1 节电（能）原理 1.1 生产工艺概况

铁山垅钨矿黄沙矿区的压风系统为空气压缩机集中供风，空压机的控制方式采用的是传统风机的控制方法，即接触器-继电器控制。由于电机的容量大, 启动电流大, 控制精度较低。为此，需要采用可编程控制来实现对压风机的自动控制, 提高系统的运行安全性能，进一步提供可靠的气源，并实现空压机的节能改造。

黄沙矿区空气压缩机房原有7台活塞式空气压缩机，共160m³并网使用，供黄沙矿区井下用气。正常生产情况下开140m³，1台20m³备用。随着井下深部开拓的不断延伸，耗气量的增加，将原活塞式空气压缩机全部改造为单螺杆式空压机，共180m³。20m³空气压缩机功率均为132kW，40m³空气压缩机功率均为250kW，都是通过星-三角转换的降压方式启动。改造后，正常生产情况下开160m³，1台20m³备用。正常情况下矿区内的生产压力范围要求在0.6MPa到0.8MPa。这样的压力要求就会出现多开1台时供气压力大于用气压力，而少开1台又会出现用气压力不足的现象。随着井下生产中风钻用气量的不断变化，高压储气罐的压力也在不断变化。根据生产工艺要求设备的上限压力定位到0.8MPa，只要压力高于上限值，空气压缩机就会自动卸载工作，这时空气压缩机的电机空转不带负载，不产生高压气体。随着用气量的不停变化，空气压缩机通过不断地卸载和加载维持用气量和供气量之间的平衡。其中20m³加载工作时间100s，加载时电机的工作电流265A，卸载时间30s，卸载电机的工作电流为98A。运行状况为两班生产，每班8h运行。

1.2 工作原理

空气压缩机的运行方式为星-三角减压启动后全压运行。具体操作程序为：按下启动按钮，控制系统接通启动器线圈并打开断油阀，空气压缩机在卸载模式下启动。这时进气阀处于关闭位置，而放气阀打开以排放油气分离器内的压力。降压启动后空气压缩机开始加载运行，系统压力开始上升。如果系统压力上升到压力开关上限值，即起跳压力，控制器使进气阀关闭，油气分离器放气，压缩机空载运行，直到系统压力跌到下限值后，即回跳压力下，控制器使进气阀打开，油气分离器使放气阀关闭，空气压缩机重新满载运行。

1.3 节电(能)原理

空气压缩机是在加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在p_min~p_max之间来回变化。p_min是最低压力值，即能够保证用户正常工作的最低压力，p_max是用气设备或者储气罐容许的一个正常工作的安全最高压力（为了安全，有一定的富裕量）。一般情况下，p_max~p_min之间关系可以用下式来表示：

δ是一个百分数，其值大致在10%~25%之间。

空气压缩机属于恒转矩负载，用变频调速^[1]的方法调整供气量能使电机的输出功率基本与转速（供气量）成正比关系，可连续调节供气量的话，则可将储气罐压力始终维持在能满足供气的工作压力上，即p_min附近。由此可知，空气压缩机的加、卸载供气控制方式较之变频系统控制方式，所浪费的能量主要在两个部分，具有比较大的节电空间。

压缩空气压力超过p^min后，原控制方式决定其压力会继续上升(直到p^max)。这一过程中必将消耗能量，从而导致能量损失。另一方面，高于p^min的气体在进入气动元件前，其压力需要经过减压阀减压至接近p^min。这一过程同样是一个耗能过程。通常情况下，当压力达到p^max时，空气压缩机通过如下方法来降压卸载:关闭进气阀使电机处于空转状态，同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空。这种调节方法要造成很大的能量浪费。

关闭进气阀使电机空转虽然可以使空气压缩机不需要再作功，但空气压缩机在空转中还是要带动螺杆做回转运动。据我们测算，空气压缩机卸载时的能耗约占空气压缩机满载运行时的25%~35%(这还是在卸载时间所占比例不大的情况下)。换言之，该空气压缩机20%以上的时间处于空载状态，在作无用功。很明显在加卸载供气控制方式下，空气压缩机电机存在很大的节能空间。

供电电源的频率，产生气体的流量Q与电机的转速n成正比，空气压缩机产生的风压力p与电机转速n的平方成正比，电机轴功率P与转速n的立方成正比。所以当电机的转速降低时，空气压缩机电机轴功率成立方关系下降，节能效果非常显著。如图 1所示。

2 节电（能）控制系统的设计

经过对空气压缩机运行状况的现场测定，原有供气控制方式存在诸多问题，需要应用变频调速技术进行恒压供气控制^[2]。采用这一方案时，可以把储气罐压力作为控制对象，压力变送器YB将储气罐的压力转变为电信号送给PID智能调节器^[3]，与压力设定值作比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号送变频调速器VVVF，通过变频器控制电机的工作频率与转速，从而使实际压力始终接近设定压力。同时，该方案还增加工频与变频切换功能，保留原有的控制和保护系统，并采用电度表来对比证明节电的效果。另外，采用该方案后，空气压缩机电机从静止到旋转工作可由变频器来启动，实现了软启动，避免了启动冲击电流和启动给空气压缩机带来的机械冲击。

空气压缩机恒压供气智能控制系统由变频器、压力传感器、软件控制单元等组成。此控制系统根据压力传感器检测到的空气压缩机出口的压力值，通过PID调节计算和变频器调整压缩机电机的工作状态。具体的控制系统流程如图 2所示。

3 节电（能）控制系统的经济效果 3.1 改造控制系统的效果

采用基于可编程控制器和变频器对空压机的改造，具有明显的节电效果，节电率平均可达26%以上；在操作运行中，大幅度地降低噪声，减少公害，保护环境；对系统实现软启动，软停止，没有电流和机械冲击；对电机设备减少磨损，降低电流，延长电机、空压机等设备寿命；根据生产的实际情况，以满足设备要求的最低压力值输出，可以降低输气管道的损耗，同时在满足设备要求的条件下，可以降低用气量，节约了电能；设备的自动化程度提高，进行恒压供气，用气设备稳定工作，优化了生产工艺，提高了产品质量。采用自动控制系统可以节约电能，减少人员费用，降低设备维护费用，提高设备使用寿命。

利用原有的设备和工艺技术，增加一个节电控制系统，将原来的控制系统作为旁路，当可编程变频器出现故障时仍可采用原控制系统，不至于影响空气压缩机的正常运行而影响生产。

3.2 节电(能)效果

铁山垅钨矿黄沙矿区空气压缩机通常每天运行16h以上，按平均节电率25%，平均电费单价0.65元/kWh计算，则

月节约电费=电机功率×负载率×每天工作小时数×每月工作天数×电费单价×节电率

=132×0.9×16×25×0.65×25%=7 722（元）

4 结束语

目前，能源紧缺、电力紧张在一定程度上制约了我国的经济发展，如何降低能源消耗、节约能源是大家关注的一个课题。在工艺设计过程中，为了考虑富裕量，常常采用“大马拉小车”的工作方式。这种方式为节电提供了空间。在对生产工艺进行分析的基础上，再选择控制方式。该控制系统，采用常用的控制设备，实现理想的控制效果，使得供气系统安全、可靠。