压缩机节能改造方案.doc

99空压机网 压缩机是为高炉提供压缩空气的动力设备， 是钢铁企业冶炼生铁工艺流程中极其重要的设备， 压缩机的工作状态不但决定着工艺质量， 同时也对高炉的安全生产起着至关重要的作用。较离心式压缩机， 轴流压缩机具有效率高、流量大、工况范围宽、安全可靠等优点， 被大量应用于大、中型高炉， 而压缩机机组能否充分发挥应有效率， 控制程序完善与否是决定性的因素。湘钢 1压缩机为日本三菱公司生产的静叶可调式轴流压缩机， 其静叶及两个防喘振阀由阿斯卡尼亚液动装置驱动。此机组原控制系统为三菱公司 PLC 系统， 由于其年代久远， 自动化程度低， 故障率高， 可维护性差， 已严重影响到机组的安全运行和装置的平稳生产， 厂方决定对其进行改造。文中介绍采用先进的国产 DCS系统 - HOLL iASMACS- S系统实现对湘钢 1压缩机组控制系统的改造。1 轴流压缩机组工艺流程湘钢 1轴流机组装置是由拖动式汽轮机 + 轴流压缩机组成。空气经过空气过滤器进入轴流压缩机， 轴流压缩机在汽轮机驱动下旋转做功， 产生高压、大流量的压缩空气， 再送入高炉。2 轴流缩机控制系统的设计2 1 控制系统构成控制系统采用第四代 DCS系统 HOLL iAS- MACS系统， 系统硬件为 SM 系列， 软件为 MACSV系列。该系统由主控制器（ SM203）、扩展 I/O机架、防喘振控制器 （ YS- 80）、继电快速保护回路、工业以太网交换机、操作员站、工程师站、TSI监测仪表、硬操按钮 /开关组成。为了保证压缩机的稳定运行和高炉的安全生产， 控制系统采用冗余配置。2 2 控制系统功能实现轴流压缩机的控制比较复杂， 其控制难点主要包括： 定风量 /定风压调节系统控制、防喘振控制、连锁控制等。2 2 1 定风量 /定风压调节系统控制在高炉炼铁中， 高炉正常生产需要压缩机为高炉提供稳定的工艺特性， 即压缩机需定风量 /定风压运行。但在实际生产中存在着很多干扰因素， 造成了风量和风压的波动， 因此需专门设置定风量 /定风压调节系统对某个特定的风量或压力进行操作。其调节手段是采用控制静叶开度和改变转速相结合的方式。定风量 /定风压调节系统可以通过自动或手动操作方式进行切换。手 /自动切换时， 由 DCS 输出信号驱动伺服阀控制静叶。静叶作为压缩机定风量 /定压力操作的动作执行器， 可以采用串级调节。串级控制系统的内环是静叶定位调节， 由静叶伺服控制器、电液伺服阀、静叶位置变送器组成； 外环为流量 /压力传感器、流量 /压力控制器组成。当内环切换到串级状态时， 由流量 /压力控制器对比实际参数给定静叶角度设定值。静叶伺服控制器对设定值和位置反馈进行对比， 输出控制信号， 作用于电液伺服阀， 驱动静叶伺服油缸动作， 以到达设定位置。2 2 2 防喘振控制喘振是压缩机特有的不正常运行工况， 防喘振控制是压缩机控制的核心。该机组中， 通过 YS80 判断喘振。防喘振控制系统是通过对防喘阀开度的调节来完成的， 其原理为： 当压缩机接近喘振工况， 即出口压力接近压缩机喘振压力时， 防喘振控制系统便及时将管线上的防喘振阀打开某个角度， 从而使压缩机出口压力降低， 进而改变压缩机的运行工况。这样就避免了压缩机进入喘振工况区。轴流压缩机的运行工况分 3个区域： 喘振区域、安全区域和阻塞区域。喘振线将喘振区域与安全运行区域分开， 防喘振控制的目的就是防止压缩机进入喘振区域运行。通常喘振线是利用现场实测的压缩机不同喘振点所绘制出的喘振折线。在实际设计中考虑到为防喘振控制留下足够的安全裕度而增加其安全和可靠性， 下移 5% 作为放风线； 为了再次增加可靠性， 将喘振曲线平行下移 10% 作为防喘振的报警线。具体来说， 当排气压力超过报警线时， 系统发出报警信号，操作人员可以进行手动调节； 当排气压力值超过放风值时， 防喘振调节系统可自动控制， 放风阀按一定的角度打开， 使工况点回到放风线以下运行， 若工况继续恶化， 放风阀失电全部打开。系统检测压缩机入口喉部差压 p， 经采集后进行补偿计算得 p X， 再将补偿后的信号带入折线函数 p= f （ p X）， 经过预先标定的防喘振折线计算， 得出当前工况下的调节压力设定值SV1.设定值与当前排气压力 PV2在调节功能块中进行比较计算， 输出调节值作用于防喘调节阀， 形成完整的闭环控制回路。若 SV1 PV2， 调节器输出 0% 使 1放空阀全关。若 SV1 0% 使 1 防喘阀开至某一开度。2 2 3 连锁控制压缩机组连锁控制主要包括： 启动连锁与停车连锁。启动联锁是对机组开机前的保护， 只有在所有条件得到满足之后， 才允许开机。其联锁条件是： 主放风阀全开、副放风阀全开、透平主蒸汽阀全关、轴承油压 0 08 MPa、控制油压 0 75 MPa、排汽压力 90% 、转速 300 r/m in. 当启动联锁完成后， 进入待启动状态。操作员根据汽轮机的升速曲线 进行机组升速， 机组达到额定转速后， 按自动操作按钮将原控制程序中的流量调节和防喘振控制闭锁解除， 并进行机组加载， 直至满足工艺生产要求。停机联锁是最后采取的一项保护措施。其条件是： 轴承油压过低、推力轴承损坏、动力油压力过低、持续逆流发生， 其中任一条件得到满足， 则联锁停机。3 监视和操作界面在轴流压缩机 DCS 界面中， 包括多幅单回路面板画面和多幅运行监视画面。分别是： 机组主控画面、防喘振监视画面、机组轴系状态监测画面、润滑油站监控画面、蒸汽水系统监控画面、开机联锁画面、停机联锁画面以及历史趋势、报警、事件记录、操作日志等。通过这些监控画面， 操作人员可以方便、直观地了解压缩机组的运行状态。同时， 给机组故障分析、运行管理提供了极大的方便。4 结束语湘钢 1轴流压缩机经过了近半年的稳定运行， 得到了用户的肯定。作为国产 DCS控制系统第一次应用于进口压缩机的改造， 在克服了资料短缺、工期紧张、施工难度大等一系列困 机组轴系状态监测画面难， 在用户的大力支持下成功地完成了此次工程。HOLL iAS- MACS控制系统自投运以来， 整个系统运行稳定可靠， 对突发事件反应灵敏， 调节的精确性和控制的准确性确保了高炉送风的稳定， 实现了预期高可靠性的目标， 为安全生产、稳定向高炉送风起到了很好的作用， 使高炉产量得到显著的提高。同时也证明了控制系统设计合理、可行， 且安全可靠、运行平稳、操作方便灵活的特点。空 压 机 变 频 改 造 技 术 方 案 一、概述 空气压缩机是利用电能将空气压缩使之作为一种动力源的设备,在工矿企业中应用十分普遍, 配套电动机的容量一般较大，且大多是常年连续运行的，故节能的潜力很大。 目 前常见的压缩机有活塞式、螺杆式、离心式，不论哪一种工作方式，压缩机单位时间内产气量是一定的，目前压缩机都采用上下限控制或启停式控制，也就是说，当 气缸内的压力达到设定值的上限时，空压机通过本身的压力或油压开关闭进气阀，这种工作方式频繁出现加载卸载，而且对电网、螺杆空压机本身都有极大的破坏 性。 二、系统原工频运行概况 1、空压机工作原理简述：原空压机的运行方式为工 频状态。压力采用两点式控制（上、下限控制），也就是当空压机气缸内压力达到设定值上限时，空压机通过本身的油压关闭进气阀，当压力下降到设定值下限时， 空压机打开进气阀。生产的工作状况决定了用气量的时常变化，这样就导致了空压机在半载或轻载下运行，或者经常是加载几分钟，卸载几分钟，频繁的卸载和加 载，对电动机、空压机和电网造成很大的冲击。再说，空压机卸荷运行时，不产生压缩空气，电动机处于空载状态，其用电量为满负载的60%左右，这部分电能被白白的浪费。 系统在设计时是针对全厂满负荷用气量来设计的，并考虑了富余，是按最大量来设计的的，而现在的工况是用气量经常变化，且经常在半载下运行，在整个系统运行时存在着严重的“大马拉小车”的现象。为了解决这种现象，节约能源，提高经济效益，有必要对现有系统进行变频改造。 2、原系统工况存在的问题1）主电机全压起动，起动时的电流很大,会影响电网的稳定及其它用电设备的运行 安全，对机械设备的冲击大，电机轴承的磨损大，所以设备维护工作量大。2）主电机时常轻载运行，属非经济运行，电能浪费严重。3）主电机工频运行致使空压机运行时噪音很大。 4）经常卸载和加载导致整个气网压力经常变化，不能保持恒定的工作压力。 3、拖动系统的特点：1）机械特性具有恒转矩性质，电机的轴功率PL与转速n 成正比。2）大多处于长时间连续运行状态，但负载大小常有变动，为连续变动负载。3）飞轮力矩大，故要求有较大的启动转矩；4）有自动卸载与装载装置，在自动卸载或装载时，负载将突变。4、压缩机的主要控制对象是空气的压力,常见的控制方式有：1）手动调节输入或输出口的阀门开度；2）用机械方式进行自动卸载与装载控制；3）通过改变叶片的角度来调节压力或流量。 三、采用变频调速拖动系统必要性 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。它具有性能稳定，操作方便，节能效果明显等优点。它是一种较为成熟的高科技产品，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。因此,对空压机进行变频改造具有很高的经济效应和社会效益。1、从节能的角度看： 由于压缩机不能排除在满负载状态下长时间运行的可能性，所以，只能按最大需求来决定电动机的容量，故设计容量一般偏大。在实际运行中，轻载运行的时间所占的比例是非常高的。如采用变频调速，可大大提高运行时的工作效率。因此，节能潜力很大。有些调节方式（如调节阀门开度和改变叶片的角度等），即使在需求量较小的情况下，也不能减小电动机的运行功率。采用了变频调速后，当需求量较小的情况下，可降低电动机的转速，减小电动机的运行功率，从而进一步实现节能。2、从运行质量的角度看： 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、 从减少运行成本方面看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。 4、从提高压力控制精度方面看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，有效地提高了工况的质量。5、从延长压缩机的使用寿命方面看变频器从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。6、从降低噪音，改善工作环境来看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。 四、 变频改造后节能分析 变频器控制压缩机与传统控制的压缩机比较，根据空气量需求的多少来供给的压缩机运行工况，是经济的运行状态，能源节约是最有实际意义的。众所周知，空压机负载为恒转矩负载，其转速 n与流量、轴功率P的关系为（n1/n2）、P1P2(n1/n2) 、也就是说流量和功率成正比 。 由于实际用气量的变动，假定空压机的运行情况如下：（改造前） 在满载下运行的时间为10%，此时电机消耗功率为（P1=P0）； 在70%负载下运行的时间为30%，此时电机消耗功率为（P2=0.9P0）； 在半载下运行的时间为30%，此时电机消耗功率为（P3=0.85P0）； 在30%负载下运行的时间为20%，此时电机消耗功率为（P4=0.8P0）； 在空载下运行的时间为10%，此时电机消耗功率为（P5=0.6P0）； （P0为电机额定功率250KW）。 空压机每日用电量计算如下： W前=（0.1P1+0.3P2+0.3P3+0.2P4+0.1P5）24 =（0.1+0.30.9+0.30.85+0.20.8+0.10.6）P024 =（0.1+0.27+0.255+0.16+0.06）P024 =0.845P024 =20.28P0（KWh） 假定空压机改造后的运行情况如下：（改造后） 在满载下运行的时间为10%，此时电机消耗功率为（P1=P0）； 在70%负载下运行的时间为30%，此时电机消耗功率为（P2=0.7P0）； 在半载下运行的时间为30%，此时电机消耗功率为（P3=0.5P0）； 在30%负载下运行的时间为20%，此时电机消耗功率为（P4=0.3P0）； 在空载下运行的时间为10%，此时电机消耗功率为（P5=0.1P0）； （P0为电机额定功率250KW）。 空压机每日用电量计算如下 W后=（0.1P1+0.3P2+0.3P3+0.2P4+0.1P5）24 =（0.1+0.30.7+0.30.5+0.20.3+0.10.1）P024 =（0.1+0.21+0.15+0.06+0.01）P024 =0.53P024 =12.72 P0（KWh） 每日节省电量= W前W后 =20.28P0-12.72 P0 =7.56 P0 节电率:7.56 P0/12.72 P0*100%=37.3% 五、变频改造技术方案 1、 系统控制原理 本系统采用压力闭环调节方式，在原来的压力罐（或输气管道）上加装一个压力传感器，通过压力来控制变频器的转速。其控制原理为：将供气管道压力作为调控参数，通过压力变送器（或远传压力表）将压力信号转换为4- 20mA（或0-5V）直流信号，送入变频器内的PID调节器，与压力设定信号比较，其差值由调节器作PI运算，输出信号送给变频器，随时调整变频器的输 出频率，控制电机转速，维持管道压力稳定在设定的压力值上。若管道压力发生变化将自动进行调节。例如，当用气量减少，管道压力增加时，调节过程是：变送器 信号大于设定信号，调节器输出减少，变频器输出频率降低，电机转速下降，压缩机风量减小，使管道压力减小。由于其调控过程较快，短时间内，变换器信号和压 力给定信号便处于动态平衡状态，从而维持了变频器输出频率稳定，实现了恒压供气，使空压机始终处于节电运行状态。其控制系统原理框图如左：2、改造方案 设计时，根据电机容量(250KW/380V)选用一台富凌变频器，采用PID调节母管定压控制方式。该系统在设计时，从安全角度考虑，在保留原工频系统情况下，增加变频系统，做到了工频变频互锁