變頻器在氫氣壓縮機(jī)的應(yīng)用

一、前言

在工業(yè)生產(chǎn)中，壓縮氣體的使用非常普遍。在工廠內(nèi)，若干臺(tái)空氣壓縮機(jī)安裝在一個(gè)地方，就構(gòu)成一個(gè)空壓機(jī)站。四川自貢鴻鶴化工實(shí)業(yè)有限公司有一氫壓機(jī)站，安裝有3臺(tái)110kW防爆往復(fù)式活塞式氫壓縮機(jī)，用來壓縮氫氣。在設(shè)計(jì)選用氫氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)容量時(shí)，過多考慮建設(shè)前后長期工藝要求的差異，使裕量過大。另外，設(shè)計(jì)過程中很難作準(zhǔn)確的計(jì)算，考慮長期運(yùn)行過程中可能發(fā)生的各種問題，通常是將氫氣壓縮機(jī)滿負(fù)荷長時(shí)間運(yùn)行來作為選型的依據(jù)，但氫氣壓縮電動(dòng)機(jī)的系列是有限的，往往選不到合適電動(dòng)機(jī)型號就往上靠，大20%~30%的比較常見。由于上述的原因，實(shí)際生產(chǎn)中氫氣壓縮機(jī)輕載運(yùn)行的時(shí)間會(huì)顯著增長。

另外，由于生產(chǎn)上使用氫氣的不均勻性，用氣量是在動(dòng)態(tài)變化的，有時(shí)需要同時(shí)運(yùn)行數(shù)臺(tái)氫壓縮機(jī)供氣，而有時(shí)一臺(tái)氫壓縮機(jī)產(chǎn)的氣都有富余，但氫壓縮機(jī)仍在全速運(yùn)行。氫氣壓縮機(jī)出廠時(shí)配套的排氣壓力調(diào)節(jié)裝置為關(guān)閉進(jìn)氣管式壓力調(diào)節(jié)器，其工作原理是當(dāng)儲(chǔ)氣罐(風(fēng)包)內(nèi)空氣壓力達(dá)到或超過設(shè)定壓力(0.82MPa)時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)氣管上碟閥自動(dòng)關(guān)閉，壓縮機(jī)進(jìn)入空轉(zhuǎn)卸荷狀態(tài)。當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣壓力低于設(shè)定壓力(0.77MPa)時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)氣管碟閥自動(dòng)開啟，壓縮機(jī)又進(jìn)入滿載工作狀態(tài)。

氫氣壓縮機(jī)的排氣量和壓力，在運(yùn)轉(zhuǎn)中也不是不變的，但工藝上的需求是動(dòng)態(tài)改變的，所以氫氣壓縮機(jī)工作時(shí)總是在重復(fù)滿載-卸荷工作方式。滿載時(shí)的工作電流接近電動(dòng)機(jī)的額定電流，而卸荷時(shí)的空轉(zhuǎn)電流約為35~50%電動(dòng)機(jī)額定電流，這部分電流不是做有用功，而是機(jī)械在額定轉(zhuǎn)速下的空轉(zhuǎn)損耗。這種機(jī)械式調(diào)節(jié)裝置雖然也能起到壓力調(diào)節(jié)作用，但是壓力調(diào)節(jié)精度低，壓力波動(dòng)大。氫壓縮機(jī)總是在額定轉(zhuǎn)速下工作，機(jī)械磨損大、且運(yùn)行在低效狀態(tài)，電耗高。

如采用變頻調(diào)速，根據(jù)需要來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使之在高效狀態(tài)下減少電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率，可在滿足生產(chǎn)工藝要求的條件下達(dá)到節(jié)能的目的。從運(yùn)行質(zhì)量的角度看，氫壓縮機(jī)系統(tǒng)大多不能根據(jù)負(fù)載的輕重連續(xù)地進(jìn)行調(diào)整。而采用變頻調(diào)速后，則可以十分方便有效地進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，保持壓力、流量等參數(shù)的穩(wěn)定，從而大大提高壓縮機(jī)工作效率及性能。

根據(jù)上述理論分析，在氫壓縮機(jī)的氣缸容積不能改變的條件下，只有調(diào)節(jié)氫壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變排氣量；氫壓縮機(jī)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，壓縮機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速的一次方成正比變化；在氫壓縮機(jī)總排氣量大于供氣量時(shí)，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。

在可以選用的交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法有變極調(diào)速、改變皮帶輪傳動(dòng)比、繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速等。變頻調(diào)速與其它調(diào)速方法相比，具有無極調(diào)速、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、不用改變設(shè)備結(jié)構(gòu)和安裝工作量小的特點(diǎn)，高效調(diào)速且節(jié)能。即交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速，是一種不耗能的高效的調(diào)速方法。

三. 變頻恒壓供氣

變頻器、壓力變送器構(gòu)成壓力閉環(huán)系統(tǒng)，自動(dòng)按需降低氫壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)供氣壓力，達(dá)到壓縮機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行?？紤]在儲(chǔ)氣罐上安裝一只壓力變送器，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)，供氣壓力設(shè)置為0.8MPa。

氫壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的額定電流應(yīng)等于或小于恒轉(zhuǎn)矩變頻器額定電流。變頻器要有內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器和4～20mA模擬信號接口。本例選用一臺(tái)森蘭SB70G132變頻器，壓力變送氣選用森納斯DG13W=BZ-A，1.6MPa。恒壓供氣原理圖如圖2所示：

圖中：由壓力傳感器PT從貯氣罐取出壓力反饋信號，送至變頻器內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器的輸入端，與預(yù)置的壓力給定信號相比較，經(jīng)PID調(diào)節(jié)器處理后，從而決定電動(dòng)機(jī)的工作頻率和轉(zhuǎn)速。此種控制方式在保證儲(chǔ)氣罐氫氣的壓力始終保持恒定的前提下，在用氣量改變時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，保持高效率運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

變頻器控制第一臺(tái)氫壓縮機(jī)，給定調(diào)節(jié)用變頻器上的操作鍵盤，變頻器的多功能輸出Y1、Y2接第二和第三臺(tái)氫壓縮機(jī)的自耦減壓起動(dòng)器的起動(dòng)/停止電路，這樣可由變頻器的輸出控制另外兩臺(tái)氫壓縮機(jī)的運(yùn)行或停機(jī)。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，第一臺(tái)氫壓縮機(jī)由變頻器控制，第二和第三臺(tái)的氫壓縮機(jī)可用自耦減壓起動(dòng)器人工起動(dòng)/停止。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，第一臺(tái)氫壓縮機(jī)首先變頻運(yùn)行，當(dāng)變頻器的輸出頻率已達(dá)到50Hz，供氣量仍不足，變頻器的輸出節(jié)點(diǎn)Y1、Y2動(dòng)作，起動(dòng)第二和第三臺(tái)氫壓縮機(jī)工作；如供氣量大于給定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止第二和第三臺(tái)的氫壓縮機(jī)工作，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)恒壓供氣。

氫氣為可燃性氣體，氫壓縮機(jī)的工作場地有爆炸危險(xiǎn)，SB70G系列變頻器的防護(hù)等級為IP2O，顯然不能在有爆炸危險(xiǎn)的場合。將變頻安裝在沒有爆炸危險(xiǎn)的配電房內(nèi)，用遠(yuǎn)方控制盒在壓縮機(jī)旁進(jìn)行操作，遠(yuǎn)方控制盒也要考慮為本質(zhì)安全性的。

四、注意事項(xiàng)

1、由于空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，在選用變頻器時(shí)應(yīng)根據(jù)具體的工況條件和現(xiàn)場的運(yùn)行電流情況確定選配的變頻器容量。

2、壓力傳感器應(yīng)在壓力變化不是相對劇烈地方，最好安裝在儲(chǔ)氣罐上。為避免干擾，壓力傳感器的信號盡量采用4～20mA電流信號，傳輸線用雙芯屏蔽線。

3、在變頻器的控制系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)有開環(huán)和閉環(huán)兩種控制模式，以便于調(diào)試和特殊情況下使用。

4、由于空氣壓縮機(jī)不允許長期工作在低頻狀態(tài)下，在低頻下運(yùn)行不但穩(wěn)定性變差，而且容易出現(xiàn)喘振，另一方面也使缸體的潤滑變差，會(huì)加快磨損，故應(yīng)設(shè)定合理的、有效的、安全的工作頻率下限。具體的設(shè)定要根據(jù)不同的工況、不同的使用條件和要求，耐心細(xì)致地調(diào)整。

五、節(jié)能改造后的效果

壓縮機(jī)于2005年8月改造完成，經(jīng)過三個(gè)月的運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)想的目的。不論生產(chǎn)工藝如何改變，也不論供氣量如何改變，恒壓供氣的氫氣壓力維持在0.8MPa左右，供氣質(zhì)量大幅度提高。

變頻調(diào)速后，空壓機(jī)零速平滑起動(dòng)，提高生產(chǎn)安全性。氫壓縮機(jī)任何時(shí)候不再是全速運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速降低后，工作環(huán)境噪音也相應(yīng)下降；轉(zhuǎn)速降低后，機(jī)械的磨損隨之減小，有利于增長壓縮機(jī)的壽命，降低維修成本。

節(jié)能方面，由壓縮機(jī)的公式可見，壓縮機(jī)消耗的軸功率PZ(kW)與軸轉(zhuǎn)速n(r/min)成正比，而壓縮機(jī)的排氣量QD(m3/min)又與軸轉(zhuǎn)速成正比，則壓縮機(jī)消耗的軸功率PZ(kW)就與壓縮機(jī)的排氣量QD(m3/min)成正比，降低轉(zhuǎn)速可節(jié)省軸功率，經(jīng)實(shí)測節(jié)電率達(dá)到26%，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
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