資較貴，啟動完成后不能改變負(fù)載的運(yùn)動狀況。

1.3 軟啟動器控制

STR軟啟動器采用3對反并聯(lián)的晶閘管串接于交流電機(jī)的定子回路上。利用晶閘管的電子開關(guān)作用，通過微處理器控制其觸發(fā)角的變化來改變晶閘管的開通程度，由此來改變電動機(jī)輸入電壓的大小，以達(dá)到電動機(jī)軟啟動的目的。當(dāng)啟動完成后軟啟動器輸出達(dá)到額定電壓。

軟啟動器控制相對于自藕降壓啟動和星三角啟動有以下優(yōu)勢：1）減少起動過程引起的電網(wǎng)電壓降使之不影響共網(wǎng)其它電氣設(shè)備的正常運(yùn)行；2）減小電動機(jī)的沖擊電流，沖擊電流會造成電動機(jī)局部過熱，危害電動機(jī)壽命；3）減小硬起動帶來的機(jī)械沖力，機(jī)械沖力將加速傳動機(jī)械（軸、嚙合齒輪等）的磨損；4）減少電磁干擾，沖擊電流會以電磁波的形式干擾電氣儀表的正常運(yùn)行；5）可靠性高、維護(hù)量小以及參數(shù)設(shè)置簡單?？傊?，軟起動使電動機(jī)可以起停自如，提高作業(yè)率，因而有其重要作用。

然而軟啟動器也有缺陷，不能長時間用于啟動扭矩要求很高的電動機(jī)驅(qū)動裝置上。這種局限性主要因為，軟啟動器實際上是靠將自身電壓斜坡式抬升至最大值（而在停機(jī)過程中又逐漸下降至設(shè)定的關(guān)機(jī)水平）來完成工作。由于扭矩與電壓平方成正比，連接電動機(jī)不從一開始就達(dá)到最大扭矩，因此，軟啟動器更適合于風(fēng)機(jī)、水泵、風(fēng)扇、傳送帶、電梯等輕型易啟動的設(shè)備。

1.4 變頻器啟動

以上3種控制方式只能在某些程度減少壓縮機(jī)在啟動過程中對電網(wǎng)的沖擊，在壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中無法改變壓縮機(jī)的工作狀況，不能改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此也不能起到真正節(jié)能作用。而利用變頻器控制壓縮機(jī)，不僅可以實現(xiàn)軟啟動功能，減少啟動過程電流過大對電網(wǎng)的沖擊，同時可以實現(xiàn)改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)節(jié)能效果，另外采用變頻器控制方式還有以下優(yōu)點(diǎn)：1）降低電力線路的電壓波動；2）啟動時需要的功率更低；3）可控加速功能；4）可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限；5）受控的停止方式等。

2 壓縮機(jī)節(jié)能原理分析

根據(jù)流體力學(xué)可知，可從以下公式分析壓縮機(jī)電動機(jī)的軸功率與其壓縮量Q、氣壓H之間的關(guān)系是：

P∝Q×H

當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速從n1變化到n2時，Q、H、P之間的關(guān)系為：

Q2/Q1=n2/n1

H2/H1=（n2/n1）2

P2/P1=（n2/n1）3

排氣壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，壓縮機(jī)的壓縮量與轉(zhuǎn)速成正比，電動機(jī)消耗的功率與電動機(jī)的轉(zhuǎn)速的3次方成正比。當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速降低時，壓縮機(jī)所消耗的電能按3次方比例關(guān)系下降。而在實際工礦中，為滿足系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定和平衡，通常采用回流閥控制供氣量和氣壓，能量損失嚴(yán)重。通過以上關(guān)系分析，在壓縮機(jī)總排氣量大于供氣量時，通過降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)供氣壓力，是達(dá)到壓縮機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有效方法。

3 變頻控制的實現(xiàn)

3.1 設(shè)備選型

通過分析，變頻啟動是壓縮機(jī)啟動和正常運(yùn)轉(zhuǎn)的最優(yōu)選擇。通過降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)供氣壓力，是達(dá)到壓縮機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有效方法。而變頻調(diào)速方法，是一種高效的調(diào)速方法。考慮在儲氣罐上安裝1只壓力變送器，將壓力信號反饋到變頻器的端子上，構(gòu)成恒壓供氣系統(tǒng)，供氣壓力0.6 MPa。本例選用1臺森蘭SB12S132變頻器，SB12變頻器是專門用于風(fēng)機(jī)、水泵變頻調(diào)速，對風(fēng)機(jī)、水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)控制具有PID調(diào)節(jié)控制的智能型變頻調(diào)速器，由高性能微處理器控制，功能齊全，操作簡便。

為節(jié)約成本，本系統(tǒng)采用1臺變頻器控制2臺壓縮機(jī)，壓縮機(jī)通過接觸器與變頻器連接，為避免2臺壓縮機(jī)同時啟動，接觸器考慮了互鎖裝置，保證每次允許1臺壓縮機(jī)工作。

3.2 變頻器恒壓控制原理圖

3.3 控制實現(xiàn)過程

圖中ST1和ST2為兩位手柄控制開關(guān)，M1和M2分別為2臺壓縮機(jī)。啟動壓縮機(jī)前，通過空氣開關(guān)QF為系統(tǒng)供電，然后通過ST1和ST2選擇啟動的壓縮機(jī)，接觸器吸合后通過開關(guān)SB3啟動變頻器開始工作。工作過程中變頻器通過傳感器采集到壓力信號后與系統(tǒng)設(shè)定的壓力進(jìn)行對比，通過變頻器調(diào)節(jié)控制變頻器頻率。

圖1 變頻器恒壓控制原理圖

4 注意事項

由于配電房距壓縮機(jī)安裝現(xiàn)場有100 m距離，為了防止對系統(tǒng)其它控制信號干擾，必須對壓縮機(jī)用電纜進(jìn)行單獨(dú)布線，或者采用屏蔽的方法。鎧裝電纜不緊可以增強(qiáng)抗拉強(qiáng)度，也可以增加防電磁干擾能力，此處根據(jù)現(xiàn)場條件運(yùn)用鎧裝電纜，保證了其他控制信號的穩(wěn)定。

5 改造后效果

（1）電動機(jī)啟動過程為軟啟動，對電動機(jī)、壓縮機(jī)和電網(wǎng)的沖擊大為減小。

（2）延長了設(shè)備的使用壽命，減少了設(shè)備的維修量和維修費(fèi)用。改造前，壓縮機(jī)的油封環(huán)、閥片等至少每1個月需要檢修1次，改造完成后，壓縮機(jī)使用壽命提高1倍。

（3）進(jìn)一步完善了保護(hù)功能，如熱保護(hù)、過電流、過電壓、欠電壓、短路、缺相等保護(hù)功能。

（4）操作簡便，運(yùn)行平穩(wěn)、壓縮機(jī)溫升正常，噪聲、振動減小。

6 節(jié)能效果

6.1 變頻節(jié)能

電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行，除達(dá)到動力驅(qū)動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費(fèi)。采用該系統(tǒng)，產(chǎn)品氣壓力過高時，可降低電機(jī)的運(yùn)行速度，使其在恒壓的同時節(jié)約電能。

6.2 提高功率因數(shù)節(jié)能

采用變頻節(jié)能調(diào)速器后，由于其性能已變?yōu)閍c－dc－ac，在整流濾波后，負(fù)載特性發(fā)生了變化。變頻調(diào)速器對電網(wǎng)的阻抗特性呈阻性，有較高的功率因素，減少了無功損耗。

6.3 節(jié)能效果

改造前壓縮機(jī)在工頻狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)變頻器前電流為170 A；改造后壓縮機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定后，變頻器頻率為43 Hz，變頻器前正常運(yùn)轉(zhuǎn)電流為130 A。改造前每天用電量 W=1.732×I×U ×24/1 000 =2 685.3 kW·h，改造后每天用上述公式計算用電量為2 053.5 kW·h，每年節(jié)約用電230 607 kW·h，節(jié)能率為23.53％。按照每度電0.5元計算，每年節(jié)約成本115 303.5元，1年即可回收投資成本。

7 結(jié)論

壓縮機(jī)改造完成后，啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和壓縮機(jī)易損件的使用壽命，提高了設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率，同時也降低了維護(hù)成本。特別是在節(jié)能方面，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過半年的運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期的目的。

［1］徐甫榮.大功率風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2001，12：649－652.

［2］支成勇.高壓大功率交流電機(jī)的軟啟動制原理及應(yīng)用［J］.控制與傳動，2006，（6）：32－34.

［3］韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用（第2版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［4］鄭忠.新編工廠電氣設(shè)備手冊［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1994.

［5］中國電氣工業(yè)協(xié)會變頻分會組.低壓變頻器應(yīng)用手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.4.