基于集散控制系统的空压机变频恒压供气改造

郑德金　孙建华　杨旭

摘要：文章针对除灰系统中空气压缩机能耗大、自动化程度低等问题，利用集散控制系统和变频器对空压机进行了变频改造，实现了空压机供气PID自动恒压调节，节能效果显著。

关键词：空压机；集散控制系统；恒压供气；PID变频；改造节能

中图分类号：TH457 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）11-0038-02

司家营铁矿热电车间共有两台螺杆式空压机，为除灰系统提供吹扫气源，是锅炉运行的重要设备，其运行状况的好坏直接影响车间的正常生产。针对上述问题，司家营铁矿热电车间对空压机控制系统进行改造以达到节能增效的效果。

1 螺杆式空压机工作过程及存在问题

1.1 螺杆式空压机工作过程

螺杆式空压机工作过程如图1所示：

如图1所示，空气经过空气过滤器过滤掉杂货和尘土等，经吸气调节阀进入到压缩腔，与此时被喷入的冷却润滑油混合，由电动机加压压缩成高压混合气体，经过储油罐进入油/气分离器，经过一系列的碰撞、重力离心等作用，空气与油分离，空气经过空气冷却器进入储气罐为系统供气，而油经过油过滤器和冷却器进入压缩器进行新一轮的油气混合。

1.2 空压机存在的问题

（1）空压机加载、卸载过程中，耗能较高，造成极大的浪费。（2）空压机房工作环境恶劣，噪音大。（3）自动化程度低，输出压力依靠调节阀人工调节，速度慢，精度低，供气压力不稳定。

2 空压机变频改造方案

2.1 空压机经济运行分析

根据空气压缩理论和异步电动机原理，空压机的轴功率、排气量和轴转速符合下列公式：

PL——空气压缩机功率

TL——空气压缩机转矩

nL——空气压缩机转速

根据上述理论分析，在空压机的汽缸容积一定的前提下，只有调节空压机的转速才能改变排气量。由于空压机是恒转矩负载，空压机轴功率与转速呈正比变化，因此通过调节空压机的转速来调节供风压力，是空压机经济运行的有效方法。

2.2 变频器的节能原理

由电机学知识可知，异步电动机的转速n与电源频率f、转差率S、电机极对数p三个参数有如下关系：

由此可知，在电机极对数p一定且转差率S又变化很小的情况下，转速n基本上与电源频率f成正比，即改变电源频率就可以改变电动机的转速。因此，可以利用变频器的调速功能调节空压机的转速，实现空压机的经济运行，以达到节能的目的。

2.3 集散控制系统介绍

集散控制系统（Distributed Control System）是以微处理器为基础的集中分散控制系统，可对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制，简称DCS系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一、人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的

分散。

2.4 空压机变频改造方案

恒压供气控制系统主要由DCS、变频器、空压机、压力变送器等组成，以管网压力为控制对象，设计的控制原理图如图2所示：

执行机构为变频器，采用V/F控制方式进行调频，根据偏差按设定的PID控制模式进行运算，从而控制变频器的频率，调节空压机电机转速，使得供气压力维持在给定压力上，实现供气的恒压控制。

为了安全运行，保留原有的工频控制模式和电气机械联锁，即工频、变频控制模式可切换运行，正常情况下，空压机以变频调速的控制方式运行，若变频器控制系统发生故障则自动切换至工频运行模式。空压机工频/变频运行模式的电气原理图如图3所示：

如图3所示，当QF1、QF2闭合时，空压机处于工频运行模式；当QF1、QF3闭合时，空压机处于变频调速模式。其中，QF2、QF3存在电气机械闭锁关系，即二者不能同时闭合。

3 空压机变频改造的实施

3.1 变频器的选型

选择变频器容量与所驱动的电动机容量相同即可。司家营铁矿热电车间共有两台复盛空压机，其型号为SA-250A，所配电机型号为Y2-355M-4，额定电压为380V，额定电流为433A，额定功率为250kW。为更好地实现恒压供气的目的，因此选用两台ABB风机泵类专用单传动变频器，其型号为ACS800-04P-320-3。

3.2 恒压控制系统的逻辑方案及PID调试

3.2.1 恒压控制系统的逻辑方案。该恒压控制系统是基于DCS控制系统完成的，其逻辑控制方案如图4。

此方案中，SELECT2为DCS组态中的模拟量二选一算法，即供气压力有两个，需选择一个压力为PID的控制对象。当无人工选择信号时，算法自动进行选择；当两个压力品质均好时，选择平均值；当其中一个压力品质坏时，则选择品质好的那一个压力；当有人工选择信号时，若条件满足（所选点品质好），则根据人工要求进行选择，选择结果的点品质也送出。

LAG为超前/滞后环节组态算法，其传递函数为：

G（s）=K（1+T1S）/（1+T2S）

式中：

K——增益系数

T1——超前时间（Sec）

T2——滞后时间（Sec）

其主要作用为通过T1、T2的设定，调节PID两个输入端信号的增益时间，排除信号传输及运算过程的延迟问题。

PIDF为组态中的PID调节器算法，为供气压力自动调节调节器，其偏差为反作用。

NORMA/M为带限值器及可调偏置的普通型软手操器，为变频器调速的界面手操作器，可实现调速的自动/手动的切换，可实现变频器的开环和闭环控制。

3.2.2 恒压控制系统的PID调试。组态完毕后，通过对PID比例系数、微分时间、积分时间的设定，方可实现供气压力的恒定调节。以即时曲线为依据，按PID调节的经验，以此设定三者的大小，根据曲线的振幅、反应时间，反复修改，最后整定出供气压力为0.7MPa时，系统正常运行的PID参数为：

PIDGAIN=0.45，即比例系数；PIDRESET=50，即微分时间；PIDDGAIN=6，即积分时间。

变频器自动投入后，供气系统运行稳定。

4 结语

随着DCS系统和变频技术的不断创新发展，无论从节能角度出发，还是自动化技术的推广应用，空压机的变频改造都将是一个必然趋势，而DCS系统则将是其首选控制系统。

参考文献

[1]周国良.压缩机维修手册[M].北京：化学工业出版社，2010.

[2]张燕宾.变频调速应用实践[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3]吴才章，党培，郑维，等.集散控制系统技术基础及应用[M].北京：中国电力出版社，2011.

作者简介：郑德金（1984—），男，河北钢铁集团滦县司家营铁矿有限公司技术员，助理工程师；孙建华（1966—），男，河北钢铁集团滦县司家营铁矿有限公司厂长，高级工程师；杨旭（1983—），男，河北钢铁集团滦县司家营铁矿有限公司副厂长，助理工程师。

（责任编辑：周 琼）