250kw螺杆式压缩机变频改造系统方案

250KW 螺杆式压缩机 变频驱动系统实施方案 随着社会的发展和科技的进步，生产过程中的高效低耗要求已愈来愈受到人们的关注。目前， 能源和原材料价格持续上升、人力成本压力不断增加，对于所有企业而言，节能降耗、降低生产成 本已迫在眉睫。事实上，对于许多高耗能企业来说，几乎 80%以上的能耗都是电能消耗。而对于用 电来讲，几乎 80%以上都消耗在动力上，也就是说电机的能耗是最主要的能耗。这就是电动机驱动 系统节能改造的必要性和现实意义。而随着电力电子技术的发展，变频器在调速领域中的应用越来 越广泛。它作为一种颇为成熟的高科技产品，具有性能稳定、操作方便、节能效果明显等优点，越 来越受到国内外工程技术人员和管理人员的关注和重视，更受到广大用户的喜爱。 对于螺杆式压缩机来说，采用变频器改造优化其启动运行方式和供气方式，不但能够改善系统 的稳定性和可靠性，还可以大量地节约电能，具有突出的经济意义。 1. 蒙牛 XX 公司制冷压缩机组工况及工作原理 空气压缩机在工业生产中有着广泛的应用。在工厂制冷设备中，压缩机发挥着将动能转化为热 能的核心作用，其性能的优劣直接影响着制冷效果和运行成本。 压缩机的种类很多，但标配系统几乎全部采用“Y -”转换或自耦降压的启动方式、全速运 行方式和加、卸载控制的供气方式。这种启动运行和供气方式虽然原理简单、操作方便，但存在耗 电量高、进气阀易损坏、供气压力不稳定等问题，对实际生产带来诸多不利影响。因此，采用变频 改造该系统的启动运行和供气方式，是一项采用新技术、新工艺，并具有显著节能效果的智慧选择。 1.1 使用工况 蒙牛 XX 公司制冷车间采用的是大连冷 冻机股份有限公司生产的螺杆式制冷压缩机 组。该机组共 5 台容量为 250KW（所配电动 机）的螺杆式压缩机，其分布如图 1 所示。 1.1.1 压缩机组相关数据 通常，只有两台压缩机处于工作状态， 其余三台作为备用。备用的目的是当制冷量 不足时增加投入备用压缩机，或者当某一台 压缩机发生故障时投入备用压缩机。 两台压缩机投入运行，工作制式为 24 小 时工作制。每台压缩机带有操作盒，其面板 上共有 12 个指示灯和 6 个操作按钮。12 个 指示灯分别是“电源指示” 、 “排气压力高” 、 “油压差低” 、 “精滤器压差超” 、 “喷油温度 高” 、 “吸气压力低” 、 “油泵运行指示” 、 “主 机起动” 、 “主机运行” 、 “断水指示” 、 “水温 4#压缩机 1#压缩机 5#压缩机 2#压缩机 3#压缩机 1.8 米 2.1 米 1.2 米 1.8 米 车间门 图 1 制冷车间压缩机组物理分布 低指示” 、 “油加热指示” ；6 个操作按 钮分别是“油泵开” 、 “油泵停” 、 “主机 开” 、 “主机停报警解除” 、 “油加热起 动” 、 “油加热停止” 。操作面板示意如 图 2 所示。 a. 制冷压缩机组主要铭牌数据如下： 型号：JZLQ20 制冷量：1319.3KW 电机功率：250KW 制冷剂：R717 电源：3380VAC，50Hz。 b. 制冷压缩机主要铭牌数据如下： 制冷量：1319.3KW 转速：2960rpm。 轴功率：250KW 电源：3380VAC，50Hz。 c. 电机主要铭牌数据如下： 型号：Y315M4-2 功率：250KW 电流：460A 转速：2965rpm 防护等级：IP23 1.1.2 配电和控制 制冷车间分两部分，一部分安装压缩机组（如图 1 所示） ，一部分为配电控制室。控制室与机 组安装室以墙壁隔离。主要是因为机组工作时有大量氨气，属于易燃易爆物质，控制室隔离开来可 保证生产安全。 主机起动控制回路很简单，采用“Y -”转换起动。主回路所用主要器件为杭申电气生产的 630A 空气开关、Schneider Electrics 生产的 Telemecanique 系列交流接触器（400A 两只，250A 一 只） 。主机起动按钮位于机组侧的操作面板上，按压该按钮， “Y-”转换接触器得电动作，启动 主机。 1.2 压缩机制冷循环工作原理 本压缩机制冷循环系统包括压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置四部分。单级制冷循环是指制 冷剂（R717）在制冷系统内经过压缩、冷凝、节流和蒸发四个过程（称为一次循环） ，使对象环境 空气温度下降，从而达到制冷效果。冷凝系统由蒸发器、单级压缩机、油分离器、冷凝器、贮氨器、 氨液分离器、节流阀及其他附属设备组成，相互之间通过管道连成一个封闭系统。蒸发器输送冷量， 液态制冷剂蒸发后吸收对象物体的热量，实现制冷；压缩机用于吸入、压缩（释放热量） 、输送制 冷剂（氨）蒸汽；油分离器沉降分离压缩后的制冷剂中所含的油；冷凝器将压缩机排出的高温制冷 剂蒸汽冷凝成饱和液体；贮氨器贮存冷凝后的液态氨，调节冷凝器和蒸发器之间供需关系；氨液分 离器是重力供液系统的附属设备；节流阀对制冷剂起到节流降压作用，同时控制和调节流入蒸发器 电源指示 排气压力高 油压差低 精 滤 器 压 差 超 喷油温度高 吸气压力低 油 泵 运 行 指 示 主机起动 主机运行 断水指示 水温低指示 油加热指示 油泵开 油泵停 主机开 主 机 停 报 警 解 除 电源指示 电源指示 A 图 2 操作面板示意图 3 中液态制冷剂的流量，并将系统分成高压侧和低压侧。 由上可知，节流阀可以控制和调节制冷量，而其调节过程非常简单，就是调节阀门开度大小。 当温度较低时，不需要太多的冷量，可以将节流阀开度变小。但主机依然工作在全速状态下，能量 消耗并未减少。另外，即使在需要大量冷量时，节流阀最大开度也在 90%以内。也就是说，在理论 上始终有 10%左右的能量白白浪费。 另一方面，制冷空压机组由于在工频方式下运行，其投入和切断以及频繁的卸载、加载，对电 动机、压缩机和电网造成很大的冲击。并且，压缩机卸荷运行时，电动机处于空载状态，其用电量 为满负载的 60%左右，这部分电能也被白白地浪费。 分析可见，制冷压缩系统节能的关键环节恰恰在于将制冷剂的供应方式由被动节流转为主动的 流量调节，简单地说，就是将阀门开到最大，制冷剂供给流量由主机转速来控制，这样将节约大量 的电能。尤其是在冬季或环境气温较低时，节能效果尤为明显。 采用变频器进行制冷压缩机改造能很好地解决上述问题。 2. 变频制冷系统分析 变频器用于螺杆式压缩机，可以有限改善压缩机负荷性能，用变容量（对于螺杆式压缩机而言， 可以实现转速与容量的线性相关）的柔性控制代替了原来的起停控制，提高了压缩机的稳定性。 2.1 调节对象 压缩机运行频率：压缩机运行频率（转速）是调节制冷循环、改善系统性能的主要因素。在变 频制冷系统中，利用压缩机频率直接控制制冷剂流量，从而控制制冷温度。 电子节流阀开度：将电子节流阀开度开到最大，采用变频器单独控制制冷剂压力（或流量） 。 冷却循环水流速：无论室外换热器作为蒸发器还是冷凝器使用时，对换热器的循环水流速进行 调节，可以分级控制蒸发器的容量，进而控制冷循环的冷凝温度和蒸发器温 度等制冷状态参数。 2.2 压缩机频率变化对制冷系统影响 实践证明，制冷系统的制冷量、冷凝负荷和功率随着转速提高而显著提高，其能效比将随压缩 机频率升高而先迅速上升，在 3045Hz 达到最大值。 2.3 压缩机变频改造注意事项 2.3.1 关于运行频率 不允许在低频下长期运行。压缩机转速过低时，其稳定性变差，另一方面缸体润滑变差，磨损 加剧。因此，工作频率应不低于 20Hz。 2.3.2 关于附加配置 为了保证系统运行可靠性，建议加装输入（或输出）电抗器。 2.4 压缩机变频改造后节能估算 根据压缩机的特性，其轴功率 PZ（KW） 、制冷剂流量 QD（m 3/min）和轴转速 n（rpm）符合下 列公式： PZ=MRn/9550（KW） QD=KVn2（m 3/min） 式中： MR压缩机输入的平均扭矩，NM。 K与气缸容积、压力、温度和泄漏有关的系数。 n2调节后的压缩机转速，rpm。 V气缸容积，m 3。 由上式可知，若电机转速降至额定转速 75%，则压缩机的轴功率降为原来的 75%，电机消耗的 功率亦为 75%。也就是说，节能效果接近 25%。 以本系统单台压缩机计算。原系统平均负荷 70%。设变频器四季以平均频率 40Hz 运行，每天 工作 24 小时，全年工作 350 天，电费 0.5 元/度，则 改造前： PZ70%=MRn/9550（KW ） PZ=250（ KW）0.7=175KW 变频改造后（按 40Hz 计算，即额定频率的 80%）： P2=MRn80%/9550（KW） P2=175（KW） 0.8=140KW 年平均节电率为 20%。这个数据为保守估算。 以此计算，年平均节电费用为： 25070%20%243500.5=14.7 万元。 3. 变频制冷系统的优点 3.1 节能 由以上计算可知，变频改造制冷系统，其节电效果十分明显。 3.2 运行质量提高 单电动机拖动系统大多不能根据负载的轻重连续地调节。而采用了变频调速后，则可以十分方 便地进行连续调节，能保持压力、流量等参数的稳定，从而大大提高压缩机的工作性能。 3.2.1 减少运行成本 传统压缩机的运行成本由三项组成：初始采购成本、维护成本和能源成本。其中能源成本大约 占压缩机运行成本的 77%。通过能源成本降低 20%-40%，再加上变频起动后对设备的冲击减少， 维护和维修量也跟随降低，所以运行成本将大大降低。 5 3.2.2 提高压力控制精度 变频控制系统具有精确的压力控制能力。使压缩机的空气压力输出与用户空气系统所需的气量 相匹配。不再频繁的加载和卸载，变频控制压缩机的输出气量随着电机转速的改变而改变。由于变 频控制电机速度的精度提高，所以它可以使管网的系统压力变化保持恒定，有效提高了工况的质量。 3.2.3 延长压缩机的使用寿命 变频器从 2HZ 起动压缩机，它的起动加速时间可以调整，从而减少起动时对压缩机的电器部 件和机械部件所造成的冲击，增强系统的可靠性，使压缩机的使用寿命延长。此外，变频控制能够 减少机组起动时电流波动，这一波动电流会影响电网和其它设备的用电，变频器能够有效的将起动 电流的峰值减少到最低程度。 3.2.4 降低噪音、改善工作环境 根据压缩机的工况要求，变频调速改造后，电机运转 速度明显减慢，有效地降了空压机运行时的噪音，提高了 操作工人的工作环境。 4. 压缩机变频改造的实施 4.1 系统主要构成 本方案为局部优化改造，即在原系统基础上，将变频 器接入主机驱动回路。这样一来，既节省费用，又不影响 原系统的布局和控制操作习惯，工程量很小。 照此思路，变频系统包括一台变频器和一台工变频互 锁控制柜。其中，工变频互锁控制柜的作用是：当变频器 发生故障时，可切换到工频回路，从而启动压缩机工作。 如图 3 所示。 该示意图给出了变频器与工频控制的互锁切换关系。 例如，当变频器发生故障时，交流接触器 KM1 和 KM3 断开 ，而 KM2 闭合，工频由 L21、L22、L23 输入，直接送到电 机 M。 当变频器工作时，交流接触器 KM1 和 KM3 闭合，而 KM 2 断开，此时电源由 L21、L22、L23 直接输入给变频器。 事实上，变频器的旁路控制及其互锁控制构成了工变频互锁控制柜的核心。 4.2 系统的电气连接 如图 4 所示，电源（3 相 380V）在控制室的开 关启动柜内经过空开后，由 Y-转换电路输出到机 组的单机压缩机主电机。例如，出线分别为 L11、L 图 3 变频器及其旁路控制 变频器 KM1 L21 L22 L23 KM3 M KM2 控制室 开关启动柜 （ Y-转换） L11 L12 L13 图 4 与控制室电气连接 12、L13，直接接到图 3 所示的 L21、L22、L23 端，即可完成系统变频改造的电气连接。 这样做的最大优点是借用原系统主回路的电气连接线路，不但施工量小，而且节省成本。 4.3 变频器的选型及功能设定 4.3.1 变频器功能 利用变频器构成的空压机恒压控制系统表现出强大的功能，给系统操作、设备保养、设备维护 、节能降耗和生产统计等诸多方面都带来了很大的方便和无以伦比的好处。 控制功能 采用手动调节控制，操作使用非常简单灵活；控制操作均为弱电信号，安全性高。变频器面板 设有电源指示、运行指示、故障指示等状态指示灯，有启动、停止操作按钮以及调速旋钮。变频器 的键盘控制器可以显示当前频率（转速）、输出电压、输出电流、设定值、系统参数等。 保护功能 具有变频器自身保护和电机保护等多种保护功能。例如，过压、欠压、缺相、过热、过流、短 路、过负载、过转矩等。 统计功能 统计功能是变频器自身携带的对生产实际十分有用的功能。它可以记录各种保护次数、运行时 间、累计运行时间等。 4.3.2 变频器的配型与要求 由于螺杆式压缩机的负载比较特殊，在选配变频器时必须考虑容量裕度和性能要求，否则可能 无法正常使用，甚至损坏变频器，引起设备安全问题。 所以，对于所选用的变频器来说，应具备以下性能特点： a. 启动转矩大。 b. 耐受电流不平衡能力强。 c. 保护裕度大。 d. 过载能力强。 在本制冷系统的变频改造中，选用 HC-G3-280T3 型变频器。 4.3.3 变频器功能设定 采用变频器后，其功能参数大部分按出厂设定值使用。只是要设定下限频率，如 H031 设为 50 （即 50%），意为变频器输出频率下限为额定频率（50Hz）的 50%，即为 25Hz。这样一来，变频器 运行频率最低不低于 25Hz。其他运行和性能参数可根据实际调试情形确定。 变频器采用模拟量调速方式，即面板装有电位器，旋调电位器可实时调节变频器输出频率，操 作使用非常方便。 4.3.4 变频系统的其他要求 机组安装室内含有氨气，所以需要考虑防爆问题。变频器和控制柜内部分带触点器件如果选用 防爆产品，可以解决防爆，但会增加较多成本。 7 4.4 系统安装施工 变频器采用柜式结构，尺寸约为