珙泉煤矿空气压缩机变频改造运行报告.docx

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珙泉煤矿空气压缩机变频改造运行报告

珙泉煤矿压风机变频改造

节

能

报

告

用户单位：

川煤芙蓉集团珙泉煤业公司

编制：

审核：

日期：

2013年11月10日

第一章行业背景分析…………………………………………………………………2

第二章系统方案………………………………………………………………………2

第三章节能分析……………………………………………………………………6

第四章使用变频器的优点…………………………………………………………11

第五章质量保证及服务承诺………………………………………………………12

第一章背景分析

一、中国能源现状及变频简介

能源短缺和环境污染是人类当前共同面临的世纪性难题。

据统计全球已探明石油储量只够使用30～50年。

我国自然资源总量排世界第七位，能源资源总量约4万亿吨标准煤，居世界第三位，但我国人口众多，能源资源相对匮乏。

随着工业化和城镇化进程的加快，某些重要矿产资源不足的矛盾日益突出，某些重要原材料长期需要进口。

因此要解决资源战略问题，必须大力开展能源节约与资源综合利用。

电力资源是资源战略问题中的重中之重，是国民经济和社会发展的重要基础。

面对经济和社会发展巨大电力需求，在加快开发和建设的同时，要抓好节约，提高效率，保护环境。

 目前变频技术改造已经成为电力传动领域的热门话题，对于大容量长期负荷的电力传动系统，尤其是矿井主要通风机、压风机、主排水泵系统进行变频改造已成为一种趋势，它的节电效益表现在两个方面，一是通过调节驱动电动机的电源频率，提高设备运行效率，降低用电量；二是减少电动机、机械设备的冲击，改善设备启动性能，减少事故量降低设备事故率、节约维护材料及人工成本。

变频技术的应用将会给使用大功率传动装备的企业带来显著的节能效益。

二、空压机介绍

空气压缩机是利用三相异步电动机作为动力，将压缩腔内气体压缩成一定压力的设备。

在冶金，矿山，电力，纺织，石化，轻纺等几乎所有的行业都有广泛的应用。

空压机占大型工业设备（主通风机，主排水泵，主提升机，空压机等）耗电量的15%。

由于结构原理的原因，大部分空压机控制存在明显的技术弱点——当输出压力大于额定压力的10%时，自动打开安全阀卸载，排除多余的压缩空气、使三相异步电动机空转。

空气的压缩、增压、自动卸载三步曲反复进行，严重浪费大量能源；三相异步电动机、压缩机处于卸载运行时，效率低；三相异步电动机的启动停止较为频繁，工频启动电流大，对电网冲击大，电动机、压缩机轴承磨损大，设备维护量大，缩减空压机使用寿命；操作人员工作环境恶劣，噪音大。

第二章系统方案

1.螺杆式空压机工作原理

螺杆空压机是由一对相互平行啮合的阴阳转子（或称螺杆）在气缸内转动，使转子齿槽子之间的空气不断地产生周期的变化，空气则沿着转子轴线由吸入侧输送到输出侧，实现螺杆式空压机的吸气，压缩和排气的全过程。

空压机的进气口和出气口分别位于客体的两端，阴转子的槽和阳转子的齿被主电机驱动而旋转。

2.活塞式空压机工作原理

活塞式空压机是由电动机带动皮带轮通过联轴器直接驱动曲轴，带动连杆和活塞杆，使活塞在压缩气缸内作往复运动，完成吸入，压缩，排出等过程，将低压气体升压，并输出到储气罐内。

其中，活塞组件，活塞与气缸内壁及气缸盖构成容积可变的工作腔，在曲柄连杆带动下，在气缸内作往复运动以实现气缸内气体的压缩。

空压机主电机的工作方式是星-角降压启动后全压运行，供气系统具体工作流程为：

当按下启动按钮，控制系统接通启动器线圈并打开断油阀，空压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n秒（有时间继电器控制）空压机开始加载运行，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，控制器使进气阀关闭，油气分离器放气，压缩机空载运行，直到系统压力降到压力开关下限值后，即回跳压力下，控制器使进气阀打开，油气分离器放气阀关闭，压缩机打开，油气分离器放气阀关闭，压缩机满载运行。

卸载和加载易导致整个气网压力经常变化，不能保持恒定的工作压力延长压缩机的使用寿命。

空压机的有些调节方式（如调节阀门或调节卸载等方式）即使在需要流量较小的，由于电机转速不变，电机输出功率下降幅度比较小，空压机效率低。

能耗分析：

加卸载控制方式使得压缩气体的压力Pmin-Pmax之间来回的变化。

Pmin是最低压力值，即能够保证用户正常工作的压力。

一般情况下，Pmax，Pmin之间关系用下式来表示：

Pmax=（1+a）Pmin

a是一个百分数，其数值在15%-30%之间。

在加、卸载供气控制方式下的空压机，所浪费的能量主要是以下两部分：

（1）加载时的电能消耗：

当压力达到压力最小值时，原控制方式决定其压力会继续上升达到最大压力值。

在加压过程中，一定要向外界释放更多的热量，从而导致电能损失。

另一方面，高于压力最大值的气体在进入气动元件前，其压力需要经过减压阀减压，这一过程同样是一个耗能过程。

（2）卸载时的电能消耗：

当压力达到压力最大值时，空压机通过如下方法来降压卸载：

关闭进气阀使电机处于空载状态，同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空。

这种调节方法要造成很大的能量浪费，在卸载时间所占比例不大的情况下，空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时10%-25%（这还是的情况下）。

换言之，空压机流失了消耗有功电能的20%，在加、卸载供气控制方式下，空压机电存在较大的节能空间。

3.变频工作方式

通达改变电源频率，控制压缩机转速来调节流量。

当空压机转速改变时，供气系统的扬程特性随之改变，而管阻特性不变。

在变频调速技术控制空压机电机转速的工作方式下，空压机的供气流量可随着用气流量的改变而改变，达到真正的供需平衡；使整个系统达到最佳的工作效率。

变频器基于交-直-交电源变换原理，可根据控制对象的需要输出频率连续可调的交流电压，电动机转速与电源频率成正比，因此，用变频器输出频率可调的交流电作为空压机电机的电源，改变空压机的转速。

4.恒压供气原理

流量作为供气系统基本的控制对象，要求供气流量需要随时满足用气流量。

在供气系统中，储气罐的气压能够充分反映供气能力与用气需求之间的关系：

若供气流量>用气流量->储气罐气压上升

若供气流量<用气流量->储气罐气压下降

若供气流量=用气流量->储气罐气压不变

所以，保持管道中的气压恒定，就可保证该处供气能力恰好满足用气需求，这就是恒压供气系统所要达到的目的。

变频调速系统将管网压力作为控制对象，装在储气罐出气口的压力变送器将储气罐的压力转变为电信号送给控制器内部的PID调节器，与压力给定值进行比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号去控制变频器的输出电压和逆变频率，调节电动机的转速，从而使实际压力始终保持在给定压力。

另外，采用该方案后，空气压缩机电动机从静止到稳定转速可有变频器实现软启动，避免启动时的大电流和启动给空气压缩机带来的机械冲击。

正常情况下，空气压缩机在变频调速控制方式下工作。

变频器一旦出现故障，生产工艺不允许空气压缩机停机，因此，系统设置了工频和变频切换功能，这样当变频器出现故障，可由工频电源通过接触器直接供电，使空气压缩机正常供电。

整个控制过程如下：

↓

用气需求↑--管道气压↓--压力设定值和反馈值的差值↑--PID输出↑--变频器输出频率↑--空压机电机转速↑--供气流量↑--管路气压趋于稳定。

特别注意的是，在压力容差范围内，控制器的PID不调节，即保持输出频率不变。

5、变频器切换方式说明

BP100系列变频器配置的工频和变频互为备用方案，其电气主回路原理如下图所示：

工频和变频互为备用系统图

工频、变频运行方式的操作说明：

（1）变频方式运行：

KM1和KM3闭合，同时KM5闭合。

（2）工频方式运行：

KM2和KM5闭合，电机星型启动。

KM2和KM4闭合，电机三角型启动。

不同运行方式下：

KM2和KM3互锁，KM4和KM5互锁。

第三章节能分析

一、负载特性说明

负载特性是指电力拖动负载的转矩与转速之间的关系，也叫负载转矩特性。

电动机节电，特别是调速节电，与负载特性的关系极为密切。

典型的负载特性有恒转矩负载特性、恒功率负载特性、风机泵类负载特性三种，见如下表。

转矩特性

恒转矩特性

恒功率特性

风机泵类特性

负载特性

M=恒定值

P∝n·M

P∝n

P=恒定值

M∝1/n

M∝n²

P∝n³

轴功率与转速关系

轴功率与转速成正比

轴功率与转速无关

轴功率与转速的三次方成正比

典型负载

起重机，压廷机，机床平移刀架等

金属切削机床，恒张力卷取机等

风扇，风机，液泵，油泵

二、风机和泵类拖动调速的节电效果

阀门（档析）调节法主要通过调节管道出口的开度来调节流量，实际是通过改变管道的阻力来改变的流量。

阀门（档析）调节时，管阻特性随着阀门开度的变化而变化，而电机恒速运行，因此扬程特性并不改变。

如下图所示，当流量从QA下降到QB时，稳定工作点由A点移到B点，供水功率PA与0EBF区域的面积成正比。

变频（转速）调节法是通过改变风机水泵转速来改变的流量。

管道一般处于全开状态，如果风机水泵转速改变，则全扬程也改变。

采用转速调节法时，扬程随着转速改变而改变，但管阻特性则保持不变。

如下图所示，当流量从QA下降到QB时稳定工作点由A点移到C点，供水功率PB与0ECH区域的面积成正比。

从下图可看出，采用转速调节法比采用阀门调节法节约的功率△P与HCBF区域的面积成正比。

由风机水泵特性得知，轴功率P与流量Q，风压（扬程）H的关系为：

当电动机的转速由n1变化到n2时，Q、H、P与转速的关系如下:

（1）

（2）

=

（3）

可见流量Q和电机的转速n是成正比关系的，而所需的轴功率P与转速的立方成正比关系。

由上述推导可以知道，采用转速调节法的节能效果很明显。

随着变频调速技术不断成熟，风机水泵采用变频器来控制其转速。

由电机转速公式：

n=60f/p，其中，n为电机同步转速，f为供电频率，p为电机极对数，可知电机供电频率f与转速成正比。

这样，采用变频器调速时，变频器的输出频率与流量、扬程及电机轴功率也有上述的n次方（n=1,2,3）比例关系。

三．变频改造节能预计计算公式：

1、预计改造前工频运行功率计算公式

　或

=有功用电量÷时间

其中：

——工频运行电机电压，kV；

——工频运行电机电流，A；

——工频运行有功功率，

；

——工频运行功率因数;

2、预计改造后变频运行功率计算公式：

=

×MAX（

；

）³÷η1÷η2

其中：

——变频运行功率

——额定轴功率

——工频运行流量

——额定流量

——要求阀门出口后压力

——额定压力

η1——变频装置效率η2——设备装置效率MAX——表示取二者之大

或利用如下计算公式：

利用公式：

计算出

的比。

其中：

——工频运行功率，KW；

——额定轴功率，KW；

——运行工况与额定工况下的效率、压力比，小功率电机取1，大功率电机取0.9

根据改造流量不变的原则，有

，其中

为改造后的流量。

所以

。

再根据

，即

计算出

。

其中

是变频改造后预计运行功率，η为变频装置的效率。

四、节能检验方案

假定矿采掘头面等用风量基本持平，井下压风负荷基本不变的前提下，进行改造前后节能效果比较。

已知珙泉煤矿现有四台压风机，其中井下西一变电所、西二变电所各有一台20m³的防爆移动压风机；地面压风机房有20m³、30m³压风机各一台。

根据矿提供资料：

保证矿井压风系统正常工作的最小压力Pmin＝0.65~0.7Mpa，而矿空压机的额定压力为0.8Mpa，压风机安全阀的开启压力为Pmax=0.88Mpa。

矿四台压风机30天的有功用电总量为kwh，其中地面压风机房两台压风机30天的有功用电量为kwh。

1、准备阶段：

将井下两防爆移动空压机作为主用，地面两台空压机作为调节使用。

1）将①西一变电所的空压机额定压力调整为Pe=0.73Mpa，安全阀的开启压力调整为Pmax=0.8Mpa；②西二变电所的空压机额定压力调整为Pe=0.72Mpa，安全阀的开启压力调整为Pmax=0.79Mpa；③地面20m³空压机额定压力调整为Pe=0.71Mpa，安全阀的开启压力调整为Pmax=0.78Mpa；④地面30m³空压机额定压力调整为Pe=0.7Mpa，安全阀的开启压力调整为Pmax=0.77Mpa。

2）将地面30m³空压机的电控按工频、变频互为备用方式联线。

3）矿井压风机方式：

主用西一、西二变电所的两台防爆移动空压机；压风不足时地面压风机房首先启动30m³压风机，最后根据压风压力情况投用20m³压风机。

压风机的停开由矿调根据井下生产情况进行指挥。

地面30m³压风机变频运行时，变频空压机出口压力按0.7Mpa进行设定控制。

2、在35kv变电所利用6kv盘的计量装置对地面压风机房有功无功电量测定。

节约有功电量=35kv变电所压风一

（二）回用电总量-外转供电量

3、30m³空压机变频运行前后，电量计量时间：

10天

1）30m³空压机工频运行10天，在35kv变电所6kv盘电表底数抄下来，则可算出矿压风机房每小时平均电耗即工频电耗=

2）30m³空压机工频运行10天，在35kv变电所6kv盘电表底数抄下来，则可算出珙泉矿投入30m³空压机每小时平均电耗即工频电耗=

3）从以上计算可得，珙泉矿投用30m³空压机后

①每小时可节电有功电耗=工频有功电耗－变频时当月有功电耗电量：

②每小时节约无功电量的折算电量=工频有功电耗－变频时有功电耗

③节约无功折算的有功电耗=（工频时无功电耗－变频时无功电耗）×5%。

5%——为无功当量。

④综合节约有功电量=（每小时可节电有功电耗+节约无功折算的有功电耗）×本月变频器运行时间

4、在4台空压机的原方安装计量装置，30m³空压机变频运行前后，电量计量时间：

10天

1）30m³空压机工频运行10天，将电表底数抄下来，则可算出矿压风机房每小时平均电耗即工频电耗=

2）30m³空压机工频运行10天，将电表底数抄下来，则可算出珙泉矿投入30m³空压机每小时平均电耗即工频电耗=

3）从以上计算可得，珙泉矿投用30m³空压机后，

①每小时可节电有功电耗=工频有功电耗－变频时当月有功电耗电量：

②每小时节约无功电量的折算电量=工频有功电耗－变频时有功电耗

③节约无功折算的有功电耗=（工频时无功电耗－变频时无功电耗）×5%。

5%——为无功当量。

④综合节约有功电量=（每小时可节电有功电耗+节约无功折算的有功电耗）×本月变频器运行时间

第四章使用变频器的优点

变频器改造后，对生产成本也有一定的降低，综合考虑，变频改造具有以下几方面的优点：

（1）  变频调速的节能

由于采用变频调速后，空压机的节能效果最明显，节电率可达到15%～60%，这是因为风机的耗用功率与转速的三次方成比例，当用户需要的平均流量较小时，风机的转速较低，其节能效果也是十分可观的。

而传统的挡板和阀门进行流量调节时，耗用功率变化不大。

由于这类负载很多，约占交流电动机总容量的20%～30%。

（2）  网侧功率因数提高

原电机直接由工频驱动时，满载时功率因数为0.81左右，实际运行功率因数远低于0.8。

采用变频调速系统后，电源侧的功率因数可提高到0.9以上，无需无功补偿装置就能大大的减少无功功率，满足电网要求，可进一步节约上游设备的运行费用。

（3）  设备运行与维护费用下降

采用变频调节后，由于通过调节电机转速实现节能，在负荷率较低时，电机、风机水泵转速也降低，主设备及相应辅助设备如轴承等磨损较前减轻，维护周期可加长，设备运行寿命延长；并且变频改造后阀门开度可达100％，运行中不承受压力，可显著减少阀门的维护量。

变频器运行中，只需定期对变频器除尘，不用停机，保证了生产的连续性。

随着生产的需要，调节风机水泵的转速，进而调节风机水泵流量、压力既满足生产工艺的要求，工作强度又大大降低。

采用变频技术调速后，减少了机械磨损，维护工作量降低，检修费用下降。

（4）  用变频调速装置后，可对电机实现软启动，启动时电流不超过电机额定电流的1.2倍，对电网无任何冲击，电机使用寿命延长。

在整个运行范围内，电机可保证运行平稳，损耗减小，温升正常。

风机水泵启动时的噪音和启动电流非常小，无任何异常振动和噪音。

（5）  与原来旧系统相比较，变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升等多项保护功能，更完善地保护了电机。

（6）  操作简单，运行方便。

可通过计算机远程给定等参数，实现智能调节。

（7）  适应电网电压波动能力强，电压工作范围宽，电网电压在-10%～+10%之间波动时，系统均可正常运行。