【壓縮機網(wǎng)】空氣壓縮機是將機械能轉換為氣體壓力能的轉換裝置，是氣動(dòng)系統的動(dòng)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、醫藥等行業(yè)。我國空氣動(dòng)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(xiāo)售量從 2008 年的 11.5萬(wàn)臺迅速上升至2013 年的 20.98 萬(wàn)臺?？諝鈩?dòng)力用螺桿壓縮機除了用于各種氣動(dòng)工具、氣控儀表、食品、醫藥等，也在一些新的應用領(lǐng)域大展身手，如發(fā)動(dòng)機增壓、汽車(chē)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(lǐng)域應用。隨著(zhù)國家關(guān)于工業(yè)綠色發(fā)展規劃的出臺，以及企業(yè)對于設備節能降耗改造、自動(dòng)控制、實(shí)時(shí)監控、無(wú)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(diǎn)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(shí)施綠色監管，引導綠色消費

　　1) 國家倡導節能改造，綠色制造

 

　　資源與環(huán)境問(wèn)題是人類(lèi)面臨的共同挑戰，推進(jìn)綠色發(fā)展是提升國際競爭力的必然途徑。隨著(zhù)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(shí)施節能減排，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，規模以上企業(yè)單位工業(yè)增加值能耗累計下降 28%， 實(shí)現節能量 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”節能減排綜合工作方案》規定: 淘汰低效風(fēng)機、水泵、壓縮機等用能設備，要求全面推進(jìn)傳統行業(yè)節能技術(shù)改造，強化空氣壓縮機等設備技術(shù)節能。

 

　　2) 實(shí)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(mén)要求以先進(jìn)適用技術(shù)裝備應用為手段， 加快推廣智能控制等先進(jìn)技術(shù)?！吨腥A人民共和國節約能源法》規定， 鼓勵工業(yè)企業(yè)采用高效、節能的電動(dòng)機、風(fēng)機、泵類(lèi)等設備以及先進(jìn)的用能監測和控制等技術(shù)?！豆I(yè)綠色發(fā)展規劃( 2016－2020 年) 》提出: 實(shí)施綠色制造 + 互聯(lián)網(wǎng)，提升工業(yè)綠色智能水平。實(shí)施數字能效推進(jìn)計劃，鼓勵企業(yè)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、大數據、云計算、先進(jìn)過(guò)程控制等技術(shù)應用，對能源消情況及大型耗設備實(shí)施動(dòng)態(tài)監測、控制和優(yōu)化管理，實(shí)現企業(yè)能源管理數字化和精細化。

 

　　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(shí)供氣動(dòng)設備動(dòng)力，在發(fā)生災變時(shí)，必須能安全可靠地為壓風(fēng)自救系統提供新鮮空氣。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定供氣，影響供氣質(zhì)量，且無(wú)法實(shí)現對設備故障自診斷、早預警，影響氣動(dòng)設備壓風(fēng)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(lái)越高，加之企業(yè)用工成本逐年增高，從高效節能管理、人性化管理、精細化管理方面也需進(jìn)行設備智能化改造，實(shí)現實(shí)時(shí)智能監控，無(wú)人值守等功能。

 

　　2  公司螺桿式空氣壓縮機使用現狀及存在問(wèn)題

　　2.1 使用現狀

 

　　公司下轄 4 個(gè)單位， 所用 14 臺空氣壓縮機均為某國內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(wèn)題

　　1) 電機啟動(dòng)方式為直接啟動(dòng)， 影響設備壽命

 

　　LGS-65 /8G-6K 型螺桿式空氣壓縮機電動(dòng)機主要參數為: 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(dòng)方式為直接啟動(dòng)，空載啟動(dòng)電流較大，加載和卸載時(shí)對機械傳動(dòng)部分沖擊較大，會(huì )引起供氣質(zhì)量壓力波動(dòng)，加速設備磨損，降低設備使用壽命。

 

　　2) 設備長(cháng)期空載運行，存在電能損耗

 

　　氣動(dòng)設備在每班作業(yè)時(shí)用氣量增加，而交接班時(shí)用氣很少，為了減少啟動(dòng)頻繁度，壓縮機啟動(dòng)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) 現場(chǎng)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(shí)，運轉噪聲較大，崗位工作人員在操作設備啟動(dòng)、停止及在設備運轉過(guò)程中定期巡查時(shí)，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(mén)對于職工健康權益保障日趨完善，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(shí)施智能控制改造，實(shí)現無(wú)人值守成為較好選擇。

 

　　4) 無(wú)法及時(shí)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(wú)法實(shí)現及時(shí)連續準確地反饋數據。另外，備用的空氣壓縮機不開(kāi)機試運行，無(wú)法保證在工作設備發(fā)生故障時(shí)，備用設備能及時(shí)完好投入使用，如果在用、備用設備均出現故障，將影響工作區域正常生產(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(wèn)題，研究、設計智能控制方案，于2018 年 6 月實(shí)施了空壓機組智能控制技術(shù)改造。采用變頻技術(shù)進(jìn)行節能改造，利用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現實(shí)時(shí)監測、無(wú)人值守。

 

　　3.1 設計實(shí)施變頻改造方案，實(shí)現技術(shù)節能

 

　　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(méi)有恒速要求的場(chǎng)合，通過(guò)加裝變頻器，從而改變電機的運轉速度，實(shí)現軟啟動(dòng)，達到節電目的。變頻控制系統由 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(guò)安裝在壓縮空氣系統總管上的壓力傳感器采集現場(chǎng)壓力反饋給高壓變頻器實(shí)現閉環(huán) PID 控制，變頻器根據壓力大小自動(dòng)調節變頻器輸出頻率，從而改變電動(dòng)機轉速，實(shí)現氣量調節?？諝鈮嚎s機變頻控制電動(dòng)機轉速和電源頻率的關(guān)系根據公式 n = 60 f(1－s) /p 可知，式中: n 為電動(dòng)機轉速; s 為電動(dòng)機轉差率; f 為電源頻率; p 為電動(dòng)機極對數。

 

　　三臺空氣壓縮機采用 1 臺變頻器進(jìn)行控制，正常情況，1 臺變頻器做 1 拖 1 運行，最多同時(shí)啟動(dòng) 2 臺空壓機。采用變頻調速后， 將供氣壓力設定為一個(gè)數值，變頻器根據反饋給控制器的供氣壓力的波動(dòng)隨時(shí)自動(dòng)調節空氣壓縮機轉速，使供氣壓力在很小的區間(例如0.75 ± 0.02 MPa) 內波動(dòng)，實(shí)現恒壓供氣，如果用氣量很小，變頻器運行在下限頻率并持續一段時(shí)間(如5分鐘) 時(shí)，可停止空壓機工作，當壓力繼續下降到設定的下限閾值時(shí)再啟動(dòng)空壓機。

 

　　3.2 設計實(shí)施計算機遠程智能監控方案，實(shí)現無(wú)人值守

 

　　利用公司現有工業(yè)以太網(wǎng)及礦井自動(dòng)化集成平臺，設計基于西門(mén)子 PLC 控制器為核心控制元件的智能控制、在線(xiàn)監測系統主程序，增加高清數字攝像儀、液位傳感器、正壓傳感器、溫度傳感器等設備實(shí)現現場(chǎng)圖像、運行數據采集，反饋給高壓變頻器實(shí)現閉環(huán) PID控制， 并通過(guò) PLC 通訊端口、遠程 DCS 接口接入工業(yè)以太網(wǎng)， 在壓風(fēng)機房增設一臺高清數字攝像儀，設備經(jīng)光纖接入以太網(wǎng)，形成 KJ90-YF 壓風(fēng)機監控系統，并入礦井自動(dòng)化控制平臺， 由礦調度集控室自動(dòng)監測控制，實(shí)現實(shí)時(shí)監測、智能控制，無(wú)人值守。在調度集控室可實(shí)現計算機遠程監控，監控空壓機的用能時(shí)間、用能狀況，分析判斷設備的運行狀況， 使氣動(dòng)設備長(cháng)期處于最佳用氣狀態(tài)，按“所需即所供”的原則科學(xué)供風(fēng)，實(shí)現終端用能設備耗能的科學(xué)管理和有效利用。同時(shí)，主管領(lǐng)導及部門(mén)均可在公司內任何與以太網(wǎng)連接的計算機終端上查看設備運行情況及現場(chǎng)情況?？諝鈮嚎s機計算機智能監控系統組成結構圖見(jiàn)圖1。

 

　　                                                                                                                                                                   圖1  空氣壓縮機計算機智能監控系統組成結構圖

 

　　4  空壓機智能監控系統具備的功能

 

　　4.1 節能降耗， 經(jīng)濟效益明顯

 

　　空壓機智能監控系統，實(shí)現空壓機軟啟動(dòng)、軟停機，智能調節供氣，避免機組長(cháng)時(shí)間處于卸載運行狀態(tài)耗費電能。同時(shí)，啟動(dòng)過(guò)程平滑穩定，啟動(dòng)時(shí)幾乎無(wú)沖擊電流，電網(wǎng)電壓波動(dòng)很小，不會(huì )對電氣設備形成大電流沖擊，有效提高了電網(wǎng)上相關(guān)電氣設備的使用壽命;平穩的軟啟動(dòng)過(guò)程減小機械沖擊，減少機械部件磨損，減少設備維修量。據統計， 較改造前節約電費11萬(wàn)元/年，節約維修費用 1 萬(wàn)元/年，實(shí)現無(wú)人值守，節約工資支出12萬(wàn)元/年。

 

　　4.2 恒壓供氣， 保證供風(fēng)質(zhì)量

 

　　空壓機自動(dòng)化智能控制系統，根據供風(fēng)負荷自動(dòng)調節設備運轉，實(shí)現恒壓供氣，提高了供風(fēng)質(zhì)量，杜絕了因風(fēng)量不足影響生產(chǎn)現象，保障氣動(dòng)設備工作效能，提高氣動(dòng)設備使用壽命，保障了壓風(fēng)自救系統可靠性，對于安全生產(chǎn)具有重要作用和意義。

 

　　4.3 互聯(lián)互通，實(shí)現智能控制，無(wú)人值守

 

　　應用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將進(jìn)水電動(dòng)球閥、冷卻風(fēng)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(shí)時(shí)監控系統當前控制方式、壓風(fēng)機運行狀態(tài)，監測采集壓風(fēng)機進(jìn)水溫度、儲氣罐及總管壓力、水池液位、電流參數等，出現故障，發(fā)出報警信號并啟動(dòng)安全保護，實(shí)施動(dòng)態(tài)監測、控制和智能化管理。

 

　　系統具有遠程控制、就地控制、集中控制三種控制模式，即在調度集控室工控機或空壓機房PLC 控制箱上，可遠程自動(dòng)控制和遠程手動(dòng)控制; 在空壓機房現場(chǎng)采用人工操作方式，可實(shí)現就地控制; 另外系統可以按預先設定的程序，根據傳感器檢測的相關(guān)參數，進(jìn)行集中控制。

 

　　智能控制系統保護齊全，具有過(guò)載、短路、過(guò)流、過(guò)壓、門(mén)開(kāi)關(guān)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(xún)、打印報表功能及權限管理功能。

 

　　5  結語(yǔ)

 

　　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(fēng)控制技術(shù)等，有效實(shí)現了設備軟啟動(dòng)，遠程實(shí)時(shí)監控、自動(dòng)檢測故障并報警、節能降耗、無(wú)人值守功能，經(jīng)過(guò)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(dòng)化控制、現代化管理、安全系數提升具有良好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。