【壓縮機網(wǎng)】空氣壓縮機是將機械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能的轉(zhuǎn)換裝置，是氣動系統(tǒng)的動力源，廣泛應用于石油化工、機械制造、礦山、冶金、電力、電子、食品、醫(yī)藥等行業(yè)。我國空氣動力用螺桿壓縮機行業(yè)起步于 20 世紀 80 年代，發(fā)展歷程相對較短， 但其銷售量從 2008 年的 11.5萬臺迅速上升至2013 年的 20.98 萬臺?？諝鈩恿τ?a href="http://teamkylake.com" target="_blank" class="keylink">螺桿壓縮機除了用于各種氣動工具、氣控儀表、食品、醫(yī)藥等，也在一些新的應用領域大展身手，如發(fā)動機增壓、汽車噴涂行業(yè)以及高壓氧艙、生物行業(yè)、膠片感光材料行業(yè)、國防科研等行業(yè)和領域應用。隨著國家關于工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃的出臺，以及企業(yè)對于設備節(jié)能降耗改造、自動控制、實時監(jiān)控、無人值守等智能控制需求，螺桿式空氣壓縮機的智能控制研究與應用成為許多企業(yè)技改重點工作， 并已經(jīng)取得較好的應用效果。

 

　　1  螺桿式空氣壓縮機改造背景

　　1.1  國家對工業(yè)發(fā)展實施綠色監(jiān)管，引導綠色消費

　　1) 國家倡導節(jié)能改造，綠色制造

 

　　資源與環(huán)境問題是人類面臨的共同挑戰(zhàn)，推進綠色發(fā)展是提升國際競爭力的必然途徑。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，能源消耗量在逐年增加，為此，國家及各行業(yè)積極實施節(jié)能減排，安排大量資金用于新型高效能源設備技術(shù)的研發(fā)以及既有設備技術(shù)的替代和改造。“十二五”期間，規(guī)模以上企業(yè)單位工業(yè)增加值能耗累計下降 28%， 實現(xiàn)節(jié)能量 6.9 億噸標準煤。但是，我國工業(yè)總體上尚未擺脫高投入、高消耗、高排放的發(fā)展方式，形勢依然十分嚴峻。因此， 《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》規(guī)定: 淘汰低效風機、水泵、壓縮機等用能設備，要求全面推進傳統(tǒng)行業(yè)節(jié)能技術(shù)改造，強化空氣壓縮機等設備技術(shù)節(jié)能。

 

　　2) 實施綠色制造 + 互聯(lián)網(wǎng)，提升工業(yè)綠色智能水平

 

　　國家及行業(yè)主管部門要求以先進適用技術(shù)裝備應用為手段， 加快推廣智能控制等先進技術(shù)?！吨腥A人民共和國節(jié)約能源法》規(guī)定， 鼓勵工業(yè)企業(yè)采用高效、節(jié)能的電動機、風機、泵類等設備以及先進的用能監(jiān)測和控制等技術(shù)?！豆I(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃( 2016－2020 年) 》提出: 實施綠色制造 + 互聯(lián)網(wǎng)，提升工業(yè)綠色智能水平。實施數(shù)字能效推進計劃，鼓勵企業(yè)通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、先進過程控制等技術(shù)應用，對能源消情況及大型耗設備實施動態(tài)監(jiān)測、控制和優(yōu)化管理，實現(xiàn)企業(yè)能源管理數(shù)字化和精細化。

 

　　1.2 企業(yè)精細化管理對設備智能化控制的需求

 

　　礦山用空氣壓縮機正常生產(chǎn)時供氣動設備動力，在發(fā)生災變時，必須能安全可靠地為壓風自救系統(tǒng)提供新鮮空氣。目前空氣壓縮機的控制方式主要是就地控制，人工操作不能保證壓力相對穩(wěn)定供氣，影響供氣質(zhì)量，且無法實現(xiàn)對設備故障自診斷、早預警，影響氣動設備壓風供應和礦井安全生產(chǎn)。而企業(yè)精細化管理對設備安全管理、智能化控制的需求越來越高，加之企業(yè)用工成本逐年增高，從高效節(jié)能管理、人性化管理、精細化管理方面也需進行設備智能化改造，實現(xiàn)實時智能監(jiān)控，無人值守等功能。

 

　　2  公司螺桿式空氣壓縮機使用現(xiàn)狀及存在問題

　　2.1 使用現(xiàn)狀

 

　　公司下轄 4 個單位， 所用 14 臺空氣壓縮機均為某國內(nèi)大型壓縮機公司生產(chǎn)的 LGS-65 /8G 型螺桿式空氣壓縮機，排氣壓力 0.8 MPa， 排氣量為 65 m3 /min， 于 2013 年采購、安裝、投入運行。其中太平礦配備有 3 臺螺桿式空氣壓縮機，一用一備一檢修。

 

　　2.2 螺桿式空氣壓縮機使用中存在問題

　　1) 電機啟動方式為直接啟動， 影響設備壽命

 

　　LGS-65 /8G-6K 型螺桿式空氣壓縮機電動機主要參數(shù)為: 額定電壓 Ue 為 6 kV， 額定電流 In 為 40 A， 額定頻率 f 為 50Hz， 額定功率 355 kW， 電機啟動方式為直接啟動，空載啟動電流較大，加載和卸載時對機械傳動部分沖擊較大，會引起供氣質(zhì)量壓力波動，加速設備磨損，降低設備使用壽命。

 

　　2) 設備長期空載運行，存在電能損耗

 

　　氣動設備在每班作業(yè)時用氣量增加，而交接班時用氣很少，為了減少啟動頻繁度，壓縮機啟動后常常處于卸載運行狀態(tài)，卸載運行期間空氣壓縮機不供給壓縮空氣，但仍要耗費電能，造成較大的能源浪費。

　　3) 現(xiàn)場噪聲工作環(huán)境，影響職工身心健康

 

　　雖然空氣壓縮機采用了隔振及降噪技術(shù)，但運行時，運轉(zhuǎn)噪聲較大，崗位工作人員在操作設備啟動、停止及在設備運轉(zhuǎn)過程中定期巡查時，置身在噪聲、高溫的惡劣環(huán)境下工作， 不利于身心健康。當前國家及行業(yè)主管部門對于職工健康權(quán)益保障日趨完善，對于惡劣工作環(huán)境下作業(yè)的工人保護力度增加，企業(yè)推行人性化管理，實施智能控制改造，實現(xiàn)無人值守成為較好選擇。

 

　　4) 無法及時掌控在用及備用設備情況，影響安全生產(chǎn)

 

　　3 臺空氣壓縮機運行方式是一用一備一檢修，運行期間，由值守人員人工巡查設備，檢查泄漏、溫度、壓力等情況，并記錄在設備運行記錄本上，無法實現(xiàn)及時連續(xù)準確地反饋數(shù)據(jù)。另外，備用的空氣壓縮機不開機試運行，無法保證在工作設備發(fā)生故障時，備用設備能及時完好投入使用，如果在用、備用設備均出現(xiàn)故障，將影響工作區(qū)域正常生產(chǎn)。

 

　　3  螺桿空氣壓縮機智能控制技術(shù)方案設計與應用

 

　　經(jīng)認真分析螺桿空氣壓縮機存在問題，研究、設計智能控制方案，于2018 年 6 月實施了空壓機組智能控制技術(shù)改造。采用變頻技術(shù)進行節(jié)能改造，利用工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)實時監(jiān)測、無人值守。

 

　　3.1 設計實施變頻改造方案，實現(xiàn)技術(shù)節(jié)能

 

　　變頻改造技術(shù)主要適用于空氣壓縮機、水泵等負荷經(jīng)常變化，沒有恒速要求的場合，通過加裝變頻器，從而改變電機的運轉(zhuǎn)速度，實現(xiàn)軟啟動，達到節(jié)電目的。變頻控制系統(tǒng)由 PL-6-2 型旁路柜、移向變壓器柜、變頻器、智能 PID 控制器、傳感器和空氣壓縮機等組成，通過安裝在壓縮空氣系統(tǒng)總管上的壓力傳感器采集現(xiàn)場壓力反饋給高壓變頻器實現(xiàn)閉環(huán) PID 控制，變頻器根據(jù)壓力大小自動調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，從而改變電動機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)氣量調(diào)節(jié)。空氣壓縮機變頻控制電動機轉(zhuǎn)速和電源頻率的關系根據(jù)公式 n = 60 f(1－s) /p 可知，式中: n 為電動機轉(zhuǎn)速; s 為電動機轉(zhuǎn)差率; f 為電源頻率; p 為電動機極對數(shù)。

 

　　三臺空氣壓縮機采用 1 臺變頻器進行控制，正常情況，1 臺變頻器做 1 拖 1 運行，最多同時啟動 2 臺空壓機。采用變頻調(diào)速后， 將供氣壓力設定為一個數(shù)值，變頻器根據(jù)反饋給控制器的供氣壓力的波動隨時自動調(diào)節(jié)空氣壓縮機轉(zhuǎn)速，使供氣壓力在很小的區(qū)間(例如0.75 ± 0.02 MPa) 內(nèi)波動，實現(xiàn)恒壓供氣，如果用氣量很小，變頻器運行在下限頻率并持續(xù)一段時間(如5分鐘) 時，可停止空壓機工作，當壓力繼續(xù)下降到設定的下限閾值時再啟動空壓機。

 

　　3.2 設計實施計算機遠程智能監(jiān)控方案，實現(xiàn)無人值守

 

　　利用公司現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)及礦井自動化集成平臺，設計基于西門子 PLC 控制器為核心控制元件的智能控制、在線監(jiān)測系統(tǒng)主程序，增加高清數(shù)字攝像儀、液位傳感器、正壓傳感器、溫度傳感器等設備實現(xiàn)現(xiàn)場圖像、運行數(shù)據(jù)采集，反饋給高壓變頻器實現(xiàn)閉環(huán) PID控制， 并通過 PLC 通訊端口、遠程 DCS 接口接入工業(yè)以太網(wǎng)， 在壓風機房增設一臺高清數(shù)字攝像儀，設備經(jīng)光纖接入以太網(wǎng)，形成 KJ90-YF 壓風機監(jiān)控系統(tǒng)，并入礦井自動化控制平臺， 由礦調(diào)度集控室自動監(jiān)測控制，實現(xiàn)實時監(jiān)測、智能控制，無人值守。在調(diào)度集控室可實現(xiàn)計算機遠程監(jiān)控，監(jiān)控空壓機的用能時間、用能狀況，分析判斷設備的運行狀況， 使氣動設備長期處于最佳用氣狀態(tài)，按“所需即所供”的原則科學供風，實現(xiàn)終端用能設備耗能的科學管理和有效利用。同時，主管領導及部門均可在公司內(nèi)任何與以太網(wǎng)連接的計算機終端上查看設備運行情況及現(xiàn)場情況?？諝鈮嚎s機計算機智能監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖見圖1。

 

　　                                                                                                                                                                   圖1  空氣壓縮機計算機智能監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

 

　　4  空壓機智能監(jiān)控系統(tǒng)具備的功能

 

　　4.1 節(jié)能降耗， 經(jīng)濟效益明顯

 

　　空壓機智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)空壓機軟啟動、軟停機，智能調(diào)節(jié)供氣，避免機組長時間處于卸載運行狀態(tài)耗費電能。同時，啟動過程平滑穩(wěn)定，啟動時幾乎無沖擊電流，電網(wǎng)電壓波動很小，不會對電氣設備形成大電流沖擊，有效提高了電網(wǎng)上相關電氣設備的使用壽命;平穩(wěn)的軟啟動過程減小機械沖擊，減少機械部件磨損，減少設備維修量。據(jù)統(tǒng)計， 較改造前節(jié)約電費11萬元/年，節(jié)約維修費用 1 萬元/年，實現(xiàn)無人值守，節(jié)約工資支出12萬元/年。

 

　　4.2 恒壓供氣， 保證供風質(zhì)量

 

　　空壓機自動化智能控制系統(tǒng)，根據(jù)供風負荷自動調(diào)節(jié)設備運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)恒壓供氣，提高了供風質(zhì)量，杜絕了因風量不足影響生產(chǎn)現(xiàn)象，保障氣動設備工作效能，提高氣動設備使用壽命，保障了壓風自救系統(tǒng)可靠性，對于安全生產(chǎn)具有重要作用和意義。

 

　　4.3 互聯(lián)互通，實現(xiàn)智能控制，無人值守

 

　　應用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將進水電動球閥、冷卻風機、攝像儀及各傳感器等與 PLC 控制器、工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，實時監(jiān)控系統(tǒng)當前控制方式、壓風機運行狀態(tài)，監(jiān)測采集壓風機進水溫度、儲氣罐及總管壓力、水池液位、電流參數(shù)等，出現(xiàn)故障，發(fā)出報警信號并啟動安全保護，實施動態(tài)監(jiān)測、控制和智能化管理。

 

　　系統(tǒng)具有遠程控制、就地控制、集中控制三種控制模式，即在調(diào)度集控室工控機或空壓機房PLC 控制箱上，可遠程自動控制和遠程手動控制; 在空壓機房現(xiàn)場采用人工操作方式，可實現(xiàn)就地控制; 另外系統(tǒng)可以按預先設定的程序，根據(jù)傳感器檢測的相關參數(shù)，進行集中控制。

 

　　智能控制系統(tǒng)保護齊全，具有過載、短路、過流、過壓、門開關聯(lián)鎖等保護，并有故障報警、故障記錄及報警顯示功能，查詢、打印報表功能及權(quán)限管理功能。

 

　　5  結(jié)語

 

　　空氣壓縮機智能控制技術(shù)改造項目，應用了變頻控制技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)及信息化技術(shù)、恒壓供風控制技術(shù)等，有效實現(xiàn)了設備軟啟動，遠程實時監(jiān)控、自動檢測故障并報警、節(jié)能降耗、無人值守功能，經(jīng)過一年半的運行，效果良好， 對減少設備機械磨損及故障率、降低使用、維護成本，提高設備使用壽命及減員增效具有明顯益處，對于企業(yè)設備自動化控制、現(xiàn)代化管理、安全系數(shù)提升具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。