螺桿式空氣壓縮機(jī)能耗特性及表面光滑管道的節(jié)能方案

孫春華

（唐盛國(guó)際機(jī)械（昆山）有限公司上海分公司 上海 200000）

1 空氣壓縮機(jī)耗能概述

要想了解到空氣壓縮機(jī)耗能高的原因并不容易，國(guó)內(nèi)外許多的專(zhuān)業(yè)人士都做了許多努力，進(jìn)行了許多的研究工作。有研究人員從熱力學(xué)角度對(duì)空氣壓縮機(jī)的耗能問(wèn)題進(jìn)行了探究，分別分析了進(jìn)氣溫度和壓力對(duì)空氣壓縮機(jī)耗能情況的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)耗能高的主要因素是進(jìn)氣溫度；有其他研究人員對(duì)空氣壓縮機(jī)的能耗問(wèn)題做了探究，之后發(fā)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)的節(jié)能空間還是挺大的，此外，還針對(duì)變頻技術(shù)對(duì)空氣壓縮機(jī)節(jié)能產(chǎn)生的作用進(jìn)行了介紹；有研究人員把空氣壓縮機(jī)的能耗分為了三個(gè)階段：①壓縮前電動(dòng)機(jī)損失的熱能；②壓縮時(shí)因工況偏離等溫壓縮所造成的能耗；③壓縮之后換熱器和管道里的阻力造成的能耗。并指出可以在能耗較高的階段通過(guò)一定手段對(duì)能量進(jìn)行回收，以此達(dá)到節(jié)能的目的；有人選擇的方法則是對(duì)壓縮空氣管道上的流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量后畫(huà)出流量-壓強(qiáng)曲線，并且兼顧管道是否粗糙、管道內(nèi)徑大小這些因素，從而得出流量不等時(shí)管路的沿程阻力能耗是多少，之后發(fā)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)的能耗和管道是否粗糙具有很大的關(guān)系；有研究人員通過(guò)監(jiān)測(cè)活塞式空氣壓縮機(jī)的能耗情況得出結(jié)論，即空氣壓縮機(jī)的能耗和排氣壓力具有密切關(guān)系，表現(xiàn)為排氣壓力越大，能耗就越多；有人則是通過(guò)空氣熱力學(xué)對(duì)其進(jìn)行研究，研究了活塞式空氣壓縮機(jī)的能耗是否和空氣的濕度有關(guān)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣的濕度越大，能耗就越高。通過(guò)以上資料發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)空氣壓縮機(jī)的研究重點(diǎn)是離心式空氣壓縮機(jī)或者活塞式空氣壓縮機(jī)，研究的方面較為片面，幾乎沒(méi)有人對(duì)螺桿式空氣壓縮機(jī)進(jìn)行分析研究，所以，有關(guān)螺桿式空氣壓縮機(jī)的能耗問(wèn)題還需要更多的研究和探討。

2 空氣壓縮機(jī)的工作原理

空氣壓縮機(jī)分為兩種，分別是速度式和容積式。速度式空氣壓縮機(jī)工作原理就是通過(guò)外在的手段，使氣體的流動(dòng)變得越來(lái)越快，當(dāng)氣體進(jìn)入擴(kuò)壓裝置時(shí)再立刻減速，利用這種方式來(lái)將氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)化成氣體靜壓能，從而達(dá)到提高高壓氣體的壓力的目的。而容積式空氣壓縮機(jī)和速度式的工作原理有所不同，其主要是將空氣體積壓縮，然后使氣體壓力提升[1]。

比較容易看到的容積式壓縮機(jī)就是螺桿式空氣壓縮機(jī)，其工作原理一般是：利用兩個(gè)彼此平行的齒合的陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子，在對(duì)應(yīng)的氣缸里面轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子的齒槽里面的空氣持續(xù)發(fā)生周期性改變，那么空氣就會(huì)慢慢地沿著轉(zhuǎn)子軸線，從吸入的一面流動(dòng)到輸出的一面，也就實(shí)現(xiàn)了空氣壓縮機(jī)吸氣、壓縮和排氣的全過(guò)程。在空氣壓縮機(jī)里面，進(jìn)氣口和出氣口被設(shè)計(jì)在殼體的兩側(cè)，里面的陰轉(zhuǎn)子槽和陽(yáng)轉(zhuǎn)子槽被主電機(jī)驅(qū)動(dòng)而開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 空氣壓縮機(jī)節(jié)能方案

要想對(duì)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行節(jié)能型改造，就必須兼顧空氣壓縮機(jī)的控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)：①分析機(jī)械系統(tǒng)這方面，重點(diǎn)要做的就是將系統(tǒng)優(yōu)化并不斷完善系統(tǒng)。這樣才可能使管網(wǎng)阻力減少，從而降低能耗；②控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)這部分的工作也很重要，這部分重點(diǎn)是要合理選擇流量，還要做好調(diào)節(jié)工作。在我國(guó)，調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)流量，主要就是對(duì)壓縮機(jī)間歇控制運(yùn)行進(jìn)行調(diào)節(jié)，還有吸氣調(diào)節(jié)、無(wú)極變速調(diào)節(jié)和氣缸卸載等。如果空氣壓縮機(jī)是在間歇性運(yùn)行，就會(huì)使空氣壓縮機(jī)起停的頻率增加。出現(xiàn)這種現(xiàn)象，就會(huì)使能耗增加，也會(huì)使電網(wǎng)更加波動(dòng)。并且還會(huì)影響設(shè)備的使用壽命。而氣缸卸載，除了會(huì)浪費(fèi)能量，還會(huì)使設(shè)備出現(xiàn)磨損，額外提高運(yùn)營(yíng)成本。

現(xiàn)在無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)也叫做變頻調(diào)節(jié)技術(shù)。通過(guò)變頻器來(lái)改變電機(jī)輸入電壓時(shí)的頻率，從而更好地掌握電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最后能夠更好的控制電機(jī)輸出功率和空氣壓縮機(jī)的輸入功率。利用這種方法，可以讓空氣壓縮機(jī)的制風(fēng)量與實(shí)際風(fēng)量更好的匹配。這樣就可以使電機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，繼而讓空氣壓縮機(jī)更好地運(yùn)轉(zhuǎn)，使空氣壓縮機(jī)的工作效率得到大的提高。最后達(dá)到降低空氣壓縮機(jī)能耗的目的。

4 螺桿式空氣壓縮機(jī)的節(jié)能改造方法

4.1 改造方案

分析一下某公司的螺桿式空氣壓縮機(jī)，其空壓站內(nèi)有3臺(tái)，空壓站外面有一臺(tái)，持續(xù)為約3.2萬(wàn)m2的廠房提供用氣，全天24h工作。一般開(kāi)啟2臺(tái)工作，另一臺(tái)待機(jī)。假如是在晚上，一般只要一臺(tái)就可以滿足用氣量。通過(guò)對(duì)工作中的空氣壓縮機(jī)的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，了解到空氣壓縮機(jī)的載率在40%左右，也就是有一半多的時(shí)間是處于休息狀態(tài)。如果在空氣站內(nèi)增加一個(gè)變頻調(diào)速柜，讓變頻器一拖三，就可以實(shí)現(xiàn)3臺(tái)空氣壓縮機(jī)變頻/工頻之間的切換[2]，具體如圖1所示。

圖1 改造后空氣壓縮站系統(tǒng)配置情況

4.2 壓力調(diào)整

為了更好地加強(qiáng)節(jié)能效果，可以在對(duì)變頻改造前，對(duì)空氣壓縮機(jī)壓力參數(shù)做一些修改，從而讓管網(wǎng)的不同空壓機(jī)的壓力設(shè)定值產(chǎn)生差異，關(guān)于空氣壓縮機(jī)也可以采取全部啟動(dòng)的方法，這樣就可以避免出現(xiàn)有的壓縮機(jī)啟動(dòng)無(wú)效的情況。假如讓2臺(tái)設(shè)備一起加載，那么補(bǔ)氣機(jī)就會(huì)更早地實(shí)現(xiàn)卸載值0.76MPa，然后開(kāi)始卸載，那么主供氣機(jī)就可以接著加載，來(lái)保證系統(tǒng)的用氣量。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，只要?dú)鈮哼€不曾降低到需要補(bǔ)氣機(jī)加載的值，補(bǔ)氣機(jī)就處在停機(jī)的狀態(tài)，這和主供機(jī)是不是卸載狀態(tài)沒(méi)有關(guān)系。這時(shí)，就可以開(kāi)啟補(bǔ)氣機(jī)。另外，當(dāng)把3臺(tái)設(shè)備一起啟動(dòng)時(shí)，同樣是用這種方法，那么就可以利用人為的方式對(duì)空壓機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，讓其輪流成為主供氣機(jī)。

4.3 變頻設(shè)定壓力值和空壓機(jī)設(shè)定壓力值之間的關(guān)系

當(dāng)空氣壓縮機(jī)被變頻改造過(guò)后，其開(kāi)動(dòng)方式、加載方式以及卸載方式都沒(méi)有什么變化，而這對(duì)變頻器的調(diào)節(jié)系統(tǒng)是有影響的，導(dǎo)致其氣壓和目標(biāo)值間的距離越來(lái)越近。而變頻器的氣壓值對(duì)主機(jī)和補(bǔ)氣機(jī)都具有重要的影響，所以應(yīng)該引起高度重視。并且，當(dāng)空氣壓縮機(jī)在變頻加載時(shí)，其頻率會(huì)比較慢，而頻率的快慢對(duì)用氣系統(tǒng)增壓度有很大影響。所以，設(shè)定加載壓力值時(shí)應(yīng)該稍微提高一點(diǎn)，比如提升0.05MPa。系統(tǒng)用氣壓力的最小值為0.6MPa，通過(guò)分析管路壓力傳遞延時(shí)造成的損失，應(yīng)該把空氣壓縮機(jī)供氣加載值定為0.65MPa。

對(duì)空壓機(jī)目標(biāo)壓力值進(jìn)行設(shè)定時(shí)，一定要考慮其范圍，一般應(yīng)該設(shè)定在加載值與卸載值之間，而且要稍微高于主機(jī)加載值，只有這樣才可以保持系統(tǒng)處于低壓節(jié)能狀態(tài)。設(shè)定變頻目標(biāo)時(shí)，需要確保其壓力值在0.71MPa。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)空氣壓縮機(jī)進(jìn)行改造，可以明顯看到系統(tǒng)的節(jié)能效果，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度也有了較大的提升，不僅減少了噪音，還有效減少了維修的現(xiàn)象，并且還使機(jī)器的壽命得到了延長(zhǎng)，所以非常值得推廣。