全提高SM250空压机变频运行稳定性的研究及应用.docx

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全提高SM250空压机变频运行稳定性的研究及应用

提高SM250空压机变频运行稳定性的研究及应用

一、项目背景

压缩空气广泛应用于重要生产工艺过程，空压机的稳定运行是生产的基础保障。

目前，我厂共有5台SM250空压机，主电机功率250千瓦，设计能力为42立方米/秒，为了灵活适应生产过程对压缩空气的需求，其中2台空压机通过变频器控制产气量。

在SM250空压机变频运行过程中，多次出现主电机温度过高甚至烧毁的情况，不仅造成维修费用的浪费，还会影响到全厂生产的稳定性。

因此，亟需找出空压机变频运行时主电机温度异常升高地主要原因，采取针对性的技术措施，保障压缩空气稳定供应。

二、项目实施过程

课题组从“热源形成-耐热性能-降温方式-散热渠道”三个层面入手，采用先进的温度传感技术，收集各工况下的运行数据，科学实验、逐层分析，查找影响主电机温度异常升高的问题，逐一采取针对性措施予以解决。

（一）电机温度监测及高温停车改造，实现温度实时监控及高温连锁保护

1.在电机关键部位加装温度传感器。

为了加强对电机温度的监控，并为开展异常温升分析工作提供客观的数据支撑，需要对电机关键部位的温度进行监测。

为此，我们在电机的前、后轴承，以及线包前端和后端，各埋设一个PT-100型热电阻温度传感器，输出信号为4mA~20mA的直流电信号，其温度采集范围可以在-200℃～+850℃，用于实时测量空压机运行时主电机各关键部位的温度。

2.在空压机箱体上安装温控仪。

由于需要同时监测多点位温度，并能够根据设定值出发报警，我们选择XMT-JK408型四通道智能温控仪表，作为所监测点位温度的显示器和报警控制器。

根据温控仪尺寸，在空压机壳体开设156X76毫米的安装孔洞，将温控仪固定在开设的空洞上，其位置位于空压机接线间壁板上，距地面1.5米，便于内侧电源和控制线的排布，也要便于运维人员观察温度数值。

同时，制作“前轴承”、“后轴承”、“前线包”、“后线包”等4个指示标签，粘贴在各温度显示窗口所对应的测温位置，便于直观读取各监测点温度，为空压机运行控制和维护保养提供参考。

3.接通高温保护停机连锁电路。

硬件安装完毕后，我们进行了电路设计，通过连接传感器、温控仪、继电器等硬件，并将其连入风机故障停机电路，实现温度显示、超温报警的功能。

首先为温控仪接入220V交流电源，将4个温度传感器接入温控仪的输入端子；将4个通道的输出端并联接入中间继电器线圈，并将中间继电器闭串入风扇故障停机连锁电路。

分别设置4个温控点的报警温度，当任何一个点的温度达到设定值时，温控仪输出端的常开点闭合，中间继电器线圈带电，其常闭点断开，风扇故障停机连锁电路失电，可以实现报警和保护停机。

（二）升级电机绕组的绝缘等级，实现耐热性能的提升

我厂在用的SM250空压机采用250Kw电机驱动，定子绕组的绝缘等级为B级，极限允许温度为130℃，超温运行会引起绝缘材料加速老化，缩短电机的寿命，如果温度超过允许值很多，绝缘会损坏，导致电机烧毁。

变频运行的5#空压机电机曾于2016、2018年2次出现烧毁的情况。

使用热成像仪对电机进行观测，发现其低频运行时的最高温度达135℃，为此，我们决定对5#空压机电机的定子绕组绝缘等级进行升级，通过更换绝缘材料，使其绝缘等级达到H级，正常运行时耐温达到145℃。

（三）改造电机散热风扇旋转方式及风向，实现风扇恒速旋转，由向机头方向吹风改为反向抽风

SM250空压机采用变频器调速，而依然采用普通电机驱动，其散热风扇与主电机同轴，这就造成了低频运行时散热风扇转速过低，继而因风量不足导致温升过高。

同时，通过对电机前端和后端的温度对比，发现靠近机头侧的前端温度要比后端平均高出10℃。

课题组对其原因进行了深入分析：

在空压机箱体内部，热源主要来自机头和电机，当散热风扇向机头侧吹风时，其热量越积越多，当靠近机头侧散热源时出现叠加效应，形成一个高温区。

为此，我们确定了两个改造措施：

1.将同轴散热风扇改为独立旋转风扇

取下原电机散热风扇，并截去主轴用于安装风扇的多余部分，并在原位置安装独立驱动的EG-4A型散热风扇，恒速为2800r/min,为主电机提供稳定的冷却风量，不会因为电机低频运行而影响散热。

2.向机头方向吹风改为反向抽风

为了避免电机散热时的热量与机头产生的热量出现叠加效应，造成电机与机头连接端温度过高，与后端出现明显的温差，课题组决定通过调整接线相序，改变散热风扇的风向。

改造后，后端温度略微上升，前端温度大幅度下降，能确保整体温度保持在正常范围，避免因局部高温导致电机故障。

3.在机头侧箱体开进风口

当电机散热风扇改为反向抽风后，为了便于在箱体内形成新风回路，将机头侧的热量带走，我们在箱体的机头侧增开进风口，并安装百叶窗，可以避免杂物进入。

（四）加装空压机箱体散热风道，提升热风排放能力

在空压机运行过程中，除了电机本体产生的热量，机头对空气压缩时也会产生大量的任亮，并且压力越高，产气量越大，产生的热量也越高。

这些热量都积存在空压机箱体内部，如果不把这些热量及时带走，将会由于空气温度过高而造成空压机工作效率降低、停机、甚至会造成电机烧毁。

为避免外排热风再次吸入空压机进风口，需要采用专用风道将其排出空压站室外。

1.安装散热风道

为了确保排风效果，在每台空压机排风口上部安装风罩，使排风扇排出的热风进入风道。

我们使用镀锌铁皮制作通风管道，其截面积略大于空压机箱体上的出风口。

考虑空压站空间有限，通风管道采用总分结构，将5台空压机的风道通过一个总风道排出室外。

2.在各支路风道加装止回阀

经过一段时间的运行，我们发现总分结构风道存在缺陷：

当5台空压机中的部分机台运行时，运行机台排出的热风，会通过主风道和其它支路风道，进入停机状态的空压机箱体内，并通过进风口扩散到室内，造成运行机台的进气温度高，形成恶性循环。

课题组对风道结构分析后，决定在各支路风道上加装止回阀，单台空压机的热风只出不进，避免了各机台之间形成热循环。

3.增加出口端轴流风扇

考虑到风道摩擦、支路进入主风道时的风压以及各种组件形成的阻力，会影响到排风的通畅。

为此，我们在出风口处设置一个轴流风扇向外抽风，在风道的首尾两端形成前吹后抽的效应，确保将热空气通畅无阻的排出室外，使室内温度有效降低。

三、主要创新点

（一）SM250空压机外挂变频器运行时，加装独立驱动恒速运转的散热风扇，并采取反向抽风的方式，确保电机温度均衡可控。

（二）采用温度传感器和温控仪，通过电路设计，能够直观监测电机内部线圈和轴承温度，并实现了超温连锁停机保护。

四、取得效果

改造完成后，SM250空压机变频运行稳定、可靠，电机温度由改造前的135℃降到120℃，耐高温性能由130℃提升到180℃，未出现高温报警和烧毁电机的现象。

与改造前相比，每年可节约维修费用6.002元，可节约电费13.0944度，设备完好率100%，压缩空气气压波动得到有效控制。

详细分析如下：

（一）空压机变频运行稳定性得到提高

改造前，变频运行的5#空压机电机温度明显高于工频运行的空压机，特别是在低频运行时，频繁出现高温故障，甚至出现电机烧毁的情况。

改造后，电机温度得到控制，升级了定子绕组的耐温性，增加了高温连锁保护。

1.30Hz工况下，改造前后（2018、2019年8月份）电机线包及轴承平均温度对比表，单位：

℃

2.改造前后定子绕组耐最高温性对比

改造前：

130℃改造后180℃

3.增加了高温保护停机功能，最高温度可通过温控仪设置。

改造前：

热----死了！

改造后：

热----歇会！

（二）压缩空气保障能力有效提升

1.5#空压机改造前后年均开动班次及运行时间对比

2015-2018年平均开机618班次/年，年平均运行台时4657小时/年；改造后的2019年开机817班次，年运行台时6065小时。

改造后，变频运行的5#空压机开动率和单班运行台时明显提高，工频机组+变频机组组合运行的模式更加稳定。

2.压力波动率

随着我厂柔性化生产模式的深入推广，各车间、机台的开动情况越来越灵活多变，对压缩空气的需求变化较大。

如果只用工频运行的空压机，经常因一台不够用、两台用不完的情况而频繁加卸载，这就导致供应的压缩空气的压力波动较大，5#空压机变频运行稳定性的提升，有效改善了压力波动大的情况，为我厂柔性化生产和工艺质量水平的提升提供有力的保障。

（三）空压机运维费用大幅下降

1.节约维修费用约6.002万元

易地技改以来，变频运行的5#空压机曾于2016、2018年两次出现烧毁电机的情况，电机返厂修复用时3个月左右，费用大约10万元，购买新电机费用大约45万元，并且该方法治标不治本，18个月即进入故障高发期。

经了解，无法在市场上购买到能够适用于SM250空压机的专用变频电机。

此次技术改造的费用为3.9980万元，分别从降温方式、耐温性能、散热通道、温度监控及连锁保护等多维度进行创新，从根本上解决了SM250空压机变频运行时因高温引起的稳定性问题，节约维修费用约6.002万元。

2.每年节约运行能耗约13.0944万元

根据上表统计的数据，改造前，5#空压机的年平均运行台时为4657小时，2019年的运行台时为6065小时，改造后每年可多运行1408小时。

经统计能管系统数据，相比工频运行的空压机，变频运行每小时可节约62度电能，每度电1.5元。

每小时节省用电（8312-6625）/24=1687/24=62度

每年节约费用=1408X62X1.5=13.0944万元。

3.改造后节约总费用为6.002+13.0944=19.0964万元。

五、复制推广性

经了解，其他厂存在同样的设备工况，此项目有复制推广的价值。