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改造前德耐尔空压站问题的提出
通常德耐尔空压站由多台德耐尔空压机组成，每台德耐尔空压机都由一台电机拖动，独立进行控制。在实际工作中，德耐尔空压站按更大工作负荷而设计的，所以在用气量少时，启动1-2台机组，用气量大时，启动多台并联运行，在系统预设管网压力值,系统将自动根据预设的压力值的下限与上限进行自动的加载和卸载，用来满足用气量。德耐尔空压站这种控制方式，带来许多问题。如：螺杆式德耐尔空压机气量的供求关系主要表现为排气压力的变化,当排气量正好满足生产用气量要求时,储气压力保持不变,但由于生产用风量的不均衡,而装机容量需根据生产更大用风量并留有余量设计,故实际运行中德耐尔空压机供风量远大于实际用风量。若德耐尔空压机仍恒速运转,则储气罐内的气体压力越来越大,当罐内压力上升达到设定压力时,一般采用两种办法:一种是德耐尔空压机卸荷运行（关闭入气阀）,不产生压缩气体,电动机处于空载运转,其用电量仍为满负载的30% ～50% , 还有德耐尔空压机是大转动惯量负载，电机空载起动时所需的功率大致相当于满载运行所消耗2-3倍，运行时间约为5-60S，在频繁起动控制排气量时，对电网冲击大，能耗明显增加，这部分电能也被白白浪费废掉;另外一种办法是停止德耐尔空压机运行,但将会带来电动机的频繁启动。德耐尔空压机的空载启动电流大约是额定电流的5～7倍,对电网及其它用电设备冲击较大,同时使德耐尔空压机的使用寿命也会缩短。为满足生产设备用气要求,储气罐内空气运行压力通常设为0. 55～0. 65MPa,压力设定范围太大则会形成管路高压力，高传送损耗，漏气，而且气压大范围波动无法满足现代生产工艺的需求。
变频器改造节能方案
变频恒压控制方式是通过系统A/D﹑D/A+变频器内置的PID自动调节输气量与设定量的差值，使压力恒定，系统压力通过压力变送器将管网压力转变成电信号送到系统,经过系统的计算后通过D/A转换成摸拟信号给变频器的PID调节单元,使德耐尔空压站的拖动电机通过变频器输出相应的转速来控制德耐尔空压机的运行速度及台数，使实际压力与设定压力相等来达到恒压目的，实现供气的连续调节，保证管网压力稳定。变频器恒压供气系统是根据管网瞬时用气量的变化自动调节德耐尔空压站中央德耐尔空压机的转速和运转台数，使管网压力始终保持恒定的设定压力，从而达到了德耐尔空压机的节能降耗和提高供气质量的目的，同时实现了控制过程的自动化，并且对德耐尔空压机进行了超压、过载、过流、欠压等自动报警保护。
工作原理
通过检测储气罐压力,实现系统的压力闭环控制,自动调节德耐尔空压机的转速和德耐尔空压机的运转台数。改造后的德耐尔空压站控制系统由两个基本系统组成,即恒压变频调速系统和微机控制参数监测管理系统。系统工作时,压力变送器YB将总管压力P转变为电信号送入A/D与压力设定值Po 比较,并根据差值的大小按给定控制模式进行运算,产生控制信号送变频调速器,通过变频器控制电机的转速,通过控制系统,控制德耐尔空压机运行的台数,使实际压力P始终接近设定压力Po。在用风系统需一台德耐尔空压机运行时,单台德耐尔空压机变频运行维持恒压供风;当用风系统风量不足时,变频器运行频率升高为50Hz，（或当电机运行速度接近工频速度时通过自动延时转为工频运行）,再启动另一台德耐尔空压机变频运行维持恒压供风，这样如此类推。多台德耐尔空压机都由变频器来启动,实现带载软启动,避免了启动冲击电流和启动给德耐尔空压机带来的机械冲击。系统循环带载软启动、循环停机的工作方式,实现了供气量的连续调节,保证了总管压力稳定。如图:
改造后系统运行特点
1） 风压幅值变化小
由于该变频器是以压力控制的,即保持恒值,使压力- 转数- 功率达到动态匹配,在设定的压力下稳定运行。实测使用变频运行时,其压力变化幅值为0. 034MPa即在设定压力为0. 5MPa时,其压力在0. 486～0. 52MPa区间变化。而工频运行时,在同样的条件下,其压力在0. 368～0. 523MPa区间变化,其变化幅值为0. 155MPa。因风压幅值变化小,使用风负荷稳定,供风质量好,生产效率高。
2） 噪音低
使用变频运行时,机房平均噪音为72dB （A） ,排气时机房噪音平均为81. 125 dB （A） ,不排气时机房噪音平均76. 625 dB （A） 。使用变频比使用工频运行排气时平均降低噪音9. 125 dB （A） ,不排气时平均降低噪音4. 625 dB （A） 。由于噪音降低,改善了工作环境。
3） 操作简便
使用变频运行,只要按动起动按钮就可使设备运行。甩掉了传统的减荷阀控制,省去了繁琐的操作程序,同时,可实现多台电动机循环软启动,消除了电机起动时对电网大电流的冲击现象。
4） 节约德耐尔空压机润滑油40%
采用变频调速后,在德耐尔空压机低转速运行时,润滑油耗量也就变小,即所谓"低转速,低润滑"。以4L220 /3型德耐尔空压机为例,据统计测算,使用工频运行时,润滑油平均每小时用105g,而使用变频运行平均每小时有42g就够了。
5） 延长设备使用寿命
由于变频器保持恒定值的优点,使之压力- 转速- 功率达到动态匹配,转数明显降低,一般情况在220～584 r /min之间,机械磨损减小,延长设备的使用寿命。
6） 提高运行可靠性
原电控系统与改造后电控系统可互为备用,提高了运行可靠性,同时各项保护措施更加完善。
节能效果分析
设Po 为现有德耐尔空压站的压力设定值。系统改造前,因人工控制方式下送气量不能连续调节,为保证正常供气,须使压力在Po 附近上下波动。Pmax是最高压力值,当管网压力达到此值时,德耐尔空压站关闭吸气阀使电机处于空转状态。Pmin是最低压力值,即能够保证用气设备正常工作的最低压力,当管网压力达到此值时,德耐尔空压站重新开启吸气阀。一般情况下,Pmax、P0、Pmin之间关系可以用下式来表示:
Pmax = （1 + 2δ） Pmin
P0 = （1 +δ） Pmin
δ是一个百分数,其数值大致在15% ～30%之间,即15% ≤δ≤30%。改造后,系统可连续调节供气量使管网压力恒定,因此,可将压力设定在能满足设备用气的最低压力值Pmin附近。改造后系统所节约的能量主要分析为:
（1） 超过Pmin的压力所消耗的能量
改造后德耐尔空压机对气体所做的功可以表示为W = Pmin ×Qmin ,可以假设改造前压力常年工作在P1附近,此时德耐尔空压机所做的功可以表示为:
W1 = （ Pmin +ΔP） （Qmin +ΔQ）,式中的ΔP =δPmin、ΔQ ≈ Qo - Qmin ,若假设系统改造前、后的管网的情况和用气的工况不变, P -Q之间的管阻曲线是一条二次曲线,通常情况下可以用直线来表示。则系统改造后的节能率η可以表示为:
η = （W1 - W ） /W1=1 - W /W1
由计算可知,节能率η的值可达相应δ值的一倍以上,因此超压部分的节能潜力很大。
（2） 调节方法不合理所消耗的能量
通常情况下,当压力达到Pmax时,德耐尔空压机通过关闭吸气阀使电机空转调节排气量,但德耐尔空压机在空转中还是带动活塞或螺杆运动,此时的能耗约占德耐尔空压机满载运行时的30% ～50%,将这部分能量节省下来的数量,也相当可观。
（3） 电机起动时所消耗的能量
德耐尔空压机是大转动惯量负载,电机空载起动时所需的功率大致相当于电机满载运行时所消耗功率的2～3倍,时间约为1min,这部分能耗在大多数德耐尔空压站中不占主要部分,在某些靠频繁起动来控制排气量的德耐尔空压站时,这部分能耗就显得很大。
结语
本系统利用变频器实现多台德耐尔空压机的变频节能改造,在降低投资的同时实现更佳节能效果,既降低开机、停机时瞬间电流冲击对电气和机械设备的影响,又提高了设备运行的可靠性，系统至今运行十分正常,满足了生产的需要,达到了预期节能效果。
如一台45KW的德耐尔空压机为例:45KW X 90% ＝ 40.5（度/小时）
电费计价￥0.85元/度，使用时间按每月30天,每天20小时，则每月注塑机油泵马达部分的电费约为：
40.5度/小时X30天X20小时X ￥0.85元/度＝￥20,655元/月
改造后德耐尔空压机的节电率按平均30%核算，则每月回收效益为:
￥20,655X 30% = ￥6,196.5元/月
年回收效益为:￥6,196.5元/月 X 12月 = 74,358￥元
以上仅为举例说明，具体数据以试机实测数据为准。
一般情况下，所有投资可于6-10个月内通过电费节省回收。
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作者:德耐尔@德耐尔空压机 空压机修订日期：2012-02-02
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