摘要：空压机是一种气体压缩设备，以气体压力作为动力源，具有供压稳定、压强大、可控性好的优点，在钢铁厂炼钢、连铸、高炉喷煤等生产环节都有着十分广泛的应用，是生产必不可少的动力设备。绝大多数气动元件都是以空压机作为气源来维持运转，因此运行情况与企业生产密切相关。同时，空压机也是工业生产中主要的能耗设备，用能耗约可占整个钢铁企业能耗的15％以上；但由于控制和运行方式不当等原因，连续工频运行下空压机的电能消耗也是十分严重的，浪费率最高可达到40%，节能空间巨大。在当前钢铁企业节能增效的要求下，作为企业能耗大户，空压机的节能改造问题也成为企业技术公关的重点。目前，空压机节能改造方面多采用变频调速技术手段，通过生产实践具有良好的节能效果，有效降低了空压机能耗，提高了运行效率；同时，变频调速的应用也实现了空压机的软启动和恒压供气，延长了设备寿命，保障了正常生产。本文结合生产实践，对空压机变频节能技术的基本原理和实际应用进行了探讨。
关键词：空压机；变频节能；技术
1空压机设备现状
1.1动力损耗增大，能源浪费严重
空气中较多的水分会导致管路的腐蚀，形成的铁锈等污垢会堵塞管路和控制阀，使压缩空气输送阻力增大，动力损耗和动力成本增加；长时间的严重腐蚀甚至会导致管道开裂，难以焊补，压缩空气也会随之外泄，继而造成管网压力下降，能源浪费严重。同时，因空气含水量大，为避免管路堵塞和冻裂，冬季将被迫进行人工放水，增加人力投入。生产中经常出现因放水不及时、不彻底而导致管路积水，管网压力波动的情况，给正常生产带来很大影响。
1.2设备故障频发
大量水分随压缩空气进入系统管路之后，会导致系统用户气动设备及气控仪表内部生锈，水分和形成的污垢严重影响设备控制的精度和运行的稳定性，增加故障率，并缩短设备使用寿命。因气源污秽而故障频频的气动设备需要额外保养及修理，使维护费用增加，提高了生产成本。
2检测与控制系统总体设计方案
整个检测与控制系统分为上位机监控层和现场设备层。上位机监控层采用组态软件构建空压机的远程监控系统，并通过串口通讯实现下位机与上位机系统数据的实时交互，实现远距离对空压机进行控制和工况监测。现场设备层以可编程控制器PLC作为核心控制器，用于空压机运行状态信号的处理分析，并对其进行启动、停止和报警等控制；传感器用于实时收集空压机在运行状态下的各种参数，并传输至可编程控制器的CPU中进行处理和计算。
3空压机变频调速节能系统的结构和运行原理
变频调速是一种通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机功率输出的技术，它改变了电机在单一工频模式下不能调节转速和功率的弊端，实现了电动机及其拖动负载的“按需输出”，使电机运行更加高效节能。
3.1变频调速节能系统的构成
空压机变频调速系统主要由变频器、压力传感器、工频转换柜三部分组成。其中变频器是系统运行的核心，主要作用是改变电机工作电源频率。运行时根据传感器的压力反馈信号，经过恰当的强制变频方法，将输入的工频电转变为幅值和频率都可调节的交流电，然后再输出至交流电机，从而实现交流电机的变速运行；压力传感器主要用于采集气压管网的压力信号，并将采集的信号以模拟信号的方式反馈给变频器；工变频转换柜是变频器的控制系统，通过变频器实现对空压机的自动化变频调速；同时还具有故障报警和状态显示功能，使人们通过转换柜的显示界面即可观察到电机的电流、频率、输出、PID反馈值等实时工况信息。
3.2变频调速系统的运行原理
变频调速系统以压力作为控制对象，通过对电机转速的变频调节实现对空压机输出压力自动化控制，从而使空压机输出压力与管网用气量变化达到动态化匹配的理想运行状态，降低功耗浪费。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆变频调速系统运行时首先由PID调节器获取压力传感器反馈的压力信号，并将其与预设的压力给定信号相比较，进行一系列运算后形成综合信号，然后再由PID将处理后的综合信号传输至变频器，由变频器根据反馈信号与给定信号的压力变动量对电动机转速和工作频率进行自动调节，使空压机输出压力与实际需求压力相匹配。现在很多变频器本身就具有PID调节功能，一般不需要再外加PID调节器，系统布局也可以更加简单。
3.3叶轮和扩压器的改造
叶轮和扩压器是空压机的核心部件，但由于是进口设备，部件采购周期比较长，价格较贵。为了降低部件采购成本，我们对叶轮和扩压器进行了国产化改造。为了了解原叶轮和扩压器的匹配情况，首先对原叶轮和扩压器进行三维扫描，模拟仿真出原叶轮和扩压器组合后的运行状况和效率，并对叶轮的材质和叶型进行分析。在原叶轮的基础上重新设计，采用了更为高效的后弯式叶轮设计；同时采用CFD和FEA应力分析系统，重新计算了空气动力特性和叶轮受力情况。在此基础上优化了叶型，使得叶轮具备了操作范围宽、负载变化适应性好的特点，更好地适应了空压机变频调速的运行状态，即使只有部分载荷时仍能保持高效运行。为了保证叶轮部件的加工精度，采用了五轴联动车床进行精加工，确保了叶轮的稳定运行。机组核心零部件国产化改造完成后，机组试车正常，流量增加显著，电机电流提高，基本满足生产需要。同时为企业直接节省了数十万元的采购费用，有效降低了采购费用和周期。
4软件方案设计
空压机检测与控制系统软件方案设计包括下位机控制程序开发和上位机监控程序开发。
4.1PLC下位机监控程序设计
下位机控制程序主要需实现的功能是空压机运行状态参数的自动监测与控制，为了使程序在修改和联调时更加方便，增强适用性，降低编制难度，本系统的下位机监控程序采用结构化设计，根据系统的不同功能编写不同的子程序。当整个系统需要进行某项控制操作时，可直接通过调用子程序的方式来完成相应的功能。
当PLC主控制器通过传感器传输的数据监测到空压机发生故障时，触发预警中断子程序，并转入故障处理子程序，如果故障没有被及时处理，系统控制空压机立刻停止运行，从而保证空压机的设备安全。
4.2上位机监控软件设计
本系统以西门子专用组态软件WINCC6．0作为上位机系统的开发平台，将本系统所要实现的主要功能包括空压机运行状态参数实时监控和远程自动化控制空压机进行集成。根据检测与控制系统的需求设计人机交互界面，工作人员可通过界面实现实时监测和特殊操作的控制。此外，监控软件采用动态界面，包括运行状态下参数的实时显示、各种电气设备的手动自动切换控制、超过阈值报警、历史数据查询以及报表打印等功能。
5空压机改造实施后的效果
通过对空压机组进气滤筒、级间冷却器、叶轮等部件的国产化改造，既保证了设备的良好运行，又克服了部件采购周期长、采购费用高的问题，提高了机组的运行效率，为企业节省了采购资金；对空气干燥系统的节能改造，既提高了压缩空气的露点温度，改善了空气质量，又降低了空压机组的气损率，提高了压缩空气利用率，促进了企业节能增效。
结语
综上所述，变频调速系统保证了空压机在生产所需压力下的最低功耗运行，降低了电机不必要的功率输出，在实现了恒压供气的同时节省了空压机电能消耗；另一方面，变频调速的应用也降低了设备的故障率，减少了检修维护的压力，提高了设备使用寿命。变频节能设备改造后，我们对空压机能耗进行了调查，节电率可达到20％以上，为企业带来了可观的经济效益和环保效益，是企业理想的节能设备，促进了钢铁企业的节能减排、低碳生产。
参考文献：
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[2]王蒙，张智勇.空压机的变频节能改造措施研究[J].内燃机与配件，2018（11）：74-75.
论文作者:闫飞,马平,蒋赛
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/5/6