變頻器在氫氣壓縮機的應用

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，若干臺空氣壓縮機安裝在一個地方，就構成一個空壓機站。四川自貢鴻鶴化工實業(yè)有限公司有一氫壓機站，安裝有3臺110kW防爆往復式活塞式氫壓縮機，用來壓縮氫氣。在設計選用氫氣壓縮機電動機容量時，過多考慮建設前后長期工藝要求的差異，使裕量過大。另外，設計過程中很難作準確的計算，考慮長期運行過程中可能發(fā)生的各種問題，通常是將氫氣壓縮機滿負荷長時間運行來作為選型的依據(jù)，但氫氣壓縮電動機的系列是有限的，往往選不到合適電動機型號就往上靠，大20%~30%的比較常見。由于上述的原因，實際生產(chǎn)中氫氣壓縮機輕載運行的時間會顯著增長。

另外，由于生產(chǎn)上使用氫氣的不均勻性，用氣量是在動態(tài)變化的，有時需要同時運行數(shù)臺氫壓縮機供氣，而有時一臺氫壓縮機產(chǎn)的氣都有富余，但氫壓縮機仍在全速運行。氫氣壓縮機出廠時配套的排氣壓力調節(jié)裝置為關閉進氣管式壓力調節(jié)器，其工作原理是當儲氣罐(風包)內空氣壓力達到或超過設定壓力(0.82MPa)時，壓縮機進氣管上碟閥自動關閉，壓縮機進入空轉卸荷狀態(tài)。當儲氣罐內空氣壓力低于設定壓力(0.77MPa)時，壓縮機進氣管碟閥自動開啟，壓縮機又進入滿載工作狀態(tài)。

氫氣壓縮機的排氣量和壓力，在運轉中也不是不變的，但工藝上的需求是動態(tài)改變的，所以氫氣壓縮機工作時總是在重復滿載-卸荷工作方式。滿載時的工作電流接近電動機的額定電流，而卸荷時的空轉電流約為35~50%電動機額定電流，這部分電流不是做有用功，而是機械在額定轉速下的空轉損耗。這種機械式調節(jié)裝置雖然也能起到壓力調節(jié)作用，但是壓力調節(jié)精度低，壓力波動大。氫壓縮機總是在額定轉速下工作，機械磨損大、且運行在低效狀態(tài)，電耗高。

如采用變頻調速，根據(jù)需要來調節(jié)電動機的轉速，使之在高效狀態(tài)下減少電動機的運行功率，可在滿足生產(chǎn)工藝要求的條件下達到節(jié)能的目的。從運行質量的角度看，氫壓縮機系統(tǒng)大多不能根據(jù)負載的輕重連續(xù)地進行調整。而采用變頻調速后，則可以十分方便有效地進行連續(xù)調節(jié)，保持壓力、流量等參數(shù)的穩(wěn)定，從而大大提高壓縮機工作效率及性能。

根據(jù)上述理論分析，在氫壓縮機的氣缸容積不能改變的條件下，只有調節(jié)氫壓縮機的轉速來改變排氣量；氫壓縮機是恒轉矩負載，壓縮機軸功率與轉速的一次方成正比變化；在氫壓縮機總排氣量大于供氣量時，通過降低壓縮機轉速調節(jié)供氣壓力，是達到壓縮機經(jīng)濟運行的有效方法。

在可以選用的交流異步電動機調速方法有變極調速、改變皮帶輪傳動比、繞線式電動機轉子串電阻調速等。變頻調速與其它調速方法相比，具有無極調速、容易實現(xiàn)自動控制、不用改變設備結構和安裝工作量小的特點，高效調速且節(jié)能。即交流異步電動機變頻調速，是一種不耗能的高效的調速方法。

三. 變頻恒壓供氣

變頻器、壓力變送器構成壓力閉環(huán)系統(tǒng)，自動按需降低氫壓縮機轉速調節(jié)供氣壓力，達到壓縮機經(jīng)濟運行?？紤]在儲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，構成恒壓供氣系統(tǒng)，供氣壓力設置為0.8MPa。

氫壓縮機電動機的額定電流應等于或小于恒轉矩變頻器額定電流。變頻器要有內置PID調節(jié)器和4～20mA模擬信號接口。本例選用一臺森蘭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，送至變頻器內部PID調節(jié)器的輸入端，與預置的壓力給定信號相比較，經(jīng)PID調節(jié)器處理后，從而決定電動機的工作頻率和轉速。此種控制方式在保證儲氣罐氫氣的壓力始終保持恒定的前提下，在用氣量改變時自動調節(jié)電動機轉速，保持高效率運轉實現(xiàn)節(jié)能。

變頻器控制第一臺氫壓縮機，給定調節(jié)用變頻器上的操作鍵盤，變頻器的多功能輸出Y1、Y2接第二和第三臺氫壓縮機的自耦減壓起動器的起動/停止電路，這樣可由變頻器的輸出控制另外兩臺氫壓縮機的運行或停機。手動運行時，第一臺氫壓縮機由變頻器控制，第二和第三臺的氫壓縮機可用自耦減壓起動器人工起動/停止。自動運行時，第一臺氫壓縮機首先變頻運行，當變頻器的輸出頻率已達到50Hz，供氣量仍不足，變頻器的輸出節(jié)點Y1、Y2動作，起動第二和第三臺氫壓縮機工作；如供氣量大于給定值時，系統(tǒng)自動停止第二和第三臺的氫壓縮機工作，通過閉環(huán)調節(jié)可實現(xiàn)恒壓供氣。

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

四、注意事項

1、由于空氣壓縮機的轉動慣量大，在選用變頻器時應根據(jù)具體的工況條件和現(xiàn)場的運行電流情況確定選配的變頻器容量。

2、壓力傳感器應在壓力變化不是相對劇烈地方，最好安裝在儲氣罐上。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)中應設有開環(huán)和閉環(huán)兩種控制模式，以便于調試和特殊情況下使用。

4、由于空氣壓縮機不允許長期工作在低頻狀態(tài)下，在低頻下運行不但穩(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，會加快磨損，故應設定合理的、有效的、安全的工作頻率下限。具體的設定要根據(jù)不同的工況、不同的使用條件和要求，耐心細致地調整。

五、節(jié)能改造后的效果

壓縮機于2005年8月改造完成，經(jīng)過三個月的運行，達到了預想的目的。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，供氣質量大幅度提高。

變頻調速后，空壓機零速平滑起動，提高生產(chǎn)安全性。氫壓縮機任何時候不再是全速運轉，轉速降低后，工作環(huán)境噪音也相應下降；轉速降低后，機械的磨損隨之減小，有利于增長壓縮機的壽命，降低維修成本。

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