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改造前德耐爾空壓站問題的提出
通常德耐爾空壓站由多臺德耐爾空壓機組成，每臺德耐爾空壓機都由一臺電機拖動，獨立進行控制。在實際工作中，德耐爾空壓站按更大工作負荷而設計的，所以在用氣量少時，啟動1-2臺機組，用氣量大時，啟動多臺并聯運行，在系統預設管網壓力值,系統將自動根據預設的壓力值的下限與上限進行自動的加載和卸載，用來滿足用氣量。德耐爾空壓站這種控制方式，帶來許多問題。如：螺桿式德耐爾空壓機氣量的供求關系主要表現為排氣壓力的變化,當排氣量正好滿足生產用氣量要求時,儲氣壓力保持不變,但由于生產用風量的不均衡,而裝機容量需根據生產更大用風量并留有余量設計,故實際運行中德耐爾空壓機供風量遠大于實際用風量。若德耐爾空壓機仍恒速運轉,則儲氣罐內的氣體壓力越來越大,當罐內壓力上升達到設定壓力時,一般采用兩種辦法:一種是德耐爾空壓機卸荷運行（關閉入氣閥）,不產生壓縮氣體,電動機處于空載運轉,其用電量仍為滿負載的30% ～50% , 還有德耐爾空壓機是大轉動慣量負載，電機空載起動時所需的功率大致相當于滿載運行所消耗2-3倍，運行時間約為5-60S，在頻繁起動控制排氣量時，對電網沖擊大，能耗明顯增加，這部分電能也被白白浪費廢掉;另外一種辦法是停止德耐爾空壓機運行,但將會帶來電動機的頻繁啟動。德耐爾空壓機的空載啟動電流大約是額定電流的5～7倍,對電網及其它用電設備沖擊較大,同時使德耐爾空壓機的使用壽命也會縮短。為滿足生產設備用氣要求,儲氣罐內空氣運行壓力通常設為0. 55～0. 65MPa,壓力設定范圍太大則會形成管路高壓力，高傳送損耗，漏氣，而且氣壓大范圍波動無法滿足現代生產工藝的需求。
變頻器改造節能方案
變頻恒壓控制方式是通過系統A/D﹑D/A+變頻器內置的PID自動調節輸氣量與設定量的差值，使壓力恒定，系統壓力通過壓力變送器將管網壓力轉變成電信號送到系統,經過系統的計算后通過D/A轉換成摸擬信號給變頻器的PID調節單元,使德耐爾空壓站的拖動電機通過變頻器輸出相應的轉速來控制德耐爾空壓機的運行速度及臺數，使實際壓力與設定壓力相等來達到恒壓目的，實現供氣的連續調節，保證管網壓力穩定。變頻器恒壓供氣系統是根據管網瞬時用氣量的變化自動調節德耐爾空壓站中央德耐爾空壓機的轉速和運轉臺數，使管網壓力始終保持恒定的設定壓力，從而達到了德耐爾空壓機的節能降耗和提高供氣質量的目的，同時實現了控制過程的自動化，并且對德耐爾空壓機進行了超壓、過載、過流、欠壓等自動報警保護。
工作原理
通過檢測儲氣罐壓力,實現系統的壓力閉環控制,自動調節德耐爾空壓機的轉速和德耐爾空壓機的運轉臺數。改造后的德耐爾空壓站控制系統由兩個基本系統組成,即恒壓變頻調速系統和微機控制參數監測管理系統。系統工作時,壓力變送器YB將總管壓力P轉變為電信號送入A/D與壓力設定值Po 比較,并根據差值的大小按給定控制模式進行運算,產生控制信號送變頻調速器,通過變頻器控制電機的轉速,通過控制系統,控制德耐爾空壓機運行的臺數,使實際壓力P始終接近設定壓力Po。在用風系統需一臺德耐爾空壓機運行時,單臺德耐爾空壓機變頻運行維持恒壓供風;當用風系統風量不足時,變頻器運行頻率升高為50Hz，（或當電機運行速度接近工頻速度時通過自動延時轉為工頻運行）,再啟動另一臺德耐爾空壓機變頻運行維持恒壓供風，這樣如此類推。多臺德耐爾空壓機都由變頻器來啟動,實現帶載軟啟動,避免了啟動沖擊電流和啟動給德耐爾空壓機帶來的機械沖擊。系統循環帶載軟啟動、循環停機的工作方式,實現了供氣量的連續調節,保證了總管壓力穩定。如圖:
改造后系統運行特點
1） 風壓幅值變化小
由于該變頻器是以壓力控制的,即保持恒值,使壓力- 轉數- 功率達到動態匹配,在設定的壓力下穩定運行。實測使用變頻運行時,其壓力變化幅值為0. 034MPa即在設定壓力為0. 5MPa時,其壓力在0. 486～0. 52MPa區間變化。而工頻運行時,在同樣的條件下,其壓力在0. 368～0. 523MPa區間變化,其變化幅值為0. 155MPa。因風壓幅值變化小,使用風負荷穩定,供風質量好,生產效率高。
2） 噪音低
使用變頻運行時,機房平均噪音為72dB （A） ,排氣時機房噪音平均為81. 125 dB （A） ,不排氣時機房噪音平均76. 625 dB （A） 。使用變頻比使用工頻運行排氣時平均降低噪音9. 125 dB （A） ,不排氣時平均降低噪音4. 625 dB （A） 。由于噪音降低,改善了工作環境。
3） 操作簡便
使用變頻運行,只要按動起動按鈕就可使設備運行。甩掉了傳統的減荷閥控制,省去了繁瑣的操作程序,同時,可實現多臺電動機循環軟啟動,消除了電機起動時對電網大電流的沖擊現象。
4） 節約德耐爾空壓機潤滑油40%
采用變頻調速后,在德耐爾空壓機低轉速運行時,潤滑油耗量也就變小,即所謂"低轉速,低潤滑"。以4L220 /3型德耐爾空壓機為例,據統計測算,使用工頻運行時,潤滑油平均每小時用105g,而使用變頻運行平均每小時有42g就夠了。
5） 延長設備使用壽命
由于變頻器保持恒定值的優點,使之壓力- 轉速- 功率達到動態匹配,轉數明顯降低,一般情況在220～584 r /min之間,機械磨損減小,延長設備的使用壽命。
6） 提高運行可靠性
原電控系統與改造后電控系統可互為備用,提高了運行可靠性,同時各項保護措施更加完善。
節能效果分析
設Po 為現有德耐爾空壓站的壓力設定值。系統改造前,因人工控制方式下送氣量不能連續調節,為保證正常供氣,須使壓力在Po 附近上下波動。Pmax是最高壓力值,當管網壓力達到此值時,德耐爾空壓站關閉吸氣閥使電機處于空轉狀態。Pmin是最低壓力值,即能夠保證用氣設備正常工作的最低壓力,當管網壓力達到此值時,德耐爾空壓站重新開啟吸氣閥。一般情況下,Pmax、P0、Pmin之間關系可以用下式來表示:
Pmax = （1 + 2δ） Pmin
P0 = （1 +δ） Pmin
δ是一個百分數,其數值大致在15% ～30%之間,即15% ≤δ≤30%。改造后,系統可連續調節供氣量使管網壓力恒定,因此,可將壓力設定在能滿足設備用氣的最低壓力值Pmin附近。改造后系統所節約的能量主要分析為:
（1） 超過Pmin的壓力所消耗的能量
改造后德耐爾空壓機對氣體所做的功可以表示為W = Pmin ×Qmin ,可以假設改造前壓力常年工作在P1附近,此時德耐爾空壓機所做的功可以表示為:
W1 = （ Pmin +ΔP） （Qmin +ΔQ）,式中的ΔP =δPmin、ΔQ ≈ Qo - Qmin ,若假設系統改造前、后的管網的情況和用氣的工況不變, P -Q之間的管阻曲線是一條二次曲線,通常情況下可以用直線來表示。則系統改造后的節能率η可以表示為:
η = （W1 - W ） /W1=1 - W /W1
由計算可知,節能率η的值可達相應δ值的一倍以上,因此超壓部分的節能潛力很大。
（2） 調節方法不合理所消耗的能量
通常情況下,當壓力達到Pmax時,德耐爾空壓機通過關閉吸氣閥使電機空轉調節排氣量,但德耐爾空壓機在空轉中還是帶動活塞或螺桿運動,此時的能耗約占德耐爾空壓機滿載運行時的30% ～50%,將這部分能量節省下來的數量,也相當可觀。
（3） 電機起動時所消耗的能量
德耐爾空壓機是大轉動慣量負載,電機空載起動時所需的功率大致相當于電機滿載運行時所消耗功率的2～3倍,時間約為1min,這部分能耗在大多數德耐爾空壓站中不占主要部分,在某些靠頻繁起動來控制排氣量的德耐爾空壓站時,這部分能耗就顯得很大。
結語
本系統利用變頻器實現多臺德耐爾空壓機的變頻節能改造,在降低投資的同時實現更佳節能效果,既降低開機、停機時瞬間電流沖擊對電氣和機械設備的影響,又提高了設備運行的可靠性，系統至今運行十分正常,滿足了生產的需要,達到了預期節能效果。
如一臺45KW的德耐爾空壓機為例:45KW X 90% ＝ 40.5（度/小時）
電費計價￥0.85元/度，使用時間按每月30天,每天20小時，則每月注塑機油泵馬達部分的電費約為：
40.5度/小時X30天X20小時X ￥0.85元/度＝￥20,655元/月
改造后德耐爾空壓機的節電率按平均30%核算，則每月回收效益為:
￥20,655X 30% = ￥6,196.5元/月
年回收效益為:￥6,196.5元/月 X 12月 = 74,358￥元
以上僅為舉例說明，具體數據以試機實測數據為準。
一般情況下，所有投資可于6-10個月內通過電費節省回收。
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作者:德耐爾@德耐爾空壓機 空壓機修訂日期：2012-02-02
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