螺桿式空壓機(jī)變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

李 楊，李 靜，劉繼元

(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046)

目前，如何解決設(shè)備運(yùn)行中存在的能源浪費(fèi)，不但是增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的要求，更是創(chuàng)建資源節(jié)約型社會(huì)的要求?？諌簷C(jī)的種類有很多，有活塞式空壓機(jī)、螺桿式空壓機(jī)和離心式空壓機(jī)，但其供氣控制方式幾乎都是采用加、卸載控制方式。該供氣控制方式雖然原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，但存在能耗高，進(jìn)氣閥易損壞、供氣壓力不穩(wěn)定等諸多問(wèn)題［1］。在空壓機(jī)供氣領(lǐng)域能否應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，節(jié)省電能的同時(shí)改善空壓機(jī)性能，提高供氣品質(zhì)就成為一個(gè)廣受社會(huì)各界關(guān)注的問(wèn)題。對(duì)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)提升后，可以大大降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，降低生產(chǎn)設(shè)備的故障率，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)、環(huán)境效益，提高企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展后勁。根據(jù)具體情況，進(jìn)行技術(shù)變頻調(diào)速后，節(jié)電率在15% ～30%范圍內(nèi)，通常1～2 a可收回變頻器的設(shè)備和其他安裝等附加費(fèi)用等投資。為此，我國(guó)政府也根據(jù)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)和能源發(fā)展的現(xiàn)狀制定了“開(kāi)發(fā)與節(jié)約并重，把節(jié)約放在首位”的能源發(fā)展戰(zhàn)略部署，即把節(jié)能降耗放在突出位置。

高、低壓變頻調(diào)速技術(shù)日趨完美，已被不同學(xué)科、不同行業(yè)的工程技術(shù)人員廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域的交流調(diào)速系統(tǒng)。為應(yīng)用企業(yè)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化進(jìn)程。變頻調(diào)速用于交流電機(jī)調(diào)速，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)以往任何交、直流調(diào)速方式。而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、安裝調(diào)試使用方便、保護(hù)功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、節(jié)能效果顯著，已經(jīng)成為交流電機(jī)調(diào)速和技術(shù)攻關(guān)的最新潮流。

高壓變頻器采用高－高變換的方式，多重脈寬調(diào)制的技術(shù)方案，優(yōu)化的PWM控制算法，可實(shí)現(xiàn)多種控制方式以適應(yīng)不同負(fù)載類型的要求。系統(tǒng)具有工、變頻在線熱切換功能、轉(zhuǎn)矩提升、功率單元故障自動(dòng)旁路、高壓掉電后20 s內(nèi)來(lái)電自啟動(dòng)、故障運(yùn)行和防止電機(jī)共振等多項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn)及11項(xiàng)保護(hù)措施;高壓變頻器采用DSP無(wú)速度傳感器矢量控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)整定，變頻器功率電源主回路采用德國(guó)西門(mén)子IGBT功率模塊，設(shè)計(jì)容量充分考慮了變頻器過(guò)載情況，以及西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以極大限度的保證了現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載運(yùn)行的可靠性。

1 壓縮機(jī)系統(tǒng)概述

常用的空氣壓縮機(jī)有往復(fù)式(活塞式)和螺桿式。

空氣壓縮機(jī)出廠時(shí)配套的排氣壓力調(diào)節(jié)裝置，多數(shù)為關(guān)閉進(jìn)氣管式壓力調(diào)節(jié)器;其工作原理是當(dāng)儲(chǔ)氣罐(風(fēng)包)內(nèi)空氣壓力超過(guò)設(shè)定壓力(0.65 MPa)時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)氣管上碟閥自動(dòng)關(guān)閉，壓縮機(jī)進(jìn)入空轉(zhuǎn)卸載狀態(tài)。當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣壓力低于設(shè)定壓力(0.50 MPa)時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)氣管碟閥自動(dòng)開(kāi)啟，壓縮機(jī)又進(jìn)入加載工作狀態(tài)?？諝鈮嚎s機(jī)的排氣量和壓力，在運(yùn)轉(zhuǎn)中也不是不變的，常因所使用風(fēng)動(dòng)機(jī)械和風(fēng)動(dòng)工具的臺(tái)數(shù)多少而變化，所以空氣壓縮機(jī)工作時(shí)總是在重復(fù)加載－卸載工作方式。加載時(shí)的工作電流接近電動(dòng)機(jī)的額定電流;卸載時(shí)的空轉(zhuǎn)電流約為30% ～50%電動(dòng)機(jī)額定電流;這部分電流不是做有用功，而是機(jī)械在額定轉(zhuǎn)速下的空轉(zhuǎn)損耗。這種機(jī)械式調(diào)節(jié)裝置雖然也能起到壓力調(diào)節(jié)作用，但是壓力調(diào)節(jié)精度低，壓力波動(dòng)大;壓縮機(jī)總是在額定轉(zhuǎn)速下工作，機(jī)械磨損大，電耗高［2］。

根據(jù)空氣壓縮理論，壓縮機(jī)的軸功率、排氣量和軸轉(zhuǎn)速符合下列公式:

式中:Pr為壓縮機(jī)軸功率，KW;Mr為壓縮機(jī)輸入的平均軸扭矩，N·m;n為壓縮機(jī)軸轉(zhuǎn)速，r/min;k為與汽缸容積、溫度、壓力和泄露有關(guān)的系數(shù);n2為變頻調(diào)節(jié)后的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min;Vh1為一級(jí)缸容積，m3;Vd1為在n2轉(zhuǎn)速下的排氣量，m3/min。

根據(jù)上述理論分析，在空氣壓縮機(jī)的汽缸容積不能改變的條件下，只有調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速能改變排氣量;空氣壓縮機(jī)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，壓縮機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速呈正比變化;在壓縮機(jī)總排氣量大于風(fēng)動(dòng)工具用氣量時(shí)，通過(guò)降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)供風(fēng)壓力，是達(dá)到壓縮機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有效方法。在可以選用的壓縮機(jī)變極電動(dòng)機(jī)、改變皮帶輪傳動(dòng)比、串極調(diào)速等調(diào)速方法中，變頻調(diào)速與其他調(diào)速方法相比，具有無(wú)極調(diào)速、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、不用改變?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)和安裝量小的特點(diǎn)。

變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是壓力給定方便，根據(jù)用氣量的變化隨時(shí)調(diào)整設(shè)定值，能夠?qū)崿F(xiàn)壓力閉環(huán)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)壓縮空氣的恒壓供應(yīng)。

2 壓縮機(jī)變頻恒壓控制節(jié)能分析和計(jì)算

2.1 壓縮機(jī)變頻恒壓控制效益分析

螺桿式壓縮機(jī)系統(tǒng)為典型的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。對(duì)于該壓縮機(jī)系統(tǒng)屬于典型的恒壓輸出系統(tǒng)，因此恒壓控制后系統(tǒng)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)距變流量狀態(tài)。

在采用變頻調(diào)速時(shí)，系統(tǒng)流量需要減小時(shí)，降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，使壓縮機(jī)在規(guī)定壓力下低流量點(diǎn)運(yùn)行。壓縮機(jī)的輸入功率與流量成近似線性關(guān)系，如圖1所示。

圖1 壓縮機(jī)恒壓變流系統(tǒng)減速運(yùn)行的功率消耗

因此壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造后的節(jié)能效果主要決定于所運(yùn)行流量的大小，壓縮機(jī)的耗電量與流量成正比關(guān)系［3］。

由于該系統(tǒng)目前采用全速工頻運(yùn)行方案，采用壓縮機(jī)系統(tǒng)的全速自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，雖然總管道輸出壓力保持在一定范圍，但這時(shí)壓縮機(jī)電機(jī)運(yùn)行在輕載和滿載兩種狀態(tài)，白白浪費(fèi)掉電機(jī)運(yùn)行在怠速狀態(tài)時(shí)的能量消耗，因此采用變頻恒壓控制改造后降低了壓縮機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，節(jié)約了能量的消耗。

系統(tǒng)改造后還可使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟停止，減少系統(tǒng)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，減少系統(tǒng)啟動(dòng)次數(shù)，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn);由于壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的降低，減少機(jī)械磨耗，延長(zhǎng)電機(jī)和壓縮機(jī)的使用壽命。

系統(tǒng)若采用壓力閉環(huán)控制方案改造后，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。

2.2 壓縮機(jī)變頻恒壓控制節(jié)能計(jì)算

根據(jù)螺桿式壓縮機(jī)的負(fù)載性，可以得到壓縮機(jī)的輸入功率表達(dá)式:

式中:Pr為壓縮機(jī)輸入功率(KW);PK為壓縮機(jī)的空載損耗功率(KW);Py為壓縮機(jī)的有效功率(KPa)。

式中:Py為壓縮機(jī)的有效功率(KW);K為比例系數(shù);Q為壓縮空氣流量(m3/min);Pyl為壓縮空氣的壓力(KW)。

由于工頻運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)組運(yùn)行在滿載和空載兩種狀態(tài)，假設(shè)機(jī)組空載運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)損耗和滿載運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)損耗相同(PK)，因此工頻運(yùn)行時(shí)電機(jī)消耗電能的表達(dá)式為:

式中:W工頻為工頻運(yùn)行壓縮機(jī)的耗能量(KWh);t為壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間滿、空載時(shí)間和(h);t滿載為壓縮機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)間(h);t空載為壓縮機(jī)空載運(yùn)行時(shí)間(h)。

機(jī)組在變頻運(yùn)行時(shí)，根據(jù)公式(2)可知，在恒壓控制時(shí)壓縮機(jī)的輸入功率和流量成正比，根據(jù)羅桿壓縮機(jī)的工作特性，壓縮機(jī)組的流量與轉(zhuǎn)速成正比，即與電機(jī)的運(yùn)行頻率成正比，由此可得:

式中:Q為變頻為壓縮機(jī)拖動(dòng)電機(jī)變頻運(yùn)行頻率(Hz);fe為電機(jī)工頻運(yùn)行頻率(Hz);Qe為壓縮機(jī)在工頻運(yùn)行時(shí)的流量(m3/min)。

壓縮機(jī)組采用變頻運(yùn)行后，要保證用戶的用風(fēng)量，這樣同一運(yùn)行時(shí)間下變頻運(yùn)行的壓縮風(fēng)量應(yīng)與變頻運(yùn)行相同，因此有:

式中:t為運(yùn)行時(shí)間工頻運(yùn)行時(shí)滿空載時(shí)間和(h);t滿載為工頻運(yùn)行時(shí)滿載運(yùn)行時(shí)間(h)。

由公式(4)、(5)可知:

從公式(2)、(4)、(5)可以看出，由于工、變頻運(yùn)行壓力要保持不變(這里忽略工頻運(yùn)行時(shí)的壓力變化)，變頻運(yùn)行時(shí)壓縮機(jī)組的輸入功率為:

式中:Py變頻為壓縮機(jī)在變頻運(yùn)行時(shí)的有效功率(KW);Py為壓縮機(jī)在工頻運(yùn)行時(shí)的有效功率(KW)。

變頻運(yùn)行時(shí)電機(jī)消耗電能的表達(dá)式為:

式中:PK變頻為壓縮機(jī)在變頻運(yùn)行時(shí)的損耗功率(KW)。

根據(jù)機(jī)械負(fù)載的特點(diǎn)，近似認(rèn)為機(jī)械損耗功率與轉(zhuǎn)速成正比，由公式(5)、(6)可知:

由公式(9)、(7)可將公式(8)可變換為:

式中:W變頻變頻運(yùn)行壓縮機(jī)的耗能量(KWh)。

由公式(3)、(10)可得到，使用變頻后壓縮機(jī)組軸端輸入功率減少量為:

式中:t空載式工頻運(yùn)行時(shí)滿載運(yùn)行時(shí)間(h);△WZ為壓縮機(jī)軸輸入能量節(jié)約量(KWh)。

以上計(jì)算得到了壓縮機(jī)軸輸入(電機(jī)軸輸出)能量節(jié)約量，假設(shè)變頻器使用前后的電機(jī)效率不變，得到系統(tǒng)耗電量的節(jié)約量(節(jié)能量)

式中:△W為壓縮機(jī)電機(jī)節(jié)能量(KWh);η為電機(jī)運(yùn)行效率。

由于壓縮機(jī)空載時(shí)電機(jī)的輸出功率為:式中:U為壓縮機(jī)電機(jī)的運(yùn)行電壓(V);I空載為壓縮機(jī)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的電機(jī)電流(A);COSφ為壓縮機(jī)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)。

由公式(11)、(12)、(13)可以得到:

這樣只要檢測(cè)到壓縮機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的電機(jī)電壓、電流、功率因數(shù)以及某時(shí)間段內(nèi)的壓縮機(jī)系統(tǒng)的空載運(yùn)行時(shí)間和，就可計(jì)算出該時(shí)間段內(nèi)的節(jié)能量。

以上的計(jì)算為理論計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中忽略了一些次要因素，計(jì)算結(jié)果僅供參考，實(shí)際的節(jié)能效果要根據(jù)運(yùn)行實(shí)際情況和變頻器的設(shè)定情況，通過(guò)實(shí)際測(cè)量來(lái)確定［4］。

3 JCP高壓變頻調(diào)速裝置原理

JCP高壓變頻調(diào)速裝置原理圖如圖2所示。

圖2 JCP高壓變頻調(diào)速裝置主電路原理圖

由圖2看出系統(tǒng)由電網(wǎng)高壓6KV直接進(jìn)入高壓變頻器，高壓二極管串聯(lián)整流作為三相的整流功率控制單元。經(jīng)過(guò)專用抗共模電抗器和特制的電力電容濾波后，直接控制IGBT觸發(fā)不同的導(dǎo)通角可以輸出不同的電壓和頻率。通過(guò)對(duì)輸入取樣獲得同步信號(hào)，對(duì)輸出電壓取樣獲得反饋電壓信號(hào)，對(duì)輸出電流取樣獲得電流大小信號(hào)，從而單片機(jī)CPU對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)處理，使輸出電壓和輸出電流按照軟件設(shè)定的運(yùn)行V/F曲線進(jìn)行控制。運(yùn)行中，無(wú)變壓器的損耗，這樣能達(dá)到其它種類的高壓變頻無(wú)法達(dá)到的節(jié)能效果運(yùn)行。同時(shí)變頻器還繼續(xù)監(jiān)視電機(jī)的正常運(yùn)行和提供各種故障保護(hù)。在軟停機(jī)時(shí)，首先斷開(kāi)旁路接觸器，變頻器按照預(yù)先設(shè)好的參數(shù)平緩地降低電機(jī)的電壓和頻率直到停機(jī)。這樣可以避免突然停機(jī)引起的空壓機(jī)的“喘振”等機(jī)械沖擊［5］。

在變頻器需要維護(hù)或檢修時(shí)，裝置可以通過(guò)倒換變頻和工頻的負(fù)荷開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)控制裝置在工頻狀態(tài)運(yùn)行。裝置在工頻狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，裝置還提供的有過(guò)載、過(guò)流等保護(hù)措施。

在設(shè)備第一次運(yùn)行時(shí)，首先人工選擇變頻運(yùn)行的壓縮機(jī)，并設(shè)定好所需的壓力值，起動(dòng)該壓縮機(jī)，變頻器拖動(dòng)該壓縮機(jī)組變頻起動(dòng)并運(yùn)行至所需要的氣壓值;此時(shí)，可以同時(shí)變頻或工頻起動(dòng)其它的壓縮機(jī)，使得總出口的壓力值得到滿足。這樣，變頻控制的壓縮機(jī)始終通過(guò)壓力變送器采集的反饋信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)出口的氣壓值，從而滿足供氣的氣量。

當(dāng)變頻控制的壓縮機(jī)運(yùn)行到額定輸出轉(zhuǎn)速時(shí)，仍然達(dá)不到供氣壓力的要求，變頻控制裝置發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，通知值班人員用變頻(或工頻)起動(dòng)另一臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行，變頻控制的壓縮機(jī)運(yùn)行頻率會(huì)通過(guò)壓力變送器采集的反饋信號(hào)自動(dòng)下降頻率(轉(zhuǎn)速)，從而滿足供氣的氣量。

如果供氣壓力過(guò)高，而變頻控制的壓縮機(jī)已經(jīng)工作在設(shè)定下限的下限頻率了，管網(wǎng)壓力還高于壓力需求值時(shí)，變頻裝置發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提醒值班人員切除一臺(tái)變頻(或工頻)運(yùn)行的壓縮機(jī)。此時(shí)，變頻控制的壓縮機(jī)運(yùn)行頻率會(huì)通過(guò)壓力變送器采集的反饋信號(hào)自動(dòng)上升頻率(轉(zhuǎn)速)，從而滿足供氣的氣量［6］。

在變頻器需要檢修時(shí)，可以繼續(xù)采用原來(lái)的工頻運(yùn)行方案。

4 變頻運(yùn)行后收益

4.1 節(jié)約能源、提高供氣量

利用高壓變頻器控制壓縮機(jī)與傳統(tǒng)的控制壓縮機(jī)比較，能源節(jié)約、提高產(chǎn)量是最有實(shí)際意義的，根據(jù)氣體量需求來(lái)供給的壓縮機(jī)工況是經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀況。

出氣口釋放閥全部關(guān)閉，取消用出氣口釋放閥調(diào)節(jié)供氣量方式，以避免由此導(dǎo)致的電能浪費(fèi)。代之以變頻器調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整氣體流量，使電機(jī)輸出的功率與流量需求基本上成正比關(guān)系，始終使電機(jī)高效率工作，已取得明顯的節(jié)電效果，節(jié)電率約為20% ～30%。

4.2 運(yùn)行成本降低

壓縮機(jī)的運(yùn)行成本由三項(xiàng)組成:初始采購(gòu)成本、維護(hù)成本和能源成本。其中能源成本大約占?jí)嚎s機(jī)運(yùn)行成本的77%。通過(guò)變頻技術(shù)改造將使能源成本降低71%，再加上變頻起動(dòng)后對(duì)設(shè)備的沖擊減少，維護(hù)和維修量也相應(yīng)降低，因此運(yùn)行成本將大大降低。

4.3 提高壓力控制精度

變頻控制系統(tǒng)具有精確的壓力控制能力。使壓縮機(jī)的氣體壓力輸出與用戶氣體系統(tǒng)所需的氣量相匹配。變頻控制壓縮機(jī)的輸出氣量隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變。由于變頻控制電機(jī)速度的精度提高，所以它可以使管網(wǎng)的系統(tǒng)壓力變化保持在3pisg變化范圍，也就是0.2bar范圍內(nèi)，有效地提高了工況的質(zhì)量。

4.4 延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命

變頻器從0HZ起動(dòng)壓縮機(jī)，它的起動(dòng)加速時(shí)間可以調(diào)整，從而減少起動(dòng)時(shí)對(duì)壓縮機(jī)的電器部件和機(jī)械部件所造成的沖擊，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，使壓縮機(jī)的使用壽命延長(zhǎng)。此外，變頻控制能夠減少機(jī)組起動(dòng)時(shí)電流波動(dòng)，這一波動(dòng)電流會(huì)影響電網(wǎng)和其它設(shè)備的用電，變頻器能夠有效的將起動(dòng)電流的峰值減少到最低程度。

4.5 提高功率因數(shù)

由于電機(jī)在高效率狀態(tài)下運(yùn)行以及變頻器內(nèi)部配有大量電容，會(huì)使功率因數(shù)提高，降低了無(wú)功損耗，節(jié)約了大量電能。

4.6 降低了空壓機(jī)的噪音

根據(jù)壓縮機(jī)的工況要求，變頻調(diào)速改造后，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度明顯減慢，因此有效地降了空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪音?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定表明，噪音與原系統(tǒng)比較下降約5～10 dB。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用變頻調(diào)速控制技術(shù)，利用高壓變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)電機(jī)進(jìn)行變頻控制，實(shí)現(xiàn)壓力的變負(fù)荷調(diào)節(jié)。這樣不僅達(dá)到了用氣的工藝要求，同時(shí)提高了空壓機(jī)的運(yùn)行可靠性;更重要的是減小了設(shè)備起停次數(shù)，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，維護(hù)量減小，改善了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型，節(jié)約了能源，為降低耗電量提供了良好的途徑。

［1］嚴(yán)政，王歡.螺桿壓縮機(jī)的使用維護(hù)問(wèn)題淺析［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，2011(3).

［2］郭海，王勇，韓軍.螺桿壓縮機(jī)的應(yīng)用分析［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2004(2).

［3］唐耀華，徐慶龍.空壓站變頻改造的節(jié)能分析和參數(shù)控制［J］.變頻器世界，2004(4).

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