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浅谈:空压机集群系统现状及控制情况

时间:2018-08-13 17:33

来源:德耐尔无油空压机

作者:德耐尔1111

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我国现阶段空压机产品性能虽然在不断改进,但是在能源利用方面,作为空压机集群系统应用的空压站运行中还存在能效水平不高的不合理现象,究其原因,很大一部分是由于空压机系统控制方式选择不当。对一般工业现场来讲,空压机群的设计产气量要大于实际用气量,随着用气负荷的变化,供气管网的压力也在不断的发生变化,这就需要控制空压机来实现供气管网的压力稳定在目标值附近,因此分析并采用合适的控制方式对空压机的节能显得非常重要。

空压站

基于压力控制的空压站调节方式及其特性

1.空压机不同控制方式及特性分析

①启动/停止控制

启动/停止控制是更简单的控制方式,当供气管网压力处于较低压力不能满足当前供气需求时,空压机启动并满载状态运行产生压缩空气增加供气管网压力,当压力达到设定更大压力时,空压机停止运行。中间间隔的时间取决于储气罐及有关管道容积的大小和允许的排气压力波动范围,压力波动范围一般小于0.07MPa。针对此种控制方式,要求机组有较大容量的储气罐且更能适用于(3~6.5kW)小功率空压机,针对大中型空压机系统由于频繁的启动和停止会导致产生较大电流冲击电路并造成电机过热,减少空压机寿命,一般来说需要将启动的次数限制在4~6次/h。因为空压机只处于满载和停机两种状态,所以是一种高效的调节方式。

② 加/卸载调节控制

当供气管网压力不能满足当前用气需求时,空压机加载满负荷运行产生压缩空气,当压力达到系统设定卸载压力时,空压机控制器发出信号,关闭进气阀,此时空压机空载运行不产生压缩空气,同时控制系统将压缩机排气端后的高压空气通过电磁阀放空到进气端,降低空负荷时空压机进出口压比,但空压机在卸载时仍会消耗全负荷的20%左右的功耗。随着管网压力的降低,压力达到设定加载时,重新打开进气阀,空压机再次满负荷运行,依次循环。这种控制方式可以满足用户0~100%的气量调节,并保证电动机的连续运行,避免重复启动对电网的冲击;缺点是加卸载控制方式使得系统压力在加载压力pmin到卸载压力pmax之间上下波动,造成一定的能源浪费。

③ 进气节流调节

在压缩机的运行过程中,当用气负荷小于压缩机的产气量时,系统管网的压力随之增加,当系统压力达到设定压力时,压缩机组的控制系统逐渐关闭进气节流阀,减小进气量直至与用气负荷平衡。此种控制方式可以保证压缩机的连续供气,使得在满足用户的压力需求下系统压力波动更小,但是随着进气压力的降低,进入空压机的空气密度不断降低,此外由于降低进气压力而排气压力保持不变,使得进出口压比增大,功耗增大。所以此控制方式只适用于排气量调节范围大于60%的条件下。

④ 变速驱动调节

变频空压机通过调节电源频率以调节电机转速,从而实现空压机产气量大小的自动调节,使空压机处于平稳的运行状态下,电机的运行功率大幅降低。变速驱动调节与其他调节方式相比具有显著优点。在压缩机运行过程中,进气压力即为大气压力,当排气压力保持不变的情况下,压缩机功率随排气量的减小而减小,且调节范围可以达到0%~100%,可以满足用户的工况变化。

此外,变速调节与其他调节方式的系统相比省去了一整套复杂的机械调节装置,增加了机组的稳定性,并且变频空压机在启动时,电机转速由低到高,避免了启动电流过大对电网的冲击。

2.基于压力控制系统的缺点

在压力控制系统中当系统根据现场负荷需要发出加/卸载命令时,系统只能按照原先设定的基础加、卸载顺序控制空压机的加/卸载,然而这种顺序启停方式也存在不合理的地方,例如当管网压力达到加载压力时,然而此时现场用气量很少,且波动较小,若此时顺序启动的压缩机为一台功率较大压缩机,则系统会存在“大马拉小车”现象,且压缩机管网压力会剧烈波动;同样,当管网压力达到加载压力时,若此时现场所需的为一台功率较大的空压机,而实际按照顺序控制启动的为一台功率较小的空压机,则空压机系统在该台小功率空压机达到满负荷运行后会再顺序启动下一台空压机,这就会造成原本只需要开一台较大负荷的空压机就能解决的问题,变为启动多台压缩机,且大功率空压机处于低效运转状态,这会造成很大的能源浪费。

基于流量控制下的空压机群系统

基于流量控制的空压机集群控制系统是指整个供气系统中,空压机群的产气量尽量匹配生产现场所需的用气量,尽量减小系统管网压力波动,达到降低空压机群能耗的目的。

1.基于流量控制的控制策略

对于某一现场用气而言,加载压力一般略高于用气设备的正常的工作压力,而决定空压机群功耗的往往是空压机群的卸载压力,过低的卸载压力会造成机组频繁加卸载,因此找出压缩机群的更优卸载压力,不仅能有效的降低压缩机群的运行能耗,还能避免压缩机群中的机组频繁加卸载产生过激电流对电网的冲击,此外,也减小了对空压机的机械冲击,延长了压缩机的使用寿命。

pmin为系统的加载压力,pmax为系统的卸载压力,pmin与pmax存在以下关系:pmax=(1+σ)pmin

所以调节pmax对空压机集群系统的节能具有很重要的意义,啄取值为10%~25%,因此在工业现场空压机群管网压力波动情况较小的情况下,啄的取值就可以尽量小一些,在工业现场用气量较大,空压机启、停造成管网压力波动较大时,啄的取值就要考虑到在控制器反应时间内管网内压力波动的情况,此时啄的取值就要尽量大一些。综上,我们在设计基于流量控制的空压机群时,可以对现场机器所需的空气流量进行统计,在工业现场用气中出现流量消耗较大的机器时可以适当提高空压机群管网的加载压力和啄的取值,而空压机群使用现场没有空气流量消耗较高的机器时,则可以尽量降低空压机群管网的加载压力和啄的取值,从而实现空压机群的恒低压力运行。

流量控制空压机压力设定

针对上述情况,提出基于流量控制的智能控制系统。若用气系统中存在流量负荷消耗较大的用户时,在控制系统的反应时间内,我们设置的加载压力要大于设备运行压力10%~15%;若用气系统中更大用户的流量负荷并不大,则我们设置的加载压力仅需比设备运行压力大5%~10%,为了给空压机群一个适当的富余量,所以给空压机群控制系统设置了相应的加、卸载预动作压力,空压机集群控制系统设置好加、卸载压力以及预动作压力后,当空压机群管网压力达到系统预加载压力时,若用户负荷波动不大时,空压机集群控制系统根据用户所需流量利用系统中的变频空压机进行微量调节,当用户负荷波动较大时,控制系统实时测量计算当前需求用气负荷,并开启相应产气量的空压机,当系统中供应了足够用户使用的流量后,再利用系统中的变频空压机进行微量调节。对于基于流量控制的空压机压力设定如图所示。

2.空压机群流量控制

在某实验中,系统中共有4台空压机,分别为22kW变频空压机,公称容积流量范围1.08~3.6m3/min,定义为1#机组,15kW工频空压机,公称容积流量2.2m3/min,定义为2#机组,22kW工频空压机,已工作时间为1年,公称容积流量范围1.08~3.6m3/min,定义为3#机组,22kW工频空压机,已工作时间为半年,公称容积流量3.6m3/min,定义为4#机组,以变频空压机作为系统调节机,则空压机群可以提供以下流量范围:

(1)1.08~3.6m3/min;

(2)3.28~5.8m3/min;

(3)4.68 ~7.2m3/min;

(4)6.88 ~9.4m3/min;

(5)8.28~10.8m3/min;

(6)10.48~13m3/min。

因此,在基于流量控制的空压机集群系统中,空压机群控制系统在用户需求流量发生变化时首先进行流量需求预测,若流量需求波动不大,则只需调节作为调节机的变频螺杆空压机即可,若流量需求较大,现有加载机组不能满足现场所需工况,控制系统则按照所需流量进行更优机组匹配,实现更优机组的加载,与不需要机组的卸载。

其机组组合控制策略及匹配系统如图所示。

流量控制策略图
空压机群台数控制匹配系统

空压机集群系统在集成了空压机群流量控制系统后,由于系统内传感器的测量误差以及空压机控制系统需要反应时间,所以空压机管网内的压力仍会下降,因此空压机集群系统管网内的压力到达空压机预加载压力时,空压机集群控制系统优先控制处于非满负荷运行状态的变频空压机进行满负荷加载。当空压机群管网压力到达卸载预动作压力时,控制器再根据现场所需要的实时流量再进行台数匹配,流量的微量调节通过变频调节实现,更终使得空压机群管网压力在设定压力范围内窄幅波动,空压机群流量控制系统中变频空压机运行图如图所示。

变频空压机群流量控制系统

3.压差法求流量

在空压机群流量控制系统中,由于流量信号变化快、频率高,所以信号的采集及其准确度对机群的控制尤为重要。在现有较多种流量计算方法下,更好的方式还是采用流量计直接进行流量信号的采集,其优点是不需要进行压力温度的修正。在此系统中选择了HQ980管道式气体质量流量计。

质量流量计将采集到的流量信号转化为电信号并反馈给空压机控制器,在空压机控制器中求得一个采样周期内气体质量流量的变化量,为基于流量控制空压机作指导。

结语

本文主要分析了当前螺杆空压机的调节方式及其特性,指出基于压力控制策略下螺杆空压机系统的缺点,提出并分析基于流量控制的压缩机系统更大的优点就是其针对现场用户所使用的实时流量提供相应的更优空压机加载组合,且由于该控制系统对后续空压机加、卸载具有预测性且操作方式上可以连续操作,因此卸载预动作压力可以设置在一个较低的水平,空压机群的平均运行压力相应降低,从而空压机群的能效水平得以提高。

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