施建东

（大同煤矿集团有限责任公司四台矿，山西 大同 037003）

1 概述

同煤集团四台矿空压机房负责全矿井风动设备的动力源，属于高能耗设备，额定工频运行。在使用过程中井下用气量存在不确定性，空压机不能根据用气量的大小自动调节电机转速和空压机运行台数，从而调整排气量。当用气量小时，随着气压的增高，卸载阀频繁动作，造成电能的浪费和设备的加速损坏；同时缺乏信息化管理和自动化控制，空压机的设定参数、运行参数、故障信息和冷却系统的设定参数、运行参数、故障信息不能实时监视。本次对空压机的变频节能集控改造实现了该矿空压机的节能和集中控制与监视，对空压机节能降耗，提升自动化控制水平具有重大意义。

2 系统改造前工作原理和存在的问题

四台矿空压机房采用双回路供电，供电电压6kV，控制回路供电电压为380VAC。1号、2号空压机为单电机空压机功率各为560kW，每台空压机采用一台高压开关柜控制。3号、4号空压机为双电机空压机功率为315kW×2，每台空压机采用两台高压开关柜控制。四台空压机冷却方式均为水冷，其冷却系统包括三台冷却水泵、两台冷却风扇，工作电压为380VAC，冷却系统的水泵、风扇由单独的开关柜控制。各种设备供电系统图如图1所示。

图1 改造前空压机房供电系统图

该系统存在的主要问题有：

（1）无集控系统。各设备自由起停，无起停、互锁的逻辑控制。

（2）无供气量自动调节功能。通过一台或多台空压机直起运行，只能按照单台空压机额定供气量成倍增减总气量，会造成气量突增或突减，难以实现气量供需平衡，造成供气不足或是供气过量。

（3）无系统设备、管路运行状况监控功能。缺乏供气系统的实时监控，无法保证井下实时变化的用气需求。

3 系统改造情况分析说明

3.1 高压变频器及高压配电柜改造

增加1台高压变频器控制1号空压机；将原来1号空压机的高压开关柜替换为带有电能计量功能的开关柜，当做变频器的进线柜；增加1台切换柜，正常工作时，KM1闭合，KM2断开，当1号空压机检修或者故障时，可以断开KM1，闭合KM2，用变频器控制2号空压机，从而实现一台变频器分时控制两台空压机变频运行，即空压机分时双变频系统。如图2所示。

在用4台空压机通过矿井用风量分析对比，通过一台空压机的启停即可满足生产需要，并实现节能最优，故在此选择投入1台高压变频器。

图2 单台变频器控制

3.2 低压配电柜改造

（1）配电室的低压配电柜由于使用时间过久，部分电气元件损坏，且负载设备发生了变化，已不能满足现场使用，所以将低压配电柜全部更换。

（2）原来冷却系统的水泵及风扇的开关柜只能进行本地控制，没有远控功能，且没有采集电机电压电流信号，如果需要集控并且进行短路、过载保护，就必须更换新的开关柜。

改造后的高低压供电系统如图3所示。

3.3 改造后实现功能

（1）将现场的4台空压机，3台水泵，2台风扇进行集中控制，依据空压机和冷却系统的逻辑控制关系，统一由上位机按照起停顺序控制。

（2）1号空压机或2号空压机可分时使用变频调速，且自动变频模式时，始终保证有一台空压机进行着变频调速，实现气量的连续调节。

（3）2号空压机作为备用空压机，其既可作为变频备用，又可作为工频备用。

（4）实时监测空压机和冷却系统的运行状态及运行参数。

（5）实时监测供气管路压力，当供气管路压力发生变化时，自动模式下系统进行自动调节。

（6）对系统各设备进行集中保护，发生故障时，系统报警，作出相应停机动作。

（7）可以对系统的运行参数及故障信息进行记录，可供随时查询。

（8）信息上传。可将集控系统全部信息上传调度室，也可进行远程网络访问。

图3 改造后空压机房供电系统图

4 节能控制

4.1 系统节能原理

通过变频器调节空压机转速，从而调节供气量，使供气量始终等于用气量，避免供气量大于用气量时，卸载阀工作，浪费电能。其原理图如图4所示。

图4 空压机运行曲线

图中曲线1为空压机直接控制运行曲线，曲线2为空压机变频控制运行曲线，Qn为空压机额定供气量，Q1为实际用气量。从图中可以看出，直接控制时，空压机供气量大于实际用气量，多余的空气通过卸载阀而释放；变频控制时可以调整供气量，使其等于用气量，从而节约电能。图中在0～t3时间段内，阴影部分为使用变频器控制时所节约的能量。

4.2 控制策略

通过增加变频器、PLC控制柜、压力传感器对空压机进行PID闭环控制，使空压机按需运行在最佳状态。变频器用于调节空压机转速，压力传感器用于管网压力检测，PLC控制柜用于根据压力传感器反馈值和压力设定值进行运算，控制变频器的运行。根据供气系统的运行工况，分为“供气不足”、“供气过量”、“供需平衡”三种情况。

（1）供气不足

当检测到管网压力小于设定值下限时，表明“供气不足”，提高变频器的频率输出，使空压机转速上升，从而增加空压机的供气量。当本台空压机达到额定供气量，仍然供气不足时，需增加一台空压机投入运行，此时会出现：①供气过量，需把变频器控制的空压机减速运行，直至管网压力达到设定范围。②仍然“供气不足”，需增加另一台空压机直至出现“供气过量”时，才可把变频器控制的空压机减速运行，直至管网压力达到设定范围。

（2）供气过量

当检测到管网压力大于设定值上限时，表明“供气过量”，降低变频器的频率输出，使空压机转速下降，从而减少空压机的供气量。当本台空压机达到最低供气量，仍然为“供气过量”时，需减少一台空压机投入运行，此时会出现：①“供气不足”，需把变频器控制的空压机加速运行，直至管网压力达到设定范围。②仍然“供气过量”，需减少另一台空压机直至出现供气不足时，才可把变频器控制的空压机加速运行，直至管网压力达到设定范围。

（3）供需平衡

当检测到的压力在设定值范围内时，保持变频器的频率输出不变，使空压机转速恒定，从而使管网压力维持在设定范围。

5 使用效果

5.1 优点

（1）该项目采用工频与变频相结合技术。始终保证有一台空压机变频调速运行，多台空压机配合工频运行，根据井下实际用气量大小，自动控制空压机运行数量和变频运行的速度，实现供气量与用气量的动态平衡，从而减少空压机卸载阀动作次数，降低能源消耗，节约电能。

（2）可实现远程集中监测及控制。具有对空压机运行数据监测、记录、报警等功能，可将监测数据上传至调度室，从而达到空压机监测信息化。

（3）采用一台变频器分时控制两台空压机变频运行，从而实现空压机分时双变频系统。

5.2 节电量

2015年2月10日在空压机双供电回路分别安装1#电度表、2#电度表，记录使用空压机变频节能集控系统前、后空压机总用电量，便于节电量计算。

电度表采用三相三线有功电度表，额定电压3×100V，互感器变比75A/5A。

2015年2月10日至2015年5月10日使用空压机变频节能集控系统前用电量：

1#电度表记录数值：336.6kW·h

2#电度表记录数值：347.1kW·h

总用电量：（336.6+347.1）×（6000/100）×（75/5）=615330kW·h

2015年5月21日至2015年8月21日使用空压机变频节能集控系统后用电量：

1#电度表记录数值：201.9kW·h

2#电度表记录数值：278.4kW·h

总用电量：（201.9+278.4）×（6000/100）×（75/5）=432270kW·h

节电率：（615330-432270）/615330=29.75%

年节电量约为：

4×（615330-432270）=732240kW·h， 基 本 达到预期指标。

6 结论

该套集控系统于 2015年5月到矿，对矿内各相关人员进行了原理、操作、维护等培训，并对相关设备进行了空载试验，设备各种功能运行正常。2015年5月10日安装调试正常后，于2015年5月10日在四台矿空压机房四台空压机上进行工业性试验，该系统在性能上达到了预期的技术指标。该系统经计量统计节能效果达到了29.75%，卸载阀动作次数降低了75%；具备变频节能、自动控制、在线监控、联网通讯等功能，达到了空压机监测信息化管理和自动化控制的目标。