關于螺桿式空壓機變頻節能改造研究

王振波 寧德新能源科技有限公司

空壓機是一種通過將氣體進行壓縮獲得壓力的設備，利用電能實現運轉，主要應用在紡織、電力、冶金、機械制造、醫藥、礦山等領域。空壓機在工業發展中屬于基礎設備，承擔著為工廠氣動元件提供能源的任務。然而在空壓機實際應用過程中，能量消耗比較大，有研究表明，在所有大型工業設備中，空壓機的耗電量能夠達到15%左右。為了節約能源，提升經濟效益，必須針對空壓機進行節能改造。本文以螺桿式空壓機為例，針對其利用變頻技術改進實現節能改造的原理和方法進行分析，希望能夠為相關的工作者提供一定的參考借鑒。

一、螺桿式空壓機的工作原理

現如今，空壓機通常是通過上下限控制或啟停式控制方式進行控制，當壓力逐漸下降到設定好的下限以后，空壓機就會打開設備的進氣閥，令空氣進入。空壓機保持正常工作狀態的時候，儲氣罐會對空氣進行壓縮，主控制板對各個部分和整體進行控制。若是出口壓力超過上限設定值，那么進氣閥會受到控制而關閉，內循環系統打開實行內循環，用氣的部分能夠正常用氣。傳統的控制方式對于機器本身和電網都比較容易產生沖擊，若是用氣量波動比較明顯，那么沖擊就更加嚴重。

二、螺桿式空壓機的能耗分析

螺桿式空壓機作為機械設備應用，為生產提供具有一定壓力的氣體，現如今該設備應用非常廣泛，而且需要常年堅持工作。作為大功率設備的一種，空壓機需要耗費大量的能源，通過研究能夠發現，雖然空壓機消耗了大量的能源，但是實際應用效率卻只能達到50%-70%左右，分析其原因，是因為：用氣單位是變化的，而且是間斷性的，不會一直用氣，所以螺桿式空壓機運轉的時候會長時間處于低負荷狀態，效率自然會下降；螺桿式空壓機保持恒速運轉，但是實際上氣量需求不是恒定的，所以壓縮機組處于空轉的狀態比較頻繁，這就導致了較大的能源浪費；螺桿式空壓機本身設計方面也有缺陷，電動機傳動方面的設計就不是非常合理，進而壓縮機內部的各個零部件受到的力是不均衡的，電動機傳動的時候會產生不必要的摩擦阻力，進而增加能耗。

所以，螺桿式空壓機想要進行節能改造，需要從兩個方面開展，第一就是機械系統改造，例如優化管道系統，減少摩擦力，進而降低能耗，再如冷卻系統改造，因為螺桿空壓機大多數時間需要在額定功率下運轉，整個過程中氣量始終低于額定氣量，產生的熱負荷也不會超過額定負荷，如果采用定速風扇進行冷卻，那么就會導致過度冷卻的情況，進而會因為冷卻過度造成凝水，誘發油乳化現象，所以空壓機改造需要對冷卻系統進行節能改造，據調查研究改造冷卻系統以后能夠至少減低30%的能耗；第二就是控制調節系統改造，通過更為科學合理的方式對流量進行調節，也就是利用變頻調速技術控制空壓機組的負載變化，進而控制電機的轉速，達成控制電機輸出功率和空壓機輸入功率的目標。最終目的是令空壓機的制風量和實際需求相匹配，提升空壓機的工作效率，降低能源消耗。

三、螺桿式空壓機的變頻節能改造

（一）設定變頻機工作頻率

螺桿式空壓機在工作之前，需要對工作領域的頻率設定最高值和最低值，通過研究發現，若是頻率在額定功率的20%以下，那么整個系統的工作效率會大幅度下降。電機長時間維持在額定功率20%的狀態，空壓機會因為恒轉矩特征，工作電流始終保持額定電流。所以，螺桿式空壓機設定工作頻率的時候，需要將其設定在額定頻率的20%-100%之間，若是空壓機的功率超過75kW，那么頻率范圍需要控制在額定頻率的30%-100%之間。

（二）變頻節能改造

變頻調速的最終控制目標是壓縮機中被壓縮空氣的輸出壓力，整個閉環恒壓控制體系的組成包括電動機、PLC、壓力傳感器、變壓器，操作面板上可以直接設定工作壓力值，實際壓力則通過壓力傳感器感知，感知到的壓力會變成電流信號傳遞給變頻器，變頻器內部的PID 會進行比較計算，進而對輸出頻率進行調整，同時調整電機的轉速，最終完成對電機輸出功率的調整。所以，只要能夠調整電機的轉速，就能夠調整電機的功率，進而也能調整空壓機的輸入功率，保證制風量和需風量一致，實現恒壓供氣，達成節能的目標。實際運行過程中，就是利用需風量調整電機的轉速，進而實現節能降耗的目標。

（三）空壓機改造后的特性

螺桿式空壓機進行變頻改造以后，能夠達成節能降耗的目的，同時也為整個生產帶來了諸多有益之處，具體包括下列幾點：

第一，改造以后的空壓機能夠通過特殊設計設定參數，保證以往出現的常見故障例如突發噴油、軸承溫度過高、機組共振、諧波干擾等不再出現，進而空壓機能夠在實際應用中安全穩定的運行。

第二，改造以后的控制系統能夠實時跟蹤系統的壓力，利用設計好的算法進行電機轉速調節，保證輸出壓力穩定。機組的整個運行狀態都能夠得到優化，進而提升機組的加載率，保證大多數時間機組能夠在加載狀態下運行，延長進氣系統和主機的使用時間。

第三，空壓機輸出的氣壓會更加穩定，機組壓力值會因此減低，即使設置的壓力過高，也不會造成不必要的能源消耗。

第四，電動機啟動能夠真正實現軟啟動，啟動電流能夠控制在額定電流之內，不會超過額定電流值，避免機械元件和電氣元件找到強大的沖擊，降低機組的維護成本。

第五，空壓機的散熱系統能夠參考油溫的狀態和曲線控制，避免因為潤滑油中水量的變化導致壓縮機冷卻效率受到不良影響，同時也能保證機組的使用年限。

第六，對比全速運轉的機組，能夠調節轉速的電機能夠降低空壓機使用中產生的噪音，同時卸載時間能夠縮短，卸載產生的放空噪音也能夠因此得到減低。

第七，改造以后的空壓機耐高溫性能更好，即便空氣溫度達到50℃也能夠正常運轉。

第八，機組本身能夠進行自我診斷和安全防護，保證機組的供氣安全。

四、螺桿式空壓機變頻節能改造的注意事項

螺桿式空壓機在進行節能變頻改造過程中，需要對下述幾項內容進行特別關注：空壓機本身啟動的時候具有大轉動慣量負載的特征，容易造成啟動時跳過流保護，所以為了保證空壓機能夠恒壓供氣，設備穩定運行，需要選擇高啟動轉矩的無速度矢量變頻器，避免啟動的時候出現頻繁跳閘情況，變頻器功率需要選擇大于空壓機一級的型號；空壓機運行不能夠長時間保持低頻狀態，所以下限頻率需要設定在28Hz 以上，避免因為轉速過低造成螺桿損壞；為了過濾變頻器輸出電流中產生的高次諧波，可以選用電抗器和電容濾波器，減少電磁干擾，降低電機產生的噪音；為了保證正常生產，需要設置兩套控制回路，變頻回路出現問題，工頻回路能夠正常運轉；潤滑油的溫度如果過低會導致油汽分離出現異常，所以潤滑油的溫度需要保持在70-95℃之間，避免潤滑油進入過多水汽造成氣罐底積水。

五、結語

綜上所述，工業生產中，螺桿式空壓機的應用非常廣泛，實際運行過程中存在著較大的浪費情況，為了節能降耗，可以針對空壓機進行變頻節能改造，實現自動恒壓供氣，提升生產效率，降低能源消耗，保證經濟效益。