變頻器在單螺桿空壓機節能改造中的應用

田中超，胡長林

（首鋼集團有限公司礦業公司，河北 遷安 064400）

首鋼某分公司現有空壓機3臺，其中1臺為單螺桿空壓機（3#空壓機），是2013年公司內部調撥的，投入后處于長期運轉狀態；另外2臺為老式活塞式空氣壓縮機（1#、2#空壓機），屬于70年代產品，設備老舊、能耗高，大多情況屬于備用狀態。為更好的發揮單螺桿空壓機作用，實現經濟利益最大化，針對單螺桿空壓機使用過程存在的問題，通過變頻器對單螺桿空壓機實施了節能改造，結合生產實際修正了相關控制參數，取得了較好效果。

1 單螺桿空壓機節能改造的必要性

1.1 單螺桿空壓機工作原理和運行控制過程（圖1、2）

單螺桿空壓機工作過程分為吸氣、密封及輸送、壓縮、排氣四個過程。當螺桿在殼體內轉動時，螺桿與殼體的齒溝相互嚙合，空氣由進氣口吸入，同時也吸入機油，由于齒溝嚙合面轉動將吸入的油氣密封并向排氣口輸送；在輸送過程中齒溝嚙合間隙逐漸變小，油氣受到壓縮；當齒溝嚙合面旋轉至殼體排氣口時，較高壓力的油氣混合氣體排出機體。

1.2 單螺桿空壓機能耗分析及存在問題

圖1 單螺桿空壓機的結構原理圖

圖2 空壓機壓縮空氣產生系統圖

單螺桿空壓機自身控制器通過后端排氣管道上壓力傳感器的壓力控制空壓機運行方式。空壓機起動時，加載電磁閥處于關閉狀態，電動機空載運行，一段時間（可通過空壓機控制器設定，設置為2s）后，加載電磁閥打開，空壓機開始帶負載運行，通過加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在Pmin與Pmax之間來回變化。其中，Pmin為能夠保證用戶正常工作的最低壓力值，Pmax為保證安全運行設定的最高壓力值。空壓機運行過程中能量消耗主要包括以下幾個方面：

（1）在空壓機加載運行過程中，當后端管路空氣壓力達到Pmin后，加、卸載控制方式還要使其壓力繼續上升至Pmax，從而需要消耗更多的能量，產生更多的熱量和噪聲，導致能量損失。

（2）空壓機內部各氣動元件的額定氣壓均在Pmin左右，高于Pmin的氣體在進入氣動元件前，需要經過減壓閥減壓至接近Pmin，這一過程同樣是一個耗能過程。

（3）當空壓機壓力達到Pmax時，進入卸載狀態時，進氣閥關閉，電動機帶動螺桿做輕載運動，白白地消耗能量（圖3）。

圖3 空壓機控制過程圖

本單位空壓機主要用于全廠正常生產用風（此部分負荷相對穩定），并同時保證外部單位鐵路車輛翻車機、金結噴砂機工作等。當外部單位翻車機或金結噴砂機工作時，系統用風量大，空壓機處于持續加載狀態運行；當這兩個點位不工作時，空壓機基本能夠滿足其他用戶需求，但是由于用風點位較為分散且單位時間用風量時常低于空壓機產風量、管網壓力時常處于持續卸載狀態運行或加卸載頻繁轉換現象。空壓機起動均采用電磁閥控制加、卸載，加載和卸載方式轉換為瞬時轉換，這種靠機械方式調節進氣閥平衡供氣壓力的控制方式存在以下問題：一是壓縮氣源產生較大的波動。空壓機供氣量無法連續調節，當用氣量不斷變化時，供氣壓力不可避免地產生較大幅度的波動。二是降低設備設施使用壽命。一方面進氣閥、放氣閥頻繁打開和關閉，閥膜片的磨損加快；另一方面供氣壓力波動對設備機械沖擊較大，加速設備的磨損，降低設備的使用年限。三是電源電壓波動大，且造成電能浪費。由于空壓機電動機本身不能調速，故電動機自身不能直接使用壓力或流量的變化來實現降速調節輸出功率與之匹配，同時三相異步電動機不允許頻繁起動，導致在用氣量少的時候電動機仍然要空載運行，電能浪費巨大。為此，擬對長期運行的單螺桿空壓機3#空壓機進行節能改造。

2 單螺桿空壓機節能改造的設計與實施

2.1 單螺桿空壓機節能方式選擇

空壓機節能改造可以從機械及控制兩方面進行。機械方式節能改造主要從優化管道，降低管道阻力方面進行，但此種方式無法降低卸載運行時電能消耗及加卸載過程中對其設備的沖擊，不可避免因此造成運行成本的增加。因此，擬通過改變空壓機控制方式進行節能改造。

空壓機負載為恒轉矩負載，電動機運行輸出功率與轉速成正比，即

在工程計算中忽略空壓機機械效率損失（即始終認為空壓機機械效率η為1），可有如下關系：

式中，Q表示空氣流量，M3/h；表示轉速，rad/s；P表示軸功率，kW。

而交流異步電動機的轉速有：

改變電動機轉速的常規方法有如下3種：

（2）改變異步電動機的轉差率s調速，可在轉了上串聯電阻，或改變定子繞組上的電壓來改變轉差率 s。這種調速方法僅限于繞線式轉子異步電動機。

（3）改變定了繞組磁極對數p調速，即變極調速。這種調速方法由于磁極對數只能成對的改變，因而是有級調速。一般只能做到2速、2速、4速等。

隨著變頻技術的成熟，變頻器在空壓機上的應用越來越廣泛，通過對比最終引入了變頻器對單螺桿空壓機進行節能改造。

2.2 節能改造設計要求

根據綜合考慮空壓機特種設備運行的特殊性及3#空壓機供風實際需求，空壓機實施變頻改造后應滿足如下具體要求：

（1）保證空壓機原有控制系統的完好性，確保在緊急情況下各類安全保護措施動作靈敏、可靠。

（2）保證噴砂及翻車機作業過程中用戶端壓力大于0.2MPa，電動機變頻運行時，保證供風壓力穩定。

（3）長時間無壓縮風消耗（即系統無用風點位）時，空壓機可自動降低轉速至0Hz，減少卸載運行電能浪費。

（4）改造完成后仍為PLC系統控制，并能夠根據空壓機運行狀態啟停干燥機，保證壓縮風的干燥性。

單螺桿空壓機型號為OGD250 42.8/8，排氣量42.8m3/min，最高工作壓力0.8MPa，電動機額定功率250kW，額定轉速2990rin/m。因為空壓機轉速也不允許超過額定值，電動機不會出現過載現象，變頻器選用西門子6SE70系列通用變頻器即可。一般變頻器出廠標注的額定容量都具有一定的裕量安全系數，所以選擇變頻器容量與空壓機電動機容量相同，選定型號為6SE7035-1EK60（額定輸出電流510A，額定輸出功率250kW）的變頻器。

本單位3#空壓機變頻控制系統通過金結噴砂和外部單位翻車機儲氣罐壓力構成閉環控制系統（一般不會同時使用，當同時使用時優先保證外部單位翻車機供風），實時監控儲氣罐壓力變化，通過測量壓力與設定壓力差值變化調整空壓機轉速，保證儲氣罐壓力穩定，使空壓機運行在最經濟的狀態下運行（圖4）。

2.3 空壓機變頻控制流程

加裝變頻器后，控制系統主要為變頻器、PLC、空壓機、壓力變送器組成壓力閉環控制系統，系統根據儲氣罐壓力自動調整空壓機轉速，調整空壓機排氣量，穩定儲氣罐壓力在設定壓力范圍內。為了滿足生產工藝設計要求，閉環控制原理對PLC程序進行了進一步完善，主要變頻調節流程如圖5所示。

圖4 空壓機變頻控制圖

圖5 空壓機變頻調節流程圖

（1）3#空壓機遠程起動后，選擇連鎖控制，可根據壓力變送器測量壓力值與設定壓力差值自動調節運行頻率，保證儲氣罐壓力恒定。

（2）當儲氣罐變送器測量壓力維持在設定壓力（目前設定為0.6MPa），且3#空壓機降低至最低運行頻率（目前給定33Hz）運行，持續10min后，PLC系統判斷現場無用風需求，自動將運行頻率降低至0Hz，空壓機停止運行。

（3）當現場再次需要進行噴砂或翻車，現場崗位按下操作按鈕，PLC系統發出空壓機增頻指令，空壓機從0Hz開始增頻，并自動恒壓變頻運行。

（4）空壓機運行頻率大于最低運行頻率，干燥機投入運行，否則，干燥機停止運行。

經過上述改造后，空壓機隨著儲氣罐壓力不斷調整頻率，保持供風壓力恒定，同時，當系統長時間不用風時，將空壓機運行頻率降低至0Hz，減少了空壓機卸載運行時的電能損耗。

3 結語

（1）起動電流降低，減少其對電網的沖擊。變頻器的投入讓空壓機起動、加載過程電流平緩上升，對電網沖擊很小；相對于軟起動器，可以實現電動機軟停，有效防止反生電流造成傷害，更利于電動機使用壽命的延長。

（2）供風壓力穩定。PLC控制系統根據儲氣罐壓力實時調整空壓機運行頻率，確保儲氣罐壓力始終趨于設定壓力，從而保證現場用風壓力穩定，更利于生產操作（圖6）。

圖6 改造后壓力曲線

（3）減小機械沖擊，降低設備維護量。通過變頻器控制空壓機供風量，減少加卸載狀態轉換，減少了加載過程對電動機、壓縮機等設備沖擊，同時，低轉速運行減少軸承磨損，延長設備使用壽命，降低了設備維護量。

（4）經濟效益可觀。改造后，一是實現無人值守，減員12人，每人每月人工成本按照6000元計算，每年可減少人工成本0.6×4×12=28.8萬元；二是節能效果明顯。通過三個月的運行試驗，最終確定儲氣罐設定壓力為0.6MPa，最低運行頻率為33Hz，控制器加載壓力為0.6MPa，卸載壓力為0.73MPa。按此方式運行，統計電量平衡系統內數據，3#空壓機小時耗電量約為102kWH，較改造前196kWH相比，每小時節電94kWH。按照電費單價0.541元計算，每年可節約電費0.541×94×24×30×12/10000=43.9萬元。綜上，每年綜合效益可達72.7萬元，經濟效益可觀。