螺桿式空壓機(jī)變頻節(jié)能改造*

謝水英韓承江徐偉君

1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江紹興 312000 2.紹興漓鐵球團(tuán)廠 浙江紹興 312041

螺桿式空壓機(jī)變頻節(jié)能改造*

謝水英1韓承江1徐偉君2

1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江紹興 312000 2.紹興漓鐵球團(tuán)廠 浙江紹興 312041

本文闡述紹興漓鐵集團(tuán)公司球團(tuán)廠豎爐除塵用螺桿空壓機(jī)的變頻改造原理、變頻控制系統(tǒng)組成及工作過程，分析了變頻改造前后優(yōu)缺點(diǎn)，計(jì)算了變頻改造后的節(jié)能效果。該空壓機(jī)的節(jié)能改造，既是對(duì)國(guó)家節(jié)能減排政策的積極響應(yīng)，也為其他企業(yè)的技術(shù)改造提供了成功的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

空壓機(jī)；變頻調(diào)速；變頻節(jié)能；節(jié)能改造

一、概述

空壓機(jī)是空氣壓縮機(jī)的簡(jiǎn)稱。其主要用途有：壓縮氣體用于作為動(dòng)力，如氣動(dòng)扳手、風(fēng)動(dòng)機(jī)械；用于自動(dòng)控制，如車輛制動(dòng)、釀造業(yè)的攪拌；用于制冷和氣體分離，如冷凍行業(yè)與要用到純氧純氮的行業(yè)等。

在工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域，如采礦、石油、化工、制冷、動(dòng)力和冶金等部門中廣泛地使用壓縮機(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一個(gè)大型冶煉廠中，全年為壓縮機(jī)配套的電動(dòng)機(jī)功率常達(dá)上萬千瓦；在冶金工業(yè)和機(jī)械制造行業(yè)中，冶煉用的氧氣壓縮機(jī)和空氣壓縮機(jī)動(dòng)力站所消耗的電能，幾乎占全廠電能消耗的30%以上。如何降低空壓機(jī)運(yùn)行所消耗的能源，對(duì)于響應(yīng)國(guó)家節(jié)能降耗的政策以及提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、空壓機(jī)節(jié)能改造分析

1.空壓機(jī)工作原理

空壓機(jī)按工作原理分類有速度式（透平式）和容積式二種。速度式空壓機(jī)的作用原理是通過某種方式使氣體流動(dòng)速度加快后，再在擴(kuò)壓裝置中急劇減速后將氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為氣體靜壓能，以提高氣體壓力。容積式空壓機(jī)的作用原理是通過壓縮空氣體積達(dá)到使氣體壓力增加的目的。

容積式空壓機(jī)以螺桿式空壓機(jī)最為常見，其工作原理是：由一對(duì)相互平行齒合的陰陽轉(zhuǎn)子(或稱螺桿)在氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子齒槽之間的空氣不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，空氣則沿著轉(zhuǎn)子軸線由吸入側(cè)輸送至輸出側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的吸氣、壓縮和排氣的全過程?？諌簷C(jī)的進(jìn)氣口和出氣口分別位于殼體的兩端，陰轉(zhuǎn)子的槽及陽轉(zhuǎn)子齒被主電機(jī)驅(qū)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。

2.空壓機(jī)的控制過程

空壓機(jī)供氣系統(tǒng)的控制過程一般為：按下啟動(dòng)按鈕，控制系統(tǒng)接通啟動(dòng)器線圈并打開斷油閥，空壓機(jī)在卸載模式下啟動(dòng)，這時(shí)進(jìn)氣閥處于關(guān)閉位置，而放氣閥則打開以排放油氣分離器內(nèi)的壓力。等降壓2秒后空壓機(jī)開始加載運(yùn)行，系統(tǒng)壓力開始上升。如果系統(tǒng)壓力上升到壓力開關(guān)上限值，即起跳壓力時(shí)，控制器使進(jìn)氣閥關(guān)閉，油氣分離器放氣，壓縮機(jī)空載運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)壓力下降至壓力開關(guān)下限值，即回跳壓力時(shí)，控制器使進(jìn)氣閥打開，油氣分離器放氣閥關(guān)閉，壓縮機(jī)滿載運(yùn)行。

3.漓鐵球團(tuán)廠豎爐除塵空壓機(jī)原先存在的問題

該廠豎爐除塵用空壓機(jī)為螺桿式，由大小2臺(tái)組成，大的一臺(tái)型號(hào)為SA60-7，排氣量10.3m3/min，額定/最大排氣壓力為0.7/0.75MPa，電機(jī)功率為55Kw，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2970r/min。小的一臺(tái)型號(hào)為OG-50W，軸功率為37KW，容積流量為6.1m3/min，額定電壓為380V，供氣壓力為0.7MPa。

該空壓機(jī)的作用是產(chǎn)生高壓氣體，用于輸送從豎爐除塵下來的球粉到制球原料庫,以便回收利用。由于在除塵輸送系統(tǒng)中用風(fēng)量不均衡，空壓機(jī)供風(fēng)量一般大于實(shí)際用風(fēng)量，為保持儲(chǔ)氣壓力不變，就必須要采用調(diào)節(jié)方式。其中大壓縮機(jī)時(shí)常處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)壓縮空氣產(chǎn)量無法滿足工況需求時(shí)，就加開小壓縮機(jī)；而當(dāng)壓縮空氣過剩時(shí)，就進(jìn)行放空，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。另外，該空壓機(jī)組在變頻改造前采用星—三角起動(dòng)，雖為PLC控制，但空壓機(jī)采用間歇控制運(yùn)行方式，運(yùn)行狀態(tài)很不經(jīng)濟(jì)。存在著：

(1)大小主電機(jī)雖然以星—三角降壓起動(dòng)，但起動(dòng)電流仍較大，對(duì)電網(wǎng)與其他設(shè)備造成一定的沖擊與影響。

(2)大電機(jī)時(shí)?？蛰d運(yùn)行，電能浪費(fèi)較嚴(yán)重。

(3)小電機(jī)常頻繁起動(dòng)、停止，影響電機(jī)使用壽命

(4)主電機(jī)工頻運(yùn)行造成空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)噪音很大。

針對(duì)除塵空壓機(jī)控制方式欠缺和能耗大等問題，廠里于2009年對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行了節(jié)能改造。

三、空壓機(jī)節(jié)能方案選擇

1.空壓機(jī)的節(jié)能方案選擇

空壓機(jī)的節(jié)能改造可以從機(jī)械系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)兩方面進(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)等，以降低管網(wǎng)阻力，降低功耗?？刂普{(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。目前空壓機(jī)的流量調(diào)節(jié)方式一般有壓縮機(jī)間歇控制運(yùn)行、吸氣調(diào)節(jié)、氣缸卸載、無級(jí)變速調(diào)節(jié)等。

空壓機(jī)間歇運(yùn)行會(huì)帶來壓縮機(jī)頻繁起停，增大電能損耗，引起電網(wǎng)波動(dòng)增大，同時(shí)也會(huì)影響設(shè)備壽命；而氣缸卸載不但能量浪費(fèi)，且會(huì)加劇設(shè)備磨損，增加了運(yùn)營(yíng)成本。

目前越來越多的采用無級(jí)變速調(diào)節(jié)，即變頻調(diào)速技術(shù)。通過變頻器使電機(jī)輸入電壓的頻率變化，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，進(jìn)而控制電機(jī)的輸出功率與空壓機(jī)的輸入功率，使空壓機(jī)的制風(fēng)量與實(shí)際用風(fēng)量相匹配。這種調(diào)節(jié)方式可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)，使空壓機(jī)在設(shè)計(jì)的情況下運(yùn)行，使空壓機(jī)在輕載運(yùn)行時(shí)的工作效率大大提高，降低空壓機(jī)的能耗，創(chuàng)造較好的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)響應(yīng)目前國(guó)家節(jié)能降耗的號(hào)召有著重要的意義。

對(duì)于螺桿空壓機(jī)來說，采用變頻器可通過改變螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的方式來改變排氣量，當(dāng)用氣量發(fā)生變化時(shí)，變頻器改變轉(zhuǎn)速的方式調(diào)節(jié)空壓機(jī)的排氣量，達(dá)到排氣壓力恒定不變，并節(jié)約能源的目的。

針對(duì)豎爐除塵空壓機(jī)控制系統(tǒng)方面存在的問題，紹興漓鐵集團(tuán)球團(tuán)廠于2009年對(duì)其進(jìn)行了變頻節(jié)能改造。

2.變頻節(jié)能分析

(1)變頻控制原理

式中，f為電源頻率，S為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率，P為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。

當(dāng)P和S確定后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，所以改變電源頻率即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速n，從而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。

(2)變頻節(jié)能原理

根據(jù)空壓機(jī)的運(yùn)行特性知，空壓機(jī)基本屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，用變頻調(diào)速的方法據(jù)供氣量大小來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，能使電機(jī)的輸出功率基本與轉(zhuǎn)速（供氣量）成正比關(guān)系。當(dāng)用氣量減小時(shí)，排氣口壓力上升，通過閉環(huán)反饋給變頻器，使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，減小了軸輸出功率；當(dāng)用氣量增加時(shí)，排氣口壓力下降，通過閉環(huán)反饋給變頻器，使電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，增加了軸輸出功率。

因此，變頻空壓機(jī)系統(tǒng)通過壓力閉環(huán)，可實(shí)時(shí)跟蹤供氣系統(tǒng)負(fù)載變化，調(diào)整空氣壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證排氣口壓力恒定，使壓縮機(jī)電機(jī)工作在最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)下。避免了原控制方式空壓機(jī)頻繁的加載與卸載，頻繁地起動(dòng)與停機(jī)，使得從電網(wǎng)吸收的電能大大下降。

(3)變頻控制過程

變頻調(diào)速系統(tǒng)以空壓機(jī)壓縮空氣的輸出壓力作為控制對(duì)象，由變頻器，壓力傳感器、PLC、電機(jī)組成閉環(huán)恒壓控制系統(tǒng)，工作壓力值由操作面板直接設(shè)置，現(xiàn)場(chǎng)壓力由傳感器來檢測(cè)，轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號(hào)后反饋到變頻器，變頻器通過內(nèi)置PID進(jìn)行比較計(jì)算，從而調(diào)節(jié)其輸出頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)輸出功率的目的。

由此可見只要調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以調(diào)節(jié)電機(jī)軸輸出功率，也即調(diào)節(jié)了空壓機(jī)的輸入功率，使空壓機(jī)的制風(fēng)量與用風(fēng)量相匹配，達(dá)到恒壓供氣與節(jié)能的目的。

四、空壓機(jī)變頻節(jié)能改造

1.節(jié)能改造設(shè)計(jì)要求

根據(jù)原空壓機(jī)組控制系統(tǒng)存在的問題并結(jié)合生產(chǎn)工藝要求，機(jī)組控制系統(tǒng)變頻改造后系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：

(1)系統(tǒng)應(yīng)具有變頻和工頻兩套控制回路。

(2)保持儲(chǔ)氣罐出口壓力穩(wěn)定。電機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，出口壓力波動(dòng)范圍不能超過±0.02MPa。

(3)一臺(tái)變頻器能控制兩臺(tái)空壓機(jī)組，可用轉(zhuǎn)換開關(guān)切換。

(4)根據(jù)空壓機(jī)的工控要求，控制系統(tǒng)應(yīng)使電動(dòng)機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行特性。

(5)控制系統(tǒng)仍由PLC進(jìn)行控制。

2.控制系統(tǒng)組成框圖

整個(gè)系統(tǒng)由變頻器、PLC、壓力變送器、工頻接觸器、電機(jī)、空壓機(jī)等組成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)空壓機(jī)的進(jìn)氣量，使儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣壓力穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)，進(jìn)行恒壓控制。反饋壓力與設(shè)定壓力進(jìn)行比較運(yùn)算，通過PLC實(shí)時(shí)控制變頻器的輸出，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能的目的?？諌簷C(jī)組變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 空壓機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框圖

3.工作過程

變頻控制接線示意圖如圖1所示。在空壓機(jī)排氣出口處安裝壓力傳感器的采樣點(diǎn)，通過壓力傳感器獲得所需要的電流信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)用氣量小時(shí)，空壓機(jī)排氣口的壓力升高，壓力傳感器的阻值減小，24V直流電源把壓力傳感器的阻值轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，通過PLC使其對(duì)變頻器輸入的電流信號(hào)增大，變頻器與設(shè)定值比較后得到偏差ε，ε經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后使輸出電源的頻率逐漸變小，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，同時(shí)空壓機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也下降，壓力降低。當(dāng)系統(tǒng)用氣量大時(shí)，系統(tǒng)壓力逐漸降低，變頻器輸出電源頻率升高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，制氣量增加，使空壓機(jī)出口處壓力升高，滿足系統(tǒng)用氣量要求。當(dāng)供氣量與用氣量基本持平，變頻器就會(huì)以該點(diǎn)的頻率運(yùn)行，這樣就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)壓力的恒定，同時(shí)電機(jī)與空壓機(jī)也一直運(yùn)行于最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。

為了安全起見，在安裝變頻器裝置時(shí)，保留了原有的工頻控制電路，在變頻柜上設(shè)置了工頻/變頻轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng)變頻裝置出現(xiàn)故障時(shí)，可方便地轉(zhuǎn)換到工頻運(yùn)行狀態(tài)，正常供氣不影響生產(chǎn)（如圖2所示）。

圖2 變頻控制接線示意圖

五、變頻改造后優(yōu)點(diǎn)

1.啟動(dòng)電流小，對(duì)電網(wǎng)無沖擊

變頻器可使電機(jī)起動(dòng)、加載時(shí)的電流平緩上升，沒有任何沖擊；可使電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟停，避免反生電流造成的危害，有利于延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命

2.輸出壓力穩(wěn)定

采用變頻控制系統(tǒng)后，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供氣管路中氣體的壓力，使供氣管路中的氣體的壓力保持恒定，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量

3.設(shè)備維護(hù)量小

空壓機(jī)變頻啟動(dòng)電流小，小于2倍額定電流，加卸載閥無須反復(fù)動(dòng)作，變頻空壓機(jī)根據(jù)用氣量自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，運(yùn)行頻率低，轉(zhuǎn)速慢，軸承磨損小，設(shè)備使用壽命延長(zhǎng)，維護(hù)工作量變小。

4.噪音低

變頻根據(jù)用氣需要提供能量，沒有太多的能量損耗，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率低，機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)噪音因此變小，由于變頻以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式，不用反復(fù)加載、卸載，頻繁加卸載的噪音也沒有了，持續(xù)加壓，氣壓不穩(wěn)產(chǎn)生的噪音也消失了。

5.節(jié)能效果明顯

變頻器改造節(jié)能效果十分明顯。經(jīng)過該廠實(shí)驗(yàn)，一臺(tái)55KW的空壓機(jī)，加載時(shí)間15秒，加載電流達(dá)110A；卸載時(shí)間20秒，卸載電流約80A，工作壓力上下限為0.75MPa/0.62MPa，根據(jù)加卸載時(shí)間與電流，可以算出該空壓機(jī)節(jié)能改造前耗電量45度/小時(shí)。變頻改造后節(jié)電率約30%，按每度電0.75元計(jì)算，一年可節(jié)約電費(fèi)：

空壓機(jī)變頻改造費(fèi)用約10萬元

約(10/8.870)×12=13.52

即約14個(gè)月就可以收回投資。而以后每年可節(jié)約電費(fèi)8萬多元。

因此，在供氣系統(tǒng)中接入變頻節(jié)能系統(tǒng)，利用變頻技術(shù)改變空壓機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)管道中的流量，以取代閥門調(diào)節(jié)方式，不但能實(shí)現(xiàn)恒壓供氣的目的，并且能取得明顯的節(jié)能效果。另外，變頻器軟起動(dòng)功能及平滑調(diào)整特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的平衡調(diào)節(jié)，減少了起動(dòng)沖擊，還可以延長(zhǎng)壓縮機(jī)與機(jī)組管組的使用壽命。

六、注意事項(xiàng)

1.空壓機(jī)屬于大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載，這種起動(dòng)特點(diǎn)很容易引起V/F控制方式的變頻器在起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)跳過電流保護(hù)的情況。建議選用具有高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的無速度傳感器矢量變頻器，保證既能實(shí)現(xiàn)恒壓供氣的連續(xù)性，又保證設(shè)備可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

2.空壓機(jī)不允許長(zhǎng)時(shí)間低頻下運(yùn)行，若空壓機(jī)轉(zhuǎn)速過低，一方面將使空壓機(jī)工作穩(wěn)定性變差，另一方面使缸體潤(rùn)滑性變差，會(huì)加速磨損。所以工作下限頻應(yīng)不低于20Hz。

3.為了有效濾去變頻器輸出端電流中高次諧波分量，減少因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，還可以減少電機(jī)運(yùn)行噪聲與溫升，提高電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。

4.建議功率選用比空壓機(jī)功率大一等級(jí)的變頻器，以免空壓機(jī)啟動(dòng)出現(xiàn)頻繁跳閘的情況。

[1]高相家，陳放.螺桿空壓機(jī)變頻節(jié)能改造的經(jīng)濟(jì)分析和技術(shù)方案[J].技術(shù)改造,2009,3

[2]李強(qiáng)，屈寶存，葛智強(qiáng).PLC和變頻器在空壓機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化,2006,7

[3]李傳淮.PLC和變頻器在空壓機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用[J].科技資訊,2007,2

2010-10-10

謝水英，本科，副教授。

*本文系浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院高層次平臺(tái)課題（壓縮機(jī)節(jié)能控制策略研究，項(xiàng)目編號(hào)：KY2010144）的研究成果之一。