空气压缩机节能分析及其控制系统的设计.pdf

第 3 期 2 0 0 9年 3月 工矿 自 动 化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n No ． 3 M a r ．2 0 0 9 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 9 0 3 0 0 7 2 0 3 空气压缩机节能分析及共控制系统的设计 甘 方成 ， 刘 百芬 ， 吕福 星 华 东交通 大学 电气学 院 ， 江 西 南 昌3 3 0 0 1 3 摘要 文章根据空气压缩机在生产过程 中的工作原理， 从理论上进行 空气压缩机能耗分析， 得 出了空气 压缩机具有节能空间的结论 ； 详细介绍 了以变频器为驱动核心、 采用压力变送器检测压力变化的空气压缩机 恒压供 气智能节能控制系统的硬件及软件设计。实际应用表明， 该 系统可实现空气压缩机恒压供气， 且节能 效果较 明显 。 关 键词 空气压缩机 ；节 能 ；恒压供 气 ； P I D控 制 中图分 类号 T D 4 4 3 ． 2 ／ 6 0 9 ； T P 2 7 3 文献 标识 码 B 0引言 目前 ， 能源紧缺 、 电力紧张在一定程度上制约了 我国的经济发展 ， 如何降低能源消耗 、 节约能源是大 家关 注 的一 个课 题 。节 能 方式 一 般 有 2种 一 种 就 是通 常所说 的随 手关 灯 的管 理方 式 ； 另 一 种就 是 不 影响正 常生 产工艺 要求 和状 态 的技 术节能 方式 。前 收稿日 期 2 0 0 8 --1 1 --1 0 者属于粗放型节能， 只要提高人员的节 电意识就可 6 8 士 -- , 。 实现 ； 而后 者属 于技术 节能 ， 该-- ． ⋯⋯ 一 i1 丁 以节 省伴2 0 0 3 年毕业于中南大学 ，现 主要从 事 电气 自动 化方 面 的教 学 与 一 ⋯” ⋯⋯ ⋯⋯一 ⋯ ⋯～⋯ ⋯⋯⋯⋯ 科研工作 E - m a i l g f c h 1 2 6 ． 。 。 随在生产过程中的不必要的能量 ， 其实现方法 将设 2 配 置发送 邮箱 并发 送 消息 将 0 ～3号 邮箱 配 置 为发送 邮箱并 设 置 相 应 发送 数 据 长 度 ， 置 位 发 送请求寄存器标志后 即可启动消息发送 ， 消息发送 成 功后 ， 置位 发送 响应标 志 ， 清零后 方可 启动 下一次 发送 ； 3 配置接收 邮箱并接收消息 将对应标 志符 写入 4 ～7 号邮箱相应的寄存器中， 配置为接收邮箱 并设置相应的接收数据长度 ， 当收到消息后 ， 接收邮 箱 未决 寄存 器 中的相 应 标 志 会 被置 位 而 引 发 中 断 ， 此时即可从邮箱 R AM 中读取消息 。 3 ． 3 C AN 通 信 试 验 为 了检 验 C AN 网络 的通 信 是 否 正 常 ， 笔 者 采 用广 州周立 功单 片机 发 展有 限公 司生 产 的 C AN 收 发器及检测软件对 C A N 网络进行数据收发测试。 如图 4所示 ， C AN收发器所接收到的数据通过 检测软件可 以很直观地显示。对各空压机不同 I D 数据帧的长度及数据内容进行分析， 即可了解各空 压机的工作状态及运行参数 。 4结语 该空压机协调运行 C AN通信系统已经在 1 5 0 t 韶 峰矿用机 车上得 以应用 ， 试验证 明C AN通信可 图 4 C AN收发器测试结果界面 靠 、 空压机 协调运 行 正常 。需要指 出 的是 ， 当空 压机 数量过多或需要通信的辅机设备过多时， 若仍采用 方案 3 ， 软件设计会很复杂 ， 一般应倾 向于选择方 案 1来实 现 。 参考文献 [ 1 ] 邹宽 明．C AN总 线原 理 与应用 系统 设计 [ M] ． 北 京 北京航空航天 大学 出版社 ， 1 9 9 6 ． [ 2 ] Te x a s I n s t r u m e n t s I n c o r p o r a t e d ．T MS 3 2 0 C 2 8 x 系 列 DS P的 C P U 与外设 下 [ M] ．北京 清华 大学 出版 社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ] 周广利．矿用机车双机重联列 车通 信网络研究与设计 [ D ] ．成都 西南交通大学 ， 2 0 0 7 ． 2 0 0 9年第 3期 甘方成等 空气压缩机 节能分析及其控制系统的设计 7 3 备的运行状态调节到最佳， 使得在不改变或者不影 响工艺的情况下 ， 采用控制技术改造设备而达到节 能的目的。本文针对南昌市赣江溶剂厂的空气压缩 机现 场运 行情况 ， 设 计 了一 种 以变 频器 为 控 制 核 心 的空气压缩机恒压供气智能节能控制系统。该控制 系统与原有 的控制系统在线路上采用并联方式 ， 并 通过电度表计量 同等时间内所耗电的大小。 1节能原 理 1 ． 1 生 产工 艺要 求 该 溶 剂 厂空 气 压 缩机 房 共 有 2台空 气 压 缩机 ， 并 网使用 ， 正常生 产情况 下为一用一备 。2台空气 压缩机均为 1 3 2 k W 螺杆有油空气压缩机 ， 采用 星 三角降压方式启动 。正常情况下 ， 厂 区内的生产压 力范围为 0 ． 5 ～0 ． 6 MP a ， 即供气压力大 于用气压 力 ， 空 气压缩 机 房 开 1台设 备 。随着 生 产 中用气 量 的变化 ， 高压 储气 罐 的压力 也在 不 断变化 ， 根据 生产 工 艺要 求设备 的上 限压力 定 位 到 0 ． 6 MP a ， 只要 压 力 高于 上 限值 ， 空 气压缩 机 就会 自动 卸载工 作 ， 这时 空气压缩机的电动机空转不带负载， 不产生高压气 体 ， 随着用气量的不停变化 ， 空气压缩机通过不断地 卸载和加载维持用气量和供气量之间的平衡。其 中 加载工作时间为 1 0 0 S ， 加载时电动机的工作电流为 2 6 5 A， 卸载 时间 为 3 0 S ， 卸 载 电动 机 的 工作 电流 为 9 8 A， 运 行时 间为 2 4 h 。 原有空气压缩机 的运行方式为 星三角降压启 动 ， 其工作过程 按下启动按钮 ， 控制 系统接通启动 器线 圈并 打开 断油 阀 ， 空 气 压 缩 机在 卸 载模 式 下启 动 ， 这时进 气 阀处 于关 闭位置 ， 而放 气 阀打开 以排放 油气分离器内的压力 。等降压启动后空气压缩机开 始加 载运行 ， 系 统压力 开始 上升 ， 如果 系统 压力 上升 到压力开关上 限值， 即起跳 压力， 控 制器关闭进气 阀 ， 油 气分 离器放 气 ， 压 缩 机 空 载 运行 ， 直 到 系统 压 力跌到下限值后 ， 即回跳 压力下， 控 制器打开进气 阀 ， 油 气分离 器关 闭放 气 阀 ， 空气 压缩 机重 新开 始满 载运行 。 1 ． 2压缩机 系统 能耗 分析 空气压缩机采用加 、 卸载控制方式使得压缩气 体的压力在 P ～P 之间来 回变化 。P i 为最低 压力值 ， 即能够保证用户正常工作的最低压力； P 为用气设备或者储气罐最大安全压力值 为了安全 ， 有一定的富裕量 。一般情况下 ， P ～P i 之间的 关 系为 P 一 1 P i 1 式 中 是一个百分数 ， 其数值为 1 0 ～2 5 。 空气压缩机属于恒转矩负载 ， 用变频调速 的方 法调整供气量可使 电动机 的输 出功率基本与转 速 供气量 成正比关 系。如果连续调节供气量， 则可 将储气罐压力始终维持在能满 足供 气 的工作压 力 上 ， 即 P i 附近 。由此可知 ， 在加 、 卸载供气控制方 式下的空气压缩机较之变频调速系统控制下的空气 压缩 机 ， 所浪 费 的能量 主要 在 以下 2个部 分 1 压缩空气压力超过最佳工作压力 P i 附近 所 消耗 的能量 。 2 在 压力 达 到最 佳 工 作 压 力 后 ， 原 控 制方 式 使其压力会继续上升 直到 P ⋯ 。这一过程中压缩 机将 会 向外界 释放 更多 的热 量 ， 从 而 导致 能量损 失 。 另一方面， 高于 P 。 的气体在进入气动元件前， 其压 力需 要经 过减 压 阀减 压 至接 近 P ， 这 一 过 程 同样 是一 个耗 能过 程 。 1 ． 3 卸 载 时调 节方 法不合 理所 消耗 的 能量分 析 通常情况下， 当压力达到 P 时 ， 空气压缩机通 过如下方法降压卸载 关闭进气阀使 电动机处于空 转状态， 同时将分离罐 中多余 的压缩空气通过放空 阀放 空 。这 种调 节方 法将 造成 很 大 的能量 浪费 。 关闭进气阀使电动机空转虽然可以使空气压缩 机不需要再压缩气体作功， 但空气压缩机在空转 中 还是要带动螺杆做回转运动 ， 据测算， 空气压缩机卸 载时的能耗约 占空气压缩机满载运行时 的 2 5 ～ 3 5 这还是在卸载时间所 占比例不大 的情况下 。 换 言之 ， 该空 气压 缩机 2 0 以上 的时 间 处 于空 载状 态 ， 在 作无 用 功 。很 明显 ， 在 加 、 卸 载供 气 控 制 方式 下 ， 空气 压缩 机 电动机 存在 很大 的节 能空 间 。 1 ． 4 节能原 理 供电电源的频率 、 产生气体的流量与 电动机 的 转速 成 正 比 ， 空气 压 缩机 产生 的风 压力 H 与 电动 机转速 的平方成正 比， 电动机轴功率 P与转速 n 的立方成正 比。所以， 当电动机的转速降低时 ， 空气 压缩机电动机轴功率成立方关 系下 降， 节能效果非 常显著 ， 如 图 1所示 。 1 0 0 8 0 6 O 、 4 0 2 0 0 ， 一 7 7 ／ ／／ ／ ／ ／／ ／ ， ／／ l／ ／ ／ ／ 一 、 ’ 、 ． ＼ 、 工频泵功率 ⋯⋯ 变频泵功率 ⋯⋯～ 节能 ，／ 功能差 3 O 4 O 5 0 6 O 7 0 8 0 9 0 1 0 0 Q／ ％ P一轴功率 ； Q一流量 图 1 电动机轴功率节能对 比图 7 4 工矿 自动 化 2 0 0 9 年 3月 2 节 能控 制系统 的硬件 设计 针对 原有 的空气 压缩 机供气 控 制方式 存在 的诸 多问题 ， 经过对空气压缩机运行状况的现场测定 ， 笔 者介 绍一 种采 用基 于变频 调速技 术 的空气 压缩机 恒 压供气节能控制系统的设计方案。如 图 2所示 ， 该 控制系统将储气罐压力作为控制对象 ， 压力变送器 YB将储气罐的压力 P转变为电信号送给 P I D智能 调节器， 与压力设定值 P 0 作 比较 ， 并根据差值的大 小按 既定 的 P I D 控制模 式 进 行运 算 ， 产 生 的控 制 信 号送 变频调 速器 VVVF， 通 过 变频 器 控 制 电动 机 的 工作频率与转速 ， 从而使实际压力 P始终接近设定 压力 P。 。同时， 该控制系统还增加工频与变频切换 功能 ， 并保留原有的控制和保护系统 ， 且接入三相电 度表来 对 比节 能 效 果 。另 外 ， 该控 制 系统 采 用变 频 器启动空气压缩机电动机 ， 避免了启动 冲击电流和 启动给空气压缩机带来的机械冲击 。 压力设定值 图 2 空气压缩机恒压供气节能控制系统硬件组成图 3节 能控制 系统 的软件 设计 该控制系统的软件设计主要是 P L C的 P I D程 序设计。系统 P L C采用西门子公 司的 s 7 2 0 0系 列 的 C P U2 2 4型 P L C。模 数 扩展 模 块 E M2 3 5将 设 定 好 的压力与 压力 变 送 器测 量 到 的压 力进 行 比较 ， 经 P L C内置 P I D调节器计算出输出信号 ， 用以控制 变频器的输出频率 ， 使得供气压力维持在给定压力 值 附近 ； 再 通 过给定 压力 和压力 反馈 比较 ， 得到被 控 量气压和期望值的偏差 ； 该偏差经 内置 P I D调节器 计算 出变频器输出的控制异步电动机转速的交流电 频率值 ， 由变频器输出相应频率的交流电， 控制异步 电动机的转速 ， 直到管路压力和设定压力相同。这 样得到的气压相对恒定 ， 且波动 比较小 。 s 7 2 0 0系列 P L C中的 C P U2 2 4提供 了 P I D 运算指令， 应用时与 P L C配套 的 S T E P 7 一Mi c r o ／ Wi n编程软件通过梯形图设定 P I D控制参数后， 执 行指令 P I D T AB L E、L O OP即可完成 P I D运 算。 该控制系统 P L C的 P I D程序流程如图 3所示。 图 3 空气压缩机恒压供气节能控制系统 P L C的 P I D程序 流程 图 4节能控 制 系统的 经济效 益 在不改变原有的设备和工艺技术条件下， 增加 一 个空气压缩机恒压供气节能控制系统 ， 将原有的 控制系统作为旁路 。空气压缩机通常是 2 4 h运行， 节 电投资回报周期 一投资总额／ 月节约电费， 具体数 据 如 下 月节约电费 I 元一电动机功率 负载率 每天工作 时 间 每 月 工作 时 间 电 费单 价 节 电率 一 1 3 2 0．9 24 X 2 0 0．6 0 25 一 8 5 5 3． 6 可见， 采用空气压缩机恒压供气节能控制系统 1 年 可节 约 电费 1 0 2 6 4 3 ． 2元 ， 节 电效 果非 常 明显 。 5 结 语 本 文在 分 析 空气 压 缩 机工 作 原理 的基 础 上 ， 着 重介绍了一种基于变频调速技术的空气压缩机恒压 供气节能控制系统。实际应用表 明， 该控制系统可 节 约 电能 、 提 高控 制 性 能 、 减小 节 流 损 失 、 延 长设 备 使用寿命 、 降低维修费用 ， 具有一定的实用价值 。 参考文献 [ 1 ] 杨公 源．常用变频器应用实例E M] ．北京 电子工业 出 版社 ， 2 0 0 6 1 7 9 ～2 3 2 ． E 2 ] 林 渊辉．空气 压缩 机 恒 压 供 气 系 统 [ J ] ．能 源 技 术 ， 2 0 0 6 3 5 9 ～ 6 1 ． [ 3 ] 王言荣．基于 P I C单 片机 的螺杆式空气 压缩机小型控 制器[ J ] ．工业控 制计算机 ， 2 0 0 5 8 4 9 ～5 1 ． E 4 ] 张义杰． 变频器在空 气压缩 机上 的应用[ J ] ． 工矿 自动 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