變頻器在螺桿式空壓機節能改造中的應用分析

袁開洪 牛治國

摘 要：本文簡要概述了天然氣企業空壓機變頻節能改造的可行性，而后討論風冷空壓機與水冷空壓機的區別，分析螺桿空壓機變頻節能改造的技術要點，在此基礎上通過改造實例研究螺桿式空壓機變頻節能改造應用實例，為相關研究人員提供參考。

關鍵詞：變頻器;螺桿式空壓機;節能改造

螺桿式空壓機是目前廣泛應用的空氣壓縮機，具有工作效率高和噪聲小等方面的優勢。在天然氣企業中，空壓機主要應用于天然氣空壓站。空壓機應用過程中存在較大的能源消耗，采用新型變頻技術對其進行節能改造，有利于節約電能，并提高工作效率。

1 空壓機變頻節能改造的可行性

空壓機主要作用是為天然氣的生產過程提供動力能源，在天然氣生產中發揮著重要作用。在其工作過程中，空氣在進入壓縮機組后經過壓縮處理進入緩沖罐，而后進行干燥和凈化等處理，最終進入空氣儲罐，用于儀表風和氮氣置換用氣?？諝鈮嚎s機在其中發揮著關鍵作用，螺桿式空壓機在目前的天然氣處理廠中應用較廣，具體類型包括無油螺桿壓縮機、微油螺桿壓縮機等。同時，空壓機也是一種高能耗設備，根據相關統計，我國當前的全國發電量中，空壓機能耗占有10%左右，用氣企業的用電量中，空壓機耗電量占有15%-35%，并且空壓機能耗中66%的負荷在于其自身的能耗，說明能源利用效率較低。

在以往的空壓機運行過程中，以下問題較為明顯：空壓機在啟動時加載閥未工作，機頭進氣口處于關閉狀態，此時電機為空載啟動。在電動機正常運行之后，低于下限設定壓力時加載閥開始工作，而后壓縮機負載工作。氣壓達到卸載壓力后加載閥關閉，壓縮機此時為卸載狀態運行，電動機也在運行狀態，能耗為滿載狀態的30%-50%[1]。因此能夠看出，空壓機長時間空載運行是電能消耗的一項重要因素，而通過變頻改造，既能有效解決空載運行問題，也能夠通過軟起與軟停，防止瞬時啟停時電壓波動對設備與電網穩定性的影響，延長壓縮機使用壽命。通過對空壓機變頻節能改造，能夠使電機在啟動與加載過程中電流增長更為平穩，減少電流波動，并對供氣管路氣體壓力起到監測作用，使輸出壓力保持穩定。同時也有利于減少設備的磨損，降低檢修維護工作量。

2 風冷空壓機與水冷空壓機的區別

空壓機的分類可以總體分為風冷空壓機與水冷空壓機兩類。風冷型螺桿空壓機的結構為機油冷卻器和壓縮空氣后冷卻器一體結構，工作原理是熱油和高溫（80℃左右）氣體在各自管道內流動，電機拖動風扇轉動，冷風垂直吹過載有熱油和高溫氣體的管道從而實現熱交換。水冷型螺桿機一般采用管式散熱器，水在管內流動，熱油在管外流動，完成熱交換后冷水溫度升高。冷水需要進行不斷循環。因此在水冷空壓機應用過程中必須另建冷卻塔，把熱交換后的熱水冷卻以便參與下次循環，水質對散熱器影響較大，成本也相對風冷空壓機較高。因此目前風冷式空壓機的應用更為廣泛。

在實際應用當中，風冷空壓機具有成本較低、維護簡單和節約能源等優勢，適用于水資源較為缺乏地區。目前常用的風冷空壓機包括富達LU75-8GP空壓機、壽力AS7508 AC VSD變頻空壓機等。水冷空壓機包括LU910-75WAI等型號。比如LU75-8GP空壓機是一種運行可靠的空壓機設備，具有節能、噪聲小和應用范圍廣的優勢。其功率為75kW，壓力8bar，比功率為6.5kW/（m3/min），達到國家1級能效標準規定的限定值，具有很強的節能效果。在用氣量14m3/min，每年加載時間為6000h，電費1元/度的情況下，該型號空壓機每年能夠節省電費58800元。

3 螺桿空壓機變頻節能改造的技術要點

螺桿空壓機變頻節能改造的原理是利用壓力變送器，對管網壓力值及其設定值進行比較，而后利用PID調節器對變頻器在異步電動機的頻率值作出計算，變頻器輸出一定頻率與幅值的交流電，使電動機達到一定的轉速，此狀態下空壓機能夠根據其用氣量合理控制電動機轉速?？諌簷C變頻控制系統的組成部分包括電動機、PID、空壓機、儲氣罐與測量裝置等。在對螺桿空壓機進行變頻節能改造過程中，應按照以下技術要點開展改造工作：

第一，進行節能改造時，需要事先對變頻機工作頻率作出合理確定，包括頻率最高值與最低值兩方面。根據相關研究，在頻率降低到額定功率20%時系統工作效率下降較為明顯。在工作頻率的確定上，對于75kW螺桿空壓機，一般應將工作頻率調整為額定功率20%-100%，75kW以上的螺桿空壓機的頻率范圍調整上，一般在額定功率的30%-100%[2]。

第二，進行節能改造時，要合理選擇控制線路，在原有線路的基礎上采取變頻、工頻2種控制線路。同時要具備開環及閉環兩種控制方式，在正常運行狀態下采用閉環控制，實現對空壓機轉速的自動化控制。在系統運行及負荷傳感器發生問題的情況下采取開環控制，可以手動設置空壓機轉速、供氣速度等。

第三，在變頻器輸入端需要采取一定措施減少電磁干擾，從而防止非正弦波對空壓機管理器的影響。還應確保電動機具有恒轉矩運作能力。

第四，改造過程中，需要重新設定下限運行頻率。在下限運行頻率設置不當的情況下容易造成油氣難以分離，引起潤滑油浪費問題。設定數值時應考慮空壓機的具體型號。

第五，在電動機的工作頻率較低時，需要確保證電機的繞組氣溫及噪聲在規定范圍內。在變頻平臺控制不同的空壓機進行工作時，可以采用回差控制的方法，有利于實現順利切換。在一臺變頻器同時控制多臺空壓機的情況下，可以有效利用轉換開關，在其中某臺空壓機需要更換時可以快速切換為另一臺空壓機。

4 螺桿空壓機變頻節能改造應用實例

4.1 變頻節能改造方法

某生產單位原有壓縮空氣的供應來源為6臺螺桿式空壓機，其中包括2臺75kW螺桿空壓機、1臺37kW螺桿空壓機以及3臺132kW螺桿空壓機。其中兩臺75kW螺桿空壓機一臺開啟另一臺備用，3臺132kW螺桿空壓機一臺開啟其余2臺備用。上述空壓機設備在正常生產狀態下每天運行24h，平均每天消耗電能5500kWh。

在利用變頻器進行節能改造工作時，改造范圍為其中3臺132kW螺桿空壓機，改造方法如下：在準備改造的每臺空壓機主回路上連接1臺變頻器，原有空壓機采用星--三角啟動方式進行啟動，改造過程中保留其主回路接觸器，并將其作為電動機繞組連接回路。電動機繞組進行星--三轉換完畢后，通過變頻器對電動機進行啟動?？諌簷C當中的控制回路保持原有狀態，但對原有電動機運行電流檢測互感器CT1進行移動，將其放置于變頻器輸入電源之前，主要發揮過載保護檢測的作用。對于其中的角形接法接觸器，將其中一處常開輔助觸點與變頻器中的2個端子相連接，發揮控制變頻器啟動的作用。2個端子分別為FWD與CM端子。而后修改空壓機設備中的特定參數，修改方法為將星角延時從原先的6s改成3s;對于加載延時時間，從2s改成15s;主機的啟動時間從8s改成20s。

與此同時，對儲氣罐增添了相應的壓力傳感器，每個儲氣罐安裝1臺壓力傳感器，起到監測供氣管網壓力的作用。將壓力傳感器與變頻器的模擬輸入端子GND以及AI2相連接。能夠對比變頻器PID參數當中對壓力的預設值，并利用變頻器PID功能對交流電的輸出進行調節，從而調控電動機的轉速，發揮供氣壓力調節作用。根據該生產單位實際情況，生產過程中通常使用2臺132kW空壓機，在某臺空壓機變頻器損壞的情況下可以直接使用備用空壓機，因此改造過程中未進行工頻旁路線路設置。

4.2 變頻節能改造效果

該單位改造成效較為明顯，3個月運行時間中，空壓機此前每天消耗電能平均在5500kWh左右，改造后降低為平均4500kWh。降低電能消耗大約18%。同時提升了供氣質量，減少了進氣閥開閉次數。

5 結論

變頻器應用于螺桿式空壓機節能改造中，對于降低能耗、提高生產效率、減少維護費用具有顯著效果。對于天然氣企業，應根據實際生產情況合理應用變頻器進行螺桿式空壓機的節能改造。

參考文獻：

[1]鄧慧鉞.變頻器在螺桿式空壓機上的應用[J].山東工業技術，2016（03）：206-207.

[2]侯燁，焦義，張姚兵.螺桿式電動空壓機變頻節能改造研究[J].建筑工程技術與設計，2018（04）：2237.