螺桿式空壓機(jī)變頻節(jié)能改造

余萬民王振偉(．浙江海悅自動化機(jī)械股份有限公司， 浙江 長興 3300；

2．浙江紅五環(huán)機(jī)械有限公司， 浙江 衢州 324000)

螺桿式空壓機(jī)變頻節(jié)能改造

余萬民1王振偉2(1．浙江海悅自動化機(jī)械股份有限公司， 浙江 長興 313100；

2．浙江紅五環(huán)機(jī)械有限公司， 浙江 衢州 324000)

以ESV45螺桿空壓機(jī)為研究對象，分析了螺桿空壓機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)特點，對空壓機(jī)進(jìn)行了能耗分析，闡述了變頻技術(shù)在螺桿壓縮機(jī)中的變頻原理，比較了工頻與變頻螺桿空壓機(jī)的性能，計算了變頻改造后的節(jié)能效果。研究表明，在空壓機(jī)中使用變頻技術(shù)能使設(shè)備穩(wěn)定運行，節(jié)能效果明顯，同時為用戶帶來顯著的收益。

空壓機(jī);變頻調(diào)速;節(jié)能改造;恒壓控制

0 引言

螺桿壓縮機(jī)是一種回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)，它利用在氣缸內(nèi)做回轉(zhuǎn)運動的螺旋形轉(zhuǎn)子來進(jìn)行壓縮和輸送氣體[1]。在石油、礦山、機(jī)械制造、建筑和制冷等部門，螺桿壓縮機(jī)得到廣泛的應(yīng)用[2]。同時螺桿壓縮機(jī)作為主要的動力設(shè)備，在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用，大力推動著國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。然而空壓機(jī)運行時，能源消耗較大，節(jié)能便成為人們迫切需要實現(xiàn)的目標(biāo)。

20世紀(jì)70年代初，第一臺單螺桿制冷壓縮機(jī)由荷蘭GRASSO公司制成，在1972年，日本開始生產(chǎn)單螺桿空氣壓縮機(jī)，1982年才開始生產(chǎn)大螺桿制冷壓縮機(jī)[3]。1975年，我國第一臺氨噴油雙螺桿制冷壓縮機(jī)由上海第一冷凍機(jī)廠制成。到了20世紀(jì)80年代以后，隨著改革開放，大量國外的先進(jìn)技術(shù)被引進(jìn)，比如，加工和檢測螺桿轉(zhuǎn)子的設(shè)備和先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，因此大大提高了螺桿轉(zhuǎn)子的設(shè)計和制造水平[4]；近幾年，高相家等人比較了普通螺桿空壓機(jī)和變頻螺桿空壓機(jī)的運行狀況和特點，提出了螺桿空壓機(jī)變頻節(jié)能改造的技術(shù)方案[5]；張福榮探討壓力傳感器即時感應(yīng)系統(tǒng)中實際氣壓和用氣量，通過電氣控制和變頻調(diào)速，在不改變空壓機(jī)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩的前提下即時控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速的方法改造空壓機(jī)[6]；鄒江等人用變頻調(diào)速技術(shù)對空壓機(jī)進(jìn)行改造，取得很好的節(jié)能效果[7]。

隨著變頻技術(shù)的產(chǎn)生并日趨成熟，變頻技術(shù)和空壓機(jī)結(jié)合在一起，發(fā)揮了變頻技術(shù)具有可調(diào)速的優(yōu)勢，空壓機(jī)變頻化后的能源消耗也明顯降低，因此對空壓機(jī)的變頻化改造是今后發(fā)展的必然趨勢。

1 螺桿空壓機(jī)工作原理

螺桿壓縮機(jī)的工作原理為：首先，空氣進(jìn)入空氣過濾器，空濾把大氣中的雜質(zhì)過濾掉，干凈的空氣由進(jìn)氣閥進(jìn)入壓縮機(jī)的壓縮腔內(nèi)；然后，利用螺桿轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)運動將空氣壓縮，同時在壓縮腔內(nèi)的空氣與冷卻潤滑油混合，壓縮完成的油氣混合物進(jìn)入油分桶，高速運動的油氣混合物經(jīng)過碰撞、重力的作用，大部分的油介質(zhì)被粗分離出來，最后，高壓氣體經(jīng)過油分芯進(jìn)行二次分離，得到含油量很少的壓縮空氣，壓縮空氣通過節(jié)流閥被送往用戶或儲氣罐。經(jīng)過組合閥上油慮分離出來的無雜質(zhì)的油進(jìn)溫控閥的判斷動作被送到風(fēng)冷卻器進(jìn)行冷卻或直接旁通回主機(jī)，冷卻后的油再次回到主機(jī)中進(jìn)行潤滑并可以與壓縮后的高溫氣體進(jìn)行熱交換以降低排氣溫度，如此循環(huán)。圖1為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子壓縮氣體示意圖。

圖1 螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子壓縮氣體示意圖Fig.1 Schematic diagram of screw compressor’s rotor compressed gas

2 空壓機(jī)能耗分析

螺桿空壓機(jī)是提供一定壓力氣體的機(jī)械設(shè)備。目前螺桿空壓機(jī)在很多礦企業(yè)中得到廣泛使用，并且常年工作運行。而且空壓機(jī)是大功率設(shè)備，能源消耗巨大。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)這些高耗能控制系的實際運行效率普遍較低，一般僅在50%-70%之間。究其原因，主要有以下三點：

(1)由于用戶的用氣是間斷且變化的，所以普通螺桿空壓機(jī)在實際運行時經(jīng)常在低負(fù)荷的狀態(tài)下運行，大大降低了運行效率。

(2)一般的螺桿空壓機(jī)都處于恒速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，而實際的氣量需求是變化的，導(dǎo)致壓縮機(jī)組經(jīng)常處于空轉(zhuǎn)的低效率狀態(tài)，從而造成了極大的能源浪費。

(3)螺桿壓縮機(jī)在設(shè)計上的缺陷，比如在電動機(jī)傳動方面，由于設(shè)計不合理，導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)的零部件受到不平衡力，而使得電動機(jī)傳動時，摩擦阻力大，造成耗功增加。

因此節(jié)能改造可以從機(jī)械系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)量方面進(jìn)行。機(jī)械系統(tǒng)方面的改造主要為改進(jìn)、優(yōu)化管道系統(tǒng)，降低管網(wǎng)阻力、降低能耗。控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)方面改造主要是選擇合理的流量調(diào)節(jié)方式[8]。通過變頻調(diào)速技術(shù)可使空壓機(jī)組的負(fù)載變化來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制電機(jī)的輸出功率和空壓機(jī)的輸入功率，使空壓機(jī)的制風(fēng)量與實際需風(fēng)量相匹配。這種對電機(jī)轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)，能顯著提高空壓機(jī)的工作效率，降低空壓機(jī)的能耗，因此相比調(diào)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)，這種調(diào)節(jié)方式更受到歡迎。

3 空壓機(jī)變頻技術(shù)

3.1 空壓機(jī)的氣量調(diào)節(jié)方法

螺桿空壓機(jī)是提供一定壓力氣體的機(jī)械設(shè)備。空壓機(jī)的容積流量，不會隨著被壓的升高而改變，即不因用戶的需求而改變。因此，勢必會造成能源浪費，所以必須安裝可隨時調(diào)節(jié)氣量的結(jié)構(gòu)，盡最大可能滿足供需平衡以降低能耗。在實際中，用戶需要的是供氣壓力穩(wěn)定，氣量可隨需求量改變而改變的機(jī)組。以下是空壓機(jī)的氣量調(diào)節(jié)方法。

(1)停轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)

停轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，即螺桿空氣壓縮機(jī)在運行時，設(shè)定壓力范圍。當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力的限制，空氣壓縮機(jī)自動停機(jī)；當(dāng)壓力太小時，空壓機(jī)又重新啟動。這種調(diào)節(jié)節(jié)能效果明顯，但采用此方法時，機(jī)組需要較大容量的儲氣罐，反之，會造成電機(jī)頻繁啟、停。過于頻繁的啟動，會對電網(wǎng)造成沖擊，陳升的機(jī)械沖擊對機(jī)組的影響也很大，影響機(jī)組的使用壽命。因此只適用于小功率機(jī)組。

(2)進(jìn)排氣管連通調(diào)節(jié)

該調(diào)節(jié)是在排氣管路上安裝一個溢流閥，另一端與吸氣管路連通。當(dāng)排氣壓力超過某一特定值時，溢流閥打開以保證排氣壓力穩(wěn)定，而且溢流閥是緩慢打開的，所以不會使排氣壓力出現(xiàn)較大的變化。此調(diào)節(jié)方法結(jié)構(gòu)簡單，可以實現(xiàn)恒壓下調(diào)節(jié)供氣量，但螺桿主機(jī)的容量和排氣壓力并未改變，因此節(jié)能不明顯。該調(diào)節(jié)只適用于壓比較低的機(jī)組。

(3)變頻調(diào)速控制調(diào)節(jié)

變頻調(diào)速調(diào)節(jié)是通過變頻器控制電機(jī)運行頻率，從而改變螺桿主機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)容積流量。變頻器的應(yīng)用，使螺桿空壓機(jī)能根據(jù)用戶的實際需求調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，為客戶提供所需的氣量，節(jié)能效果最明顯，而且能為客戶提供恒壓氣體，因此變頻調(diào)速控制技術(shù)開始被廣泛應(yīng)用于空壓機(jī)。而且變頻器的啟動方式是軟啟動，從而空壓機(jī)的啟、停對電網(wǎng)沖擊小，對機(jī)組的機(jī)械沖擊也小，延長了機(jī)組的使用壽命。但應(yīng)用變頻器的空壓機(jī)成本較高。不過應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的空壓機(jī)節(jié)能效果明顯，而且使用壽命增長，變頻螺桿空壓機(jī)已經(jīng)成為了壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢。

3.2 螺桿式壓縮機(jī)變頻節(jié)能的原理

變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是指根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60f (1-s)/p，(式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對數(shù))；通過改變電動機(jī)工作電源頻率從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。而真正實現(xiàn)電機(jī)變轉(zhuǎn)速的變頻器就是基于上述原理并采用交—直—交電源變換技術(shù)，電力電子、微電腦控制技術(shù)于一身的綜合性電器產(chǎn)品。圖2為采用該技術(shù)的系統(tǒng)原理圖。

圖2 系統(tǒng)原理框圖Fig.2 System principle block diagram

由系統(tǒng)原理圖可以看出，為了提供恒壓氣體，應(yīng)用壓力變送器得出壓力設(shè)定值與管網(wǎng)實際壓力的偏差，然后經(jīng)PID調(diào)節(jié)器計算出電動機(jī)的相應(yīng)的頻率值，由變頻器做出反應(yīng)，輸出相應(yīng)頻率和幅值的交流電，調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制空壓機(jī)的排氣量，保持供氣壓力穩(wěn)定。當(dāng)用戶的用氣量減小時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)減小；當(dāng)用戶停止用氣時，空壓機(jī)會自動低頻空轉(zhuǎn)，甚至停機(jī)。這樣既保持了恒壓供氣，又不造成能源浪費。同時，空壓機(jī)從啟動到穩(wěn)定運行是由變頻器實現(xiàn)軟啟動，這樣避免了啟動時瞬間的大電流對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊和對空壓機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械沖擊。采用該技術(shù)，既能節(jié)約能源，又延長了空壓機(jī)的使用壽命。

3.3 變頻改造控制方式

(1)恒壓控制

交流變頻調(diào)速技術(shù)常用的是恒壓供氣控制。該控制系統(tǒng)針對原有的供氣控制方式所存在的問題，利用恒壓供氣控制來解決，而變頻調(diào)速技術(shù)使得恒壓供氣控制得以實現(xiàn)。把排氣管內(nèi)的壓力看作控制對象，儲氣罐內(nèi)的壓力值P經(jīng)過壓力變送器，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺魉偷絇ID智能控制器，再與控制器內(nèi)設(shè)定的壓力值 作對比，控制器根據(jù)壓差的大小做出相應(yīng)的反應(yīng)，并產(chǎn)生控制信號送到變頻調(diào)速器，然后調(diào)節(jié)電源的輸入頻率，進(jìn)而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速[9]。最終實現(xiàn)實際排氣壓力保持在設(shè)定壓力值 附近。圖3為螺桿式空壓機(jī)恒壓控制系統(tǒng)圖。

(2)變頻器的控制方式

圖3 螺桿式空壓機(jī)恒壓控制系統(tǒng)圖Fig.3 Screw air compressor constant pressure control system diagram

變頻技術(shù)的應(yīng)用能實現(xiàn)螺桿式空壓機(jī)的恒壓控制，目前在空壓機(jī)變頻改造中，可分為單機(jī)組變頻改造和多機(jī)組變頻改造，而變頻器實現(xiàn)其控制的方式有V/F控制、直接轉(zhuǎn)矩控制DTC、矢量控制VC。VC控制是交流電機(jī)最完美的控制方式，而DTC控制是一種粗況的控制方式。隨著集成芯片的快速發(fā)展，計算速度和計算量得以解決，如今，VC控制已得到實際應(yīng)用。矢量控制以其精確、快速的反應(yīng)控制，更加節(jié)能，而得到廣泛應(yīng)用。在一些用戶對氣體穩(wěn)定性要求較高的場合，多應(yīng)用有矢量控制的變頻器。同時可以看出其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。因此常用于要求較高和多機(jī)組調(diào)節(jié)的場合。本論文所研究的45kW的螺桿空壓機(jī)是控制要求不高的多機(jī)組，考慮結(jié)構(gòu)簡單，成本低等因素，大多采用V/F控制與PID調(diào)節(jié)器組成的控制方式。以V/F控制的空氣壓縮機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖如圖4所示。

V/F控制是使輸出電壓與頻率成正比的控制，保持電動機(jī)的磁通穩(wěn)定。其原理是產(chǎn)生一個頻率震蕩的電路，即壓控振蕩器，它是一個壓敏電容，因此當(dāng)壓力變化時它的容量也會隨之變化，而電容的變化又引起了振蕩頻率的變化，這樣就產(chǎn)生了變頻。由此原理可將受控的頻率用于控制輸出電壓的頻率，使得電動機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生可控變化。其原理圖如圖5所示。

4 變頻效果和節(jié)能分析

4.1 變頻螺桿式空壓機(jī)與工頻螺桿式空壓機(jī)的比較

測試ES45普通工頻螺桿空壓機(jī)的基本參數(shù)及工作性能，和ESV45變頻改造后的螺桿空壓機(jī)的基本參數(shù)及工作性能，然后比較改造后的效果。(圖6)

表1 ES45和ESV45空壓機(jī)的試驗參數(shù)Tab.1 ES45 and ESV45 air compressor test parameters

流量計算公式：

因此由公式(4-1)可得ES45的實際流量為：

ESV45的實際流量為：

4.2 變頻螺桿式空壓機(jī)節(jié)能改造后的效益

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，可以得知空壓機(jī)的運行成本由三部分組成：初始采購成本、保養(yǎng)維護(hù)成本和能耗成本。一般的工況下，能耗成本大約占空壓機(jī)運行成本的77%，而經(jīng)過變頻改造后，可以將能耗成本降低到44%，同時空壓機(jī)經(jīng)過變頻改造后，啟動時，對設(shè)備和電網(wǎng)所帶來的沖擊也大大減少，因此維護(hù)量也隨之降低，所以運行成本將大大降低。使用過程中，空壓機(jī)的維護(hù)成本大約占11%，改造后降為6%，不過變頻空壓機(jī)改造成本大約為33%，故普通工頻空壓機(jī)的采購成本大約為12%，而改造后的采購成本約為17%。下圖分別是45kW普通工頻螺桿空壓機(jī)和變頻改造后的運行成本。(圖7)

(1)45kW工頻螺桿空壓機(jī)年空載消耗

變頻節(jié)能改造后的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，經(jīng)調(diào)研，某客戶使用的45kW螺桿空壓機(jī)總運行時間t1為21200h、負(fù)載運行時間t2為12920h。由公式K=(t1-t2)/t1可得空載率K為：

ES45壓縮機(jī)年空載損耗W(年總運行時間t取8000h)由

可得

式中：Ue為電源電壓，Ue=380V； η為電機(jī)效率η=0．8；I0為空載電流實測值，I0=24．5A； cosφ為功率因數(shù)，cosφ=0．9。

經(jīng)查，工業(yè)用電價格為：峰時段用電：每千瓦時=1．025元

平時段用電：每千瓦時=0．725元

谷時段用電：每千瓦時=0．425元

此處按平時段用電的電費計算：

年空載損耗費用F為：

(2) ES45螺桿式壓縮機(jī)工變頻空載耗費比較與投資回報分析

通過計算我們可以看出，每年45kW工頻空壓機(jī)的損耗是巨大的，但是，在變頻后，經(jīng)測試我們不難看出，轉(zhuǎn)速有了很大的不一樣。這是因為變頻空壓機(jī)將原來的空載頻率為50Hz降到了現(xiàn)在30Hz，定子繞組所承受的相電壓U=Ue×f設(shè)÷ f工=380×30÷50=228V。由電壓的平方正比于電機(jī)的輸出力矩，所以，工頻與變頻相比較電機(jī)輸出力矩變成原來的1/3。

圖4 空氣壓縮機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖Fig.4 Air compressor frequency control system circuit schematic diagram

圖5 v/f控制技術(shù)原理圖 Fig.5The principle diagram of the v/f control technology

圖6 測試機(jī)器工作圖Fig.6 A working drawing test machine

圖7 45kW工變頻空壓機(jī)成本比較 Fig.745 kw frequency conversion compressor cost coMParison

45kW工頻輸出空載功率

式中：Ue為電源電壓，Ue=380V；η為電機(jī)效率，η=0．8；I0為空載電流實測值，I0=24．5A；cosφ為功率因數(shù)，cosφ=0．9。

45kW變頻螺桿空壓機(jī)的單位功率損耗

式中：M工為工頻機(jī)輸出力矩， V工為工頻機(jī)輸出的空載轉(zhuǎn)速；M變?yōu)樽冾l機(jī)的輸出力矩， V變?yōu)樽冾l機(jī)的輸出空載轉(zhuǎn)速。年節(jié)約空載損耗為

年節(jié)約空載損耗費用 ，由式5-5可得

不過，在長時間運行中還要考慮變頻器自身產(chǎn)熱所帶來的消耗以及對性能的影響。據(jù)了解，ES45工頻機(jī)在市場上的售價為51200左右，變頻為65400元左右。兩者差價14200元，經(jīng)測算可以看出，在投入使用后，很快就可以收回變頻機(jī)的改造成本。

5 結(jié)語

(1)螺桿空壓機(jī)應(yīng)用變頻器，使得該螺桿空壓機(jī)的運行能根據(jù)用戶的實際需求而改變。安裝變頻器的螺桿空壓機(jī)，啟動方式為軟啟動，不僅能耗指數(shù)大幅度降低，節(jié)能效果明顯，而且啟動時對電網(wǎng)和整機(jī)的沖擊大大減小，延長空壓機(jī)的使用壽命。

(2)變頻器不同調(diào)速控制方式(V/F控制，DTC直接轉(zhuǎn)矩控制和VC矢量控制)應(yīng)用場合不同，研究表明：在普通的小功率螺桿空壓機(jī)的變頻改造中，由V/F控制方式的變頻器既滿足基本要求，成本又低。

(3)對ESV45螺桿空壓機(jī)變頻改造后，其輸入功率有所減少，噪音大大降低，能耗大大減少，空壓機(jī)變頻后電動機(jī)啟動時由低速逐漸提升到高速，氣體對各器件的沖擊減小。

(4)通過經(jīng)濟(jì)性分析，經(jīng)過變頻改造后的空壓機(jī)節(jié)省了很大的成本，而且改造成本將在短期內(nèi)就能收回。

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Modification of Frequency Conversion Screw Type Air Compressor

Yu Wanmin1 Wang Zhenwei2(1.ZheJiang HaiYue Automation Machinery CoMPany,Changxing 313100,Zhejiang,China 2.ZheJiang Hong WuHuan ,Quzhou 324000 Zhejiang China)

Using the ESV45 screw air compressor as the research object,This paper analyzes energy consumption ,Working principle and structural characteristics of air compressor,expounds the frequency conversion principle of frequency conversion technology in the screw compressor,CoMPares the performance of normal screw air compressor to frequency conversion of screw air compressor ,calculates the energy saving effect after the frequency conversion renovation,.The study has shown that the use of frequency conversion technology in air compressor can make the equipment operating stably,and the energy saving effect is obvious.At the same time,it also can bring significant benefits to user.

air compressor; frequency control; energy saving; Constant pressure control