1 概述

陶二煤礦位于邯鄲市境內(nèi)，距離市區(qū)15 km，是冀中能源邯礦集團(tuán)有限公司所建的一座大型的現(xiàn)代化礦井。陶二煤礦1975 年建井，1982 年投產(chǎn)，設(shè)計能力為90 萬t/年，經(jīng)過對其進(jìn)行陸續(xù)的技術(shù)改造，2006年核定生產(chǎn)能力達(dá)125 萬t/年。陶二煤礦壓風(fēng)機房分別設(shè)在井上和井下。井上壓風(fēng)機房設(shè)計在離副井口西側(cè)約60 m處，風(fēng)機房內(nèi)安裝有2 臺SM5160-25.5/8 壓風(fēng)機與2 臺SA-250 壓風(fēng)機。壓風(fēng)管路由地面壓風(fēng)機房起始經(jīng)地面壓風(fēng)管路，至副井筒通往井下南北兩翼。南翼分別通往充電峒室、主井底裝載峒室及新南總回風(fēng)巷，以供生產(chǎn)維護(hù)使用;北翼分別通往各采區(qū)工作面。隨著煤礦集團(tuán)的發(fā)展，設(shè)備陳舊落后、耗能的現(xiàn)象日漸凸顯，為響應(yīng)國家號召和社會發(fā)展的需要，礦領(lǐng)導(dǎo)決定對原有設(shè)備進(jìn)行必要的升級改造。經(jīng)過礦領(lǐng)導(dǎo)的多方調(diào)查研究，決定選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-280F 系列高壓變頻器對其中的2 臺SA-250 螺桿式空氣壓縮機進(jìn)行節(jié)能改造。

2 螺桿式空氣壓縮機

螺桿式空氣壓縮機由螺桿機頭、電動機、油氣分離桶、冷卻系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、安全閥及控制系統(tǒng)等組成。工作時電動機通過連軸器(或皮帶)直接帶主轉(zhuǎn)子，由于主、副轉(zhuǎn)子相互嚙合，所以，主轉(zhuǎn)子直接帶動副轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)。冷卻液由壓縮機機殼下部的噴嘴直接噴入轉(zhuǎn)子嚙合部分，并與空氣混合，以帶走因壓縮而產(chǎn)生的熱量，達(dá)到冷卻效果。同時形成液膜，用來防止轉(zhuǎn)子間金屬與金屬直接接觸及封閉轉(zhuǎn)子間和機殼間的間隙。同時噴入的冷卻液亦可減少高速壓縮所產(chǎn)生的噪音。螺桿機頭通過吸氣過濾器和進(jìn)氣控制閥吸氣，同時將油注入空氣壓縮室，以對機頭進(jìn)行冷卻、密封以及對螺桿及軸承進(jìn)行潤滑，從而使壓縮室產(chǎn)生壓縮空氣。壓縮后生成的油氣混合氣體排放到油氣分離桶內(nèi)，由于機械離心力和重力的作用，絕大多數(shù)的油從油氣混合體中被分離出來。空氣在經(jīng)過由硅酸硼玻璃纖維做成的油氣分離筒芯后，幾乎所有的油霧都被分離出來。從油氣分離筒芯分離出來的油通過回油管時，因為在回油管上裝有油過濾器，所以回油經(jīng)過油過濾器過濾后，才將潔凈的油流回至螺桿機頭內(nèi)。當(dāng)油被分離出來后，壓縮空氣經(jīng)過最小壓力控制閥離開油氣筒進(jìn)入后冷卻器。后冷卻器把壓縮空氣冷卻后排到貯氣罐供各用氣單位使用。冷凝出來的水集中在貯氣罐內(nèi)，通過自動排水器或手動排出。螺桿式空氣壓縮機原理如圖1 所示。

2.1 螺桿式空氣壓縮機工作原理

螺桿壓縮機的工作循環(huán)可分為進(jìn)氣、壓縮和排氣三個過程。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，每對相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)。

1)進(jìn)氣過程轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，陰陽轉(zhuǎn)子的齒溝空間在轉(zhuǎn)至進(jìn)氣端壁開口時，其空間最大，此時轉(zhuǎn)子齒溝空間與進(jìn)氣口相通，因在排氣時齒溝的氣體被完全排出，排氣完成時，齒溝處于真空狀態(tài)，所以當(dāng)其轉(zhuǎn)至進(jìn)氣口時，外界氣體即被吸入，沿軸向進(jìn)入陰陽轉(zhuǎn)子的齒溝內(nèi)。當(dāng)氣體充滿了整個齒溝時，轉(zhuǎn)子進(jìn)氣側(cè)端面轉(zhuǎn)離機殼進(jìn)氣口，在齒溝內(nèi)的氣體即被封閉。

2)壓縮過程陰陽轉(zhuǎn)子在吸氣結(jié)束時，其陰陽轉(zhuǎn)子齒尖會與機殼封閉，此時氣體在齒溝內(nèi)不再外流。其嚙合面逐漸向排氣端移動，使嚙合面與排氣口之間的齒溝空間漸漸減小，齒溝內(nèi)的氣體也隨之被壓縮。

3)排氣過程當(dāng)轉(zhuǎn)子的嚙合端面轉(zhuǎn)到與機殼排氣口相通時，被壓縮的氣體開始排出，直至齒尖與齒溝的嚙合面移至排氣端面，此時陰陽轉(zhuǎn)子的嚙合面與機殼排氣口的齒溝空間為0，即完成排氣過程，在此同時轉(zhuǎn)子的嚙合面與機殼進(jìn)氣口之間的齒溝長度又達(dá)到最長，進(jìn)氣過程又再進(jìn)行。

從上述工作原理可以看出，螺桿壓縮機是一種工作容積作回轉(zhuǎn)運動的容積式氣體壓縮機械。氣體的壓縮依靠容積的變化來實現(xiàn)，而容積的變化又是借助壓縮機的一對轉(zhuǎn)子在機殼內(nèi)作回轉(zhuǎn)運動來達(dá)到。

2.2 螺桿壓縮機的控制缺點

2.2.1 能耗分析

螺桿式空氣壓縮機的加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在

壓閥減壓至接近Pmin，這一過程同樣也是一個耗能過程。

2)卸載時調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量通常情況下，當(dāng)壓力達(dá)到Pmax 時，空壓機通過關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調(diào)節(jié)方法會造成很大的能量浪費，因為關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機空轉(zhuǎn)雖然可以使空壓機不需要再壓縮氣體作功，但空壓機在空轉(zhuǎn)中還是要帶動螺桿做回轉(zhuǎn)運動，據(jù)測算，空壓機卸載時的能耗約占空壓機滿載運行時的10%耀15%(這還是在卸載時間所占比例不大的情況下)。換言之，該空壓機10%的時間處于空載狀態(tài)，在作無用功。

很明顯，在加、卸載供氣控制方式下，空壓機電機存在很大的節(jié)能空間。

2.2.2 其他不足之處

1)靠機械方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，使供氣量無法連續(xù)調(diào)節(jié)，當(dāng)用氣量不斷變化時，供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動，從而使用氣精度達(dá)不到工藝要求。再加上頻繁調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，會加速進(jìn)氣閥的磨損，從而增加維修量和維修成本。

2)頻繁采用打開和關(guān)閉放氣閥，致使放氣閥的耐用性得不到保障。

3 螺桿式空氣壓縮機改造方案的設(shè)計

針對原有供氣控制方式存在的諸多問題，經(jīng)過上述對比分析，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制。采用這一方案時，可以把管網(wǎng)壓力作為控制對象，壓力變送器YB 將儲氣罐的壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒oPID智能調(diào)節(jié)器，與壓力設(shè)定值P0作比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運算，產(chǎn)生控制信號送變頻調(diào)速器(VVVF)，通過變頻器控制電機的工作頻率與轉(zhuǎn)速，從而使實際壓力P始終接近設(shè)定壓力P0。同時，該方案可增加工頻與變頻切換功能，并保留原有的控制和保護(hù)系統(tǒng)，另外，采用該方案后，空壓機電機從靜止到旋轉(zhuǎn)工作可由變頻器來啟動，實現(xiàn)了軟啟動，避免了啟動沖擊電流和啟動給空壓機帶來的機械沖擊。

具體的控制系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

4 空壓機變頻控制系統(tǒng)配置

4.1 JD-BP37-280F高壓變頻器

變頻器的主要參數(shù)如表1 所列。

4.2 PID智能控制器

選北京金立石PID 智能控制器1 個，型號為XM808-6，單路輸入為4~20 mA模擬信號，單路輸出為0~5 V的電壓信號，測量精度0.2%。

4.3 壓力變送器

壓力變送器(1 個)選北京虹潤儀表有限公司的產(chǎn)品。型號為HRK 2S 1G 1F 2Y 5F3，0耀1.6 MPa，量程0~1.6 MPa，輸出4~20 mA 的模擬信號，精確度0.5%FS。

5 項目改造

改造時在排風(fēng)管道出口安裝壓力變送器以檢測氣體壓力變化，并將輸出信號傳輸給高壓變頻器上的PID，PID檢測出口壓力的變化，并自動調(diào)整輸出電壓，高壓變頻器根據(jù)PID 的輸出電壓變化來控制電機運行頻率，從而自動調(diào)節(jié)空壓機的轉(zhuǎn)速以改變出口的壓力。當(dāng)高壓變頻器調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)生故障時，高壓變頻器給出跳閘信號，再人為地轉(zhuǎn)到工頻運行。主回路的改造圖如圖3 所示。

圖中QF 為高壓控制斷路器，QS1、QS2、QS3 為單刀單擲刀閘，其中工、變頻回路的刀閘實現(xiàn)電磁和機械互鎖。當(dāng)QS1 閉合時，QS3不能合，只能合QS2;QS3吸合時，QS1、QS2不能合。這就確保了主回路的安全與可靠。

6 結(jié)語

經(jīng)過一系列的反復(fù)調(diào)整，將變頻器啟動時間設(shè)置為20 s，下降時間設(shè)置為25 s，最終系統(tǒng)穩(wěn)定運行在40.5~42.5 Hz 的頻率范圍，管線壓力基本保持在0.68 MPa，供氣質(zhì)量得到提高。改造后空壓機運行安全、可靠，達(dá)到了煤礦用氣的工藝要求。