空壓機(jī)變頻改造節(jié)能效果分析

閆光啟，楊勇偉，王立，萬朋，潘世全，王琳琳，栗克，高國防

工、礦企業(yè)在選擇空壓機(jī)時，為了保證在任何情況下都能使生產(chǎn)正常進(jìn)行，空壓機(jī)一般按工廠最大負(fù)荷再加10%～20%余量設(shè)計，因此，實際安裝的空壓機(jī)，其額定供氣能力要比最大的用氣量大10%～20%左右。而在實際生產(chǎn)過程中，工廠的實際需求存在季節(jié)性及時間性的波動，會導(dǎo)致用氣量波動較大，絕大多數(shù)情況下只能用到額定供氣量的50%～60%，甚至更低。這一普遍現(xiàn)象造成了電能的嚴(yán)重浪費(fèi),所以空壓機(jī)多數(shù)時間并非滿載運(yùn)行，具有很大的節(jié)能空間。

為了減少電能浪費(fèi)，同時保持供氣量與用氣量的平衡，不論是活塞式，還是螺桿式壓縮機(jī)，比較常用的控制方式是在其中設(shè)置加、卸載機(jī)構(gòu)。加載時，空壓機(jī)向儲氣罐提供壓縮氣體；卸載時，空壓機(jī)不向儲氣罐提供壓縮氣體，處于“空轉(zhuǎn)”狀態(tài)。之所以空轉(zhuǎn)而不進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，是因為空氣壓縮機(jī)的空載啟動電流大約是額定電流的3～5倍(空氣壓縮機(jī)電動機(jī)一般為星/三角啟動方式)，避免了帶載啟動時強(qiáng)大的電流沖擊和機(jī)械沖擊，以及對電網(wǎng)中其他用電設(shè)備的沖擊，同時也會縮短空氣壓縮機(jī)的使用壽命。

加、卸載過程是交替進(jìn)行的，加載期間，儲氣罐壓力在上升，卸載期間，儲氣罐壓力在下降，總體上儲氣罐的壓力曲線是“鋸齒”狀。為了保證生產(chǎn)正常進(jìn)行，其最小壓力必須滿足一定要求，用Pmin來表示，叫最小壓力。在加載過程結(jié)束轉(zhuǎn)入卸載狀態(tài)這一時刻，儲氣罐壓力最大，用Pmax來表示，叫最大壓力。一般情況下，Pmax、Pmin之間關(guān)系可以用下式來表示：

Pmax＝(1＋δ)Pmin （1）

δ是一個百分?jǐn)?shù)，其數(shù)值大致在15%～30%之間。也就是說，在氣壓上存在15%～30%的浪費(fèi)。

縮短加、卸載時間，可以減小δ，但單位時間內(nèi)的加、卸載次數(shù)必然增加，頻繁加、卸載的機(jī)械沖擊將嚴(yán)重縮短設(shè)備壽命。同時，頻繁加、卸載的過程勢必加大電能的消耗。

加、卸載供氣控制方式浪費(fèi)的能量主要包括以下幾個方面:

（1）加載時的電能消耗

當(dāng)儲氣罐中空氣壓力達(dá)到Pmin后，加、卸載供氣控制方式還會使其壓力繼續(xù)上升，直到Pmax。這一過程需要電源繼續(xù)向壓縮機(jī)提供能量，是一種能量的損失。

（2）卸載時電能的消耗

當(dāng)壓力達(dá)到壓力最大值時，空壓機(jī)通過關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)的方法來降壓卸載。這種調(diào)節(jié)方法造成很大的能量浪費(fèi)。據(jù)測算，空壓機(jī)卸載時的能耗約占空壓機(jī)滿載運(yùn)行時的10%～35%。很明顯，在加載、卸載供氣控制方式下，空壓機(jī)電機(jī)存在很大的節(jié)能空間。

加、卸載供氣控制模式下的運(yùn)行曲線,如圖1所示。

（3）頻繁地開/關(guān)放氣閥，會加速進(jìn)氣閥的磨損，使放氣閥壽命大大縮短,增加維修量和維修成本。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，目前最佳解決方案是對空氣壓縮機(jī)實行變頻調(diào)速節(jié)能控制。

采用變頻凋速控制時，就是把管網(wǎng)壓力作為控制對象，通過檢測儲氣罐壓力，實現(xiàn)系統(tǒng)的壓力閉環(huán)控制，自動調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和空氣壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)臺數(shù)。改造后的空氣壓縮機(jī)都由變頻器來啟動，實現(xiàn)帶載軟啟動和軟停機(jī)的工作方式，避免了啟動沖擊電流和啟動給空氣壓縮機(jī)帶來的機(jī)械沖擊，實現(xiàn)了供氣量的連續(xù)調(diào)節(jié)，保證了總管壓力穩(wěn)定。

變頻器控制模式下的運(yùn)行曲線,如圖2所示。

應(yīng)用示例1：

某企業(yè)的空壓機(jī)電機(jī)參數(shù)如下：功率為160kW，轉(zhuǎn)速為1480r/min，額定電流294A，功率因數(shù)為0.89。采用傳統(tǒng)的加、卸載供氣控制方式，正常生產(chǎn)時，壓力需維持在0.60～0.72MPa范圍內(nèi)，空壓機(jī)進(jìn)氣閥門開關(guān)都呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，即閥門打開加載時間約為125s，關(guān)閉卸載時間約為90s(即加載時間占總時間的58%，卸載時間約占42%）；加載時電機(jī)電流大約為256A，關(guān)閉閥門電機(jī)電流約為102A。

采用變頻恒壓控制以后，正常生產(chǎn)時，管網(wǎng)壓力保持在0.60±0.02MPa這樣一個相對穩(wěn)定的值，變頻器顯示36Hz，電機(jī)電流維持在193A左右，上下波動很小。如此，年節(jié)約電能約為278.9×103kWh。按照目前平均工業(yè)電價0.615元/kWh計算，每年可節(jié)省生產(chǎn)成本約17.2萬元。

應(yīng)用示例2：

某企業(yè)的空壓機(jī)電機(jī)參數(shù)如下：功率為75kW，轉(zhuǎn)速為1480r/min，額定電流139A，功率因數(shù)為0.86。采用傳統(tǒng)的加、卸載供氣控制方式，正常生產(chǎn)時，壓力需維持在0.56～0.68MPa范圍內(nèi)，空壓機(jī)進(jìn)氣閥門開關(guān)都呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，即閥門打開加載時間約為95s，關(guān)閉卸載時間約為160s(即加載時間占總時間的40.6%，卸載時間約占59.4%）；加載時電機(jī)電流大約為128A，關(guān)閉閥門電機(jī)電流約為50A。

采用變頻恒壓控制以后，正常生產(chǎn)時，管網(wǎng)壓力保持在0.56±0.03MPa這樣一個相對穩(wěn)定的值，變頻器顯示30～40Hz，電機(jī)電流維持在97A左右，基本上沒有卸載時間。如此，年節(jié)約電能約為98.65×103kWh。按照目前平均工業(yè)電價0.615元/kWh計算，每年可節(jié)省生產(chǎn)成本約6.1萬元。

變頻器控制模式和加、卸載供氣控制模式下的節(jié)能運(yùn)行曲線如圖3所示。

圖3中各部分曲線簡要說明：

灰色：變頻空壓機(jī)功耗曲線；

綠色：節(jié)能部分A，變頻空壓機(jī)比普通空壓機(jī)節(jié)省的能量；

淺藍(lán)色：節(jié)能部分B，變頻空壓機(jī)可能節(jié)省的能量。B為當(dāng)變頻空壓機(jī)已進(jìn)入空久停機(jī)休眠階段，而普通空壓機(jī)沒有進(jìn)入休眠時，變頻空壓機(jī)節(jié)省的能量。如果變頻空壓機(jī)也沒有進(jìn)入休眠，則B=0。

剛啟動或休眠后啟動時，普通空壓機(jī)和變頻空壓機(jī)均運(yùn)行在額定功率附近，因此變頻空壓機(jī)可以保證充氣的快速性。

空壓機(jī)采用變頻改造后系統(tǒng)的特點(diǎn)：

（1）空氣壓力幅值變化小，實際測量后，在使用變頻運(yùn)行時，其壓力變化幅值大約為±0.03MPa。供氣質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高。

（2）平均降低噪音3～7dB(A)，改善了工作環(huán)境。

（3）操作簡便。

（4）采用變頻調(diào)速后，在空氣壓縮機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，潤滑油耗量也就變小，即所謂“低轉(zhuǎn)速，低潤滑”，全年可節(jié)約空氣壓縮機(jī)潤滑油20%～35%左右。

（5）由于轉(zhuǎn)速降低，機(jī)械磨損減小，可延長設(shè)備的使用壽命。

（6）提高運(yùn)行可靠性。原電控系統(tǒng)與改造后的變頻控制系統(tǒng)可互為備用，提高了運(yùn)行可靠性，同時各項保護(hù)措施更加完善。

（7）根據(jù)水泥企業(yè)空壓機(jī)站管理和運(yùn)行方式的特點(diǎn)，為了節(jié)約資金，建議在每個空壓機(jī)站內(nèi)改造兩臺空壓機(jī)為變頻器控制方式，就可以滿足生產(chǎn)的需求。

空壓機(jī)采用變頻系統(tǒng)改造中應(yīng)注意：

（1）電動機(jī)的散熱問題，電動機(jī)經(jīng)過變頻器變頻后，轉(zhuǎn)速降低，其電機(jī)風(fēng)扇的散熱效果也要降低。

（2）空壓機(jī)的潤滑問題，空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速越低，潤滑油的耗量也就越小，其潤滑效果越差。要注意加強(qiáng)設(shè)備巡視工作。

（3）系統(tǒng)壓力設(shè)定問題，在滿足生產(chǎn)工藝的要求下，壓力設(shè)定越低越好，因為空壓機(jī)的排氣壓力越高，所需的電機(jī)軸功率越大，電機(jī)耗電也就越多。

（4）轉(zhuǎn)速過低，會使壓縮機(jī)的工作穩(wěn)定性變差、機(jī)械性能變差，因此，將變頻器運(yùn)行頻率下限設(shè)定為30Hz。

水泥企業(yè)的用電費(fèi)用約占水泥成本的1/3，所以做好電動機(jī)運(yùn)行的節(jié)能工作至關(guān)重要。為了節(jié)約資金，每個站可配套1～2臺控制的空壓機(jī)分別投入運(yùn)行。對于新建的空壓機(jī)站，可根據(jù)變頻技術(shù)改造的空壓機(jī)系統(tǒng)經(jīng)驗，按照最合適的計算系數(shù)選取空壓機(jī)配套能力。這樣既有利于降低整個配電系統(tǒng)的電力損耗，還可以挖掘配電系統(tǒng)的供電能力，減少電費(fèi)開支。與此同時，還可降低企業(yè)隱性的浪費(fèi)。

企業(yè)向內(nèi)控制成本節(jié)約1%，遠(yuǎn)勝于市場銷售業(yè)績增加10%。

[1]張燕賓.變頻調(diào)速應(yīng)用實踐[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2]深圳市藍(lán)海華騰技術(shù)有限公司.空壓機(jī)節(jié)能變頻器使用說明書[R].■