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變頻調(diào)速冷卻系統(tǒng)在螺桿空壓機控制中的應用
發(fā)布日期：2016-03-10 來源：《上海設備管理》
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一、引言
目前，在各種工礦企業(yè)運行著大量噴油螺桿空壓機，其中有部分為變頻螺桿空壓機，其主要特征是驅(qū)動壓縮機的主電機通過變頻器進行調(diào)速，實現(xiàn)恒定壓力供氣，而其中排氣溫度控制是通過溫控閥分別控制流向油冷卻器至機頭和旁通短路直接回機頭的不同流量比例的潤滑油來實現(xiàn)的，隨著空壓機運行環(huán)境溫度高低不一，工作負荷狀態(tài)變化頻繁，排氣溫度波動較大，當排氣溫度過高時，減小旁通管道的流量，進而增加進入油冷卻器管道流量，實現(xiàn)降低潤滑油溫的目的；當排氣溫度過低時，增加旁通管道的流量，進而減少進入油冷卻器管道流量，進而升高油溫，自動控制進入機頭的潤滑油溫度，防止過高或過低的排氣溫度，延長潤滑油壽命，并確保安全。由于石蠟閥芯結(jié)構模式的溫控閥受本身技術性能限制，其調(diào)節(jié)行程和響應速度往往不盡人意，在寒冷的冬天，或當壓縮機在低頻狀態(tài)下運行時，對于空壓機特別是水冷空壓機，常常發(fā)生溫控閥不能完全調(diào)節(jié)，從而發(fā)生潤滑油因排氣溫度低于壓力露點溫度而發(fā)生析水現(xiàn)象，導致潤滑油乳化引起機頭潤滑失效；而在夏天，當壓縮機滿負載運行時，很有可能發(fā)生機頭排氣溫度過高，從而引起潤滑油壽命縮短甚至碳化，影響機組的運行效率和使用可靠性。因此需控制壓縮機的排氣溫度，使之在一個合理的范圍之內(nèi)，以避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。另外，考慮到螺桿空壓機須滿足在高溫環(huán)境滿負荷狀態(tài)下長時間運行的需要，因此冷卻系統(tǒng)負荷量只能按最大冷卻量需求進行設計，空壓機運行時，冷卻系統(tǒng)在啟停模式控制下滿負荷運行或停止，排氣溫度值呈波浪式起伏，同時噪聲對整機的影響較為明顯，為了響應國家“節(jié)能降耗，降本增效”號召，采用變頻調(diào)速冷卻方案實現(xiàn)對變頻噴油螺桿特別是大功率機組恒溫排氣、恒壓供氣、提高空壓機運行可靠性和節(jié)能降噪，顯得日趨重要和必要。
本文所闡述的變頻調(diào)速冷卻系統(tǒng)應用于普通變頻噴油螺桿空壓機，也可適用于普通工頻噴油螺桿空壓機，與傳統(tǒng)以穩(wěn)定排氣壓力為目的的變頻機組合使用，實現(xiàn)壓縮機的恒溫排氣和恒壓供氣，保證機器的穩(wěn)定運行，也就是所謂新型雙變頻噴油螺桿空氣壓縮機，本文中，以風冷機型變頻風扇為例進行分析（如果是水冷機型則為變頻水泵），而對傳統(tǒng)的恒定壓力供氣技術，鑒于應用廣泛和技術成熟，不再贅述。
二、變頻冷卻系統(tǒng)技術條件和控制原理
變頻調(diào)速冷卻系統(tǒng)以空壓機排氣溫度（油氣混合物）作為控制對象，采用常用的PID過程控制，由風扇用變頻器、壓力傳感器、PLC可編程控制器、風扇電機、冷卻器、風扇等組成閉環(huán)負反饋恒溫控制系統(tǒng)，通過風扇電機變頻驅(qū)動的冷卻系統(tǒng)實現(xiàn)。壓縮機的排氣露點溫度與進氣溫度（環(huán)境溫度）、機頭進氣壓力、環(huán)境相對濕度、機頭排氣溫度及排氣壓力有關，進氣壓力正常默認為標準大氣壓，環(huán)境溫度，機頭排氣壓力按最高工作壓力進行設置，機頭排氣溫度通過溫度傳感器將檢測到的溫度信號送至處理器。相對濕度根據(jù)當?shù)貙嶋H情況手動輸入PLC，通過處理器進行運算得出當前露點溫度，在此基礎上加上一定的安全裕度形成排氣溫度目標設定值。DIP智能調(diào)節(jié)器以實際當前排氣溫度為被控量的反饋信號，與排氣溫度目標設定值進行比例；積分計算，轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號后反饋到變頻器，構成負反饋系統(tǒng)，從而調(diào)節(jié)風扇電機輸出頻率和轉(zhuǎn)速，使空壓機的實際排氣溫度動態(tài)的維持在目標設定值上，從而達到恒溫與節(jié)能的目的。當排氣溫度高于目標設定值，風扇電機增加工作頻率，冷卻速度加快，從而降低排氣溫度；反之，當排氣溫度低于目標設定值，風扇電機減小工作頻率，冷卻速度降低，進而排氣溫度升高。從而實現(xiàn)螺桿空壓機的冷卻系統(tǒng)的冷卻功率動態(tài)的匹配機組的即時消耗功率，并實現(xiàn)螺桿空壓機排氣溫度的恒定。
風扇變頻器輸出變頻范圍采用15～50Hz，滿足從空載、低排氣量以及低環(huán)境溫度到滿載、高溫環(huán)境等各種復雜運行工況，為了保證機組的可靠性，風扇電機同空壓機主電機一樣，采用獨立冷卻風扇進行自身的冷卻。
三、變頻冷卻系統(tǒng)技術方案的實施
空壓機變頻調(diào)速冷卻系統(tǒng)為：在螺桿機頭排氣口采樣點處安裝溫度傳感器，油氣桶出油口與冷卻器并聯(lián)一路配有常閉電磁閥的油路，油冷卻器和后冷卻器通過變頻風扇冷卻，變頻調(diào)速冷卻系統(tǒng)設計需兼顧各種工況要求。
冷卻系統(tǒng)風扇電機以最高頻率50Hz運行時，冷卻能力同時滿足下述要求：
（1）最高允許環(huán)境溫度46℃；
（2）最高允許排氣工作壓力；
（3）空壓機主電機最高頻率（一般為額定頻率50Hz）。
變頻調(diào)速冷卻系統(tǒng)風扇電機以頻率15Hz運行時，冷卻能力空濾須與下述工況匹配：
（1）較低的環(huán)境溫度；
（2）機器在卸載狀態(tài)；
（3）空壓機主電機最低頻率（全變頻空壓機，一般采用15Hz）。
當風扇電機以頻率15Hz運行時，上述工況同時發(fā)生時，有可能發(fā)生冷卻能力仍超過系統(tǒng)要求，排氣溫度逐漸越來越低于目標設定值，一旦低于最低控制溫度Tmin時，風扇停止運行，在正常情況下，風扇停機幾率非常小或周期較長。
關于空壓機排氣溫度控制點，假設以一臺額定排氣壓力為8kgf/cm2機器為例，在60%相對濕度時，從30℃的環(huán)境溫度標準大氣壓力下壓縮到8kgf/cm2時，相應的飽和溫度為63℃，考慮到工況的各種變化和傳感器檢測精度，為了保證機頭排氣油氣混合物絕對不會出現(xiàn)冷凝水，通常控制排氣溫度不得低于70℃，我們考慮到變頻數(shù)據(jù)上下波動，在正常情況下，排氣溫度目標設置值高于排氣最低控制溫度5～8℃，控制器通過內(nèi)部計算程式，將目標排氣溫度自動設置為78℃，PLC控制器對排氣溫度目標設定值刷新周期一般設定為15～30min為宜。表1為環(huán)境溫度30℃，相對濕度分別為60%、100%，標準大氣壓力下，不同排氣壓力下的控制溫度參考設置值。
上述排氣溫度目標設置值Ta也是風扇啟動溫度控制點，Tmin為排氣最低控制溫度，即能夠保證用戶正常工作的排氣最低控制溫度，同時也是風扇停止運行溫度控制點。
當剛開機時，常閉電磁閥得電，保證機器啟動后盡可能較短的時間內(nèi)，避免因油路完全經(jīng)過冷卻器等管道而延遲對機頭供油，一定的時間后，電磁閥失電，油路全部經(jīng)過冷卻器，油溫達到目標設置值Ta，變頻風扇開始運行。
空壓機正常運行時，會有各種工況變化：滿載、卸載以及在恒壓排氣要求下，主電機進行動態(tài)變頻調(diào)速，由于機組的實際功耗不斷地的發(fā)生變化，需要冷卻的功率不斷隨之發(fā)生變化，變頻調(diào)速冷卻系統(tǒng)以空壓機排氣溫度（油氣混合物）作為控制對象，風扇電機通過溫度傳感器輸出4～20mA電流信號，經(jīng)過PLC模擬輸入端口送至變頻器內(nèi)部PID智能調(diào)節(jié)器，與排氣溫度目標設定值Ta進行比較，根據(jù)差值ɛ大小按既定的模式進行運算，空壓機對過程時間無須太高的要求，變頻調(diào)速冷卻系統(tǒng)PDI控制模式應用選擇PI調(diào)節(jié)方式即可。PID智能調(diào)節(jié)器輸出的控制信號控制變頻器的輸出電壓和輸出頻率，不斷動態(tài)調(diào)整風扇電機的轉(zhuǎn)速，對機頭排氣溫度實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)控制，從而使實際排氣溫度始終維持在排氣溫度目標設置值Ta附近上下波動。當排氣溫度高于目標設置值，變頻器輸出的電源頻率升高，風扇電機轉(zhuǎn)速增加，冷卻速度增加，使空壓機排氣溫度降低；當排氣溫度低于目標設置值，變頻器輸出電源頻率降低，風扇電機轉(zhuǎn)速下降，冷卻量降低，使空壓機排氣溫度增加；當排氣溫度與目標設定值基本持平，變頻器就會穩(wěn)定在當前頻率下運行，滿足系統(tǒng)冷卻量要求，這樣在變頻空壓機恒壓排氣基礎上實現(xiàn)了排氣溫度的恒定，保證空壓機運行于最佳運行狀態(tài)。
四、變頻冷卻系統(tǒng)控制方案優(yōu)點
變頻調(diào)速冷卻系統(tǒng)，可以很好的控制空壓機排氣溫度，實現(xiàn)機組的恒定排氣溫度，相對于普通變頻機型采用溫控閥控制排氣溫度，有著如下優(yōu)點：
1、實現(xiàn)恒定的排氣溫度，有利于提高壓縮機螺桿機頭的運行效率和設備使用可靠性，螺桿機頭、密封件、橡膠油管路等零部件的工作溫度一般說來有一個最佳的溫度范圍，對于壓縮機機頭的轉(zhuǎn)子之間的間隙，恒定的溫度對保障機頭的可靠性和效率會有一定的幫助，當排氣溫度過高時，壓縮機機頭的端面間隙和齒頂間隙變小，引發(fā)機頭零件互相摩擦甚至咬死的風險。
2、有利于降低油耗和延長潤滑油使用壽命，保證機組穩(wěn)定可靠的潤滑，排氣溫度過高也會導致更多的潤滑油處于氣相，增加油氣分離的困難和油耗，另外排氣溫度過高還會降低油的壽命，發(fā)生氧化、碳化或分解現(xiàn)象，而無法保證機器的正常潤滑和運行。
3、變頻調(diào)速冷卻系統(tǒng)，針對機組運行時各種復雜工況，系統(tǒng)可準確自動設置合理的排氣溫度目標值，保障空壓機排氣溫度高于壓力露點，可靠的保障空壓機穩(wěn)定運行，目前，市場上很多壓縮機的排氣溫度設置沒有考慮到機器的排氣壓力和相對濕度等動態(tài)因素對即時壓力露點的影響，經(jīng)常發(fā)生同一型號溫控閥應用于不同額定排氣壓力的空壓機，以同一臺空壓機為例，見上述參數(shù)設置表：在排氣壓力12.5bar，相對濕度100%工況下比7bar/60%工況，壓力露點要相差24℃之多，廠家和用戶在不經(jīng)意之中，機頭因潤滑油乳化、潤滑失效常常導致發(fā)生機頭擦壁、咬死等故障。
4、實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的節(jié)能降耗，風扇的轉(zhuǎn)速以動態(tài)適應機組的即時運行功率和恒定排氣溫度為目標，特別是在環(huán)境溫度較低的季節(jié)或主電機以較低的轉(zhuǎn)速運行時，冷卻系統(tǒng)輕載運行的時間所占的比例是非常高的，風扇可以以較低的頻率運行，減少不必要的功率損耗；通過實踐證明，一臺250kW螺桿空壓機，正常配置的風扇軸功率為8kW，如果是采用變頻調(diào)速冷卻系統(tǒng)，風扇年平均軸功率為4～6kW，顯著降低設備運行成本。
5、有效降低機組噪聲和延長冷卻設備使用壽命，傳統(tǒng)的工頻風扇采用啟停和啟動后直接滿負荷運行，都直接導致運行噪聲較大，變頻調(diào)速冷卻系統(tǒng)根據(jù)壓縮機的實際工況要求，風扇電機根據(jù)實際冷卻量需求提供相應的轉(zhuǎn)速，風扇電機無須頻繁啟動，風扇噪聲有明顯的下降，從而有效地降低空壓機整機運行時噪聲，仍以250kW螺桿空壓機為例，變頻調(diào)速冷卻系統(tǒng)整機噪聲由84dB有效降至77～80dB ，另外，變頻調(diào)速冷卻系統(tǒng)使風扇電機啟動實現(xiàn)軟啟動，軟停車，啟動電流小，無須反復啟動和停止，軸承磨損小，延長冷卻設備使用壽命。
五、結(jié)語
綜上所述，新型雙變頻噴油螺桿空壓機采用變頻調(diào)速冷卻系統(tǒng)，整機實現(xiàn)恒溫排氣，恒壓供氣，相對采用傳統(tǒng)溫控閥控制的普通變頻螺桿空壓機有著不可比擬的許多優(yōu)點，對提高噴油螺桿空氣壓縮機運行效率、可靠性和穩(wěn)定性具有顯著的效果，目前變頻器制造技術日趨成熟、生產(chǎn)成本逐漸降低，其經(jīng)濟效益非常明顯。隨著國家“環(huán)保節(jié)能、降耗降噪和降本增效”要求不斷提高以及市場的不斷推廣，相信變頻螺桿空壓機特別是大型變頻螺桿空壓機組應用變頻調(diào)速冷卻系統(tǒng)會越來越廣泛，實際生產(chǎn)和應用有著非常廣闊的應用前景。
作者：王桂榮 陳鵬高 上海斯可絡壓縮機有限公司
