關(guān)于螺桿式空壓機(jī)變頻節(jié)能改造研究

王振波 寧德新能源科技有限公司

空壓機(jī)是一種通過(guò)將氣體進(jìn)行壓縮獲得壓力的設(shè)備，利用電能實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)，主要應(yīng)用在紡織、電力、冶金、機(jī)械制造、醫(yī)藥、礦山等領(lǐng)域?？諌簷C(jī)在工業(yè)發(fā)展中屬于基礎(chǔ)設(shè)備，承擔(dān)著為工廠氣動(dòng)元件提供能源的任務(wù)。然而在空壓機(jī)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，能量消耗比較大，有研究表明，在所有大型工業(yè)設(shè)備中，空壓機(jī)的耗電量能夠達(dá)到15%左右。為了節(jié)約能源，提升經(jīng)濟(jì)效益，必須針對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。本文以螺桿式空壓機(jī)為例，針對(duì)其利用變頻技術(shù)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)節(jié)能改造的原理和方法進(jìn)行分析，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)的工作者提供一定的參考借鑒。

一、螺桿式空壓機(jī)的工作原理

現(xiàn)如今，空壓機(jī)通常是通過(guò)上下限控制或啟停式控制方式進(jìn)行控制，當(dāng)壓力逐漸下降到設(shè)定好的下限以后，空壓機(jī)就會(huì)打開(kāi)設(shè)備的進(jìn)氣閥，令空氣進(jìn)入?？諌簷C(jī)保持正常工作狀態(tài)的時(shí)候，儲(chǔ)氣罐會(huì)對(duì)空氣進(jìn)行壓縮，主控制板對(duì)各個(gè)部分和整體進(jìn)行控制。若是出口壓力超過(guò)上限設(shè)定值，那么進(jìn)氣閥會(huì)受到控制而關(guān)閉，內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)打開(kāi)實(shí)行內(nèi)循環(huán)，用氣的部分能夠正常用氣。傳統(tǒng)的控制方式對(duì)于機(jī)器本身和電網(wǎng)都比較容易產(chǎn)生沖擊，若是用氣量波動(dòng)比較明顯，那么沖擊就更加嚴(yán)重。

二、螺桿式空壓機(jī)的能耗分析

螺桿式空壓機(jī)作為機(jī)械設(shè)備應(yīng)用，為生產(chǎn)提供具有一定壓力的氣體，現(xiàn)如今該設(shè)備應(yīng)用非常廣泛，而且需要常年堅(jiān)持工作。作為大功率設(shè)備的一種，空壓機(jī)需要耗費(fèi)大量的能源，通過(guò)研究能夠發(fā)現(xiàn)，雖然空壓機(jī)消耗了大量的能源，但是實(shí)際應(yīng)用效率卻只能達(dá)到50%-70%左右，分析其原因，是因?yàn)椋河脷鈫挝皇亲兓模沂情g斷性的，不會(huì)一直用氣，所以螺桿式空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處于低負(fù)荷狀態(tài)，效率自然會(huì)下降；螺桿式空壓機(jī)保持恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，但是實(shí)際上氣量需求不是恒定的，所以壓縮機(jī)組處于空轉(zhuǎn)的狀態(tài)比較頻繁，這就導(dǎo)致了較大的能源浪費(fèi)；螺桿式空壓機(jī)本身設(shè)計(jì)方面也有缺陷，電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)方面的設(shè)計(jì)就不是非常合理，進(jìn)而壓縮機(jī)內(nèi)部的各個(gè)零部件受到的力是不均衡的，電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生不必要的摩擦阻力，進(jìn)而增加能耗。

所以，螺桿式空壓機(jī)想要進(jìn)行節(jié)能改造，需要從兩個(gè)方面開(kāi)展，第一就是機(jī)械系統(tǒng)改造，例如優(yōu)化管道系統(tǒng)，減少摩擦力，進(jìn)而降低能耗，再如冷卻系統(tǒng)改造，因?yàn)槁輻U空壓機(jī)大多數(shù)時(shí)間需要在額定功率下運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)過(guò)程中氣量始終低于額定氣量，產(chǎn)生的熱負(fù)荷也不會(huì)超過(guò)額定負(fù)荷，如果采用定速風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，那么就會(huì)導(dǎo)致過(guò)度冷卻的情況，進(jìn)而會(huì)因?yàn)槔鋮s過(guò)度造成凝水，誘發(fā)油乳化現(xiàn)象，所以空壓機(jī)改造需要對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，據(jù)調(diào)查研究改造冷卻系統(tǒng)以后能夠至少減低30%的能耗；第二就是控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造，通過(guò)更為科學(xué)合理的方式對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，也就是利用變頻調(diào)速技術(shù)控制空壓機(jī)組的負(fù)載變化，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)成控制電機(jī)輸出功率和空壓機(jī)輸入功率的目標(biāo)。最終目的是令空壓機(jī)的制風(fēng)量和實(shí)際需求相匹配，提升空壓機(jī)的工作效率，降低能源消耗。

三、螺桿式空壓機(jī)的變頻節(jié)能改造

（一）設(shè)定變頻機(jī)工作頻率

螺桿式空壓機(jī)在工作之前，需要對(duì)工作領(lǐng)域的頻率設(shè)定最高值和最低值，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，若是頻率在額定功率的20%以下，那么整個(gè)系統(tǒng)的工作效率會(huì)大幅度下降。電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間維持在額定功率20%的狀態(tài)，空壓機(jī)會(huì)因?yàn)楹戕D(zhuǎn)矩特征，工作電流始終保持額定電流。所以，螺桿式空壓機(jī)設(shè)定工作頻率的時(shí)候，需要將其設(shè)定在額定頻率的20%-100%之間，若是空壓機(jī)的功率超過(guò)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(jié)能改造

變頻調(diào)速的最終控制目標(biāo)是壓縮機(jī)中被壓縮空氣的輸出壓力，整個(gè)閉環(huán)恒壓控制體系的組成包括電動(dòng)機(jī)、PLC、壓力傳感器、變壓器，操作面板上可以直接設(shè)定工作壓力值，實(shí)際壓力則通過(guò)壓力傳感器感知，感知到的壓力會(huì)變成電流信號(hào)傳遞給變頻器，變頻器內(nèi)部的PID 會(huì)進(jìn)行比較計(jì)算，進(jìn)而對(duì)輸出頻率進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終完成對(duì)電機(jī)輸出功率的調(diào)整。所以，只要能夠調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就能夠調(diào)整電機(jī)的功率，進(jìn)而也能調(diào)整空壓機(jī)的輸入功率，保證制風(fēng)量和需風(fēng)量一致，實(shí)現(xiàn)恒壓供氣，達(dá)成節(jié)能的目標(biāo)。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，就是利用需風(fēng)量調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

（三）空壓機(jī)改造后的特性

螺桿式空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造以后，能夠達(dá)成節(jié)能降耗的目的，同時(shí)也為整個(gè)生產(chǎn)帶來(lái)了諸多有益之處，具體包括下列幾點(diǎn)：

第一，改造以后的空壓機(jī)能夠通過(guò)特殊設(shè)計(jì)設(shè)定參數(shù)，保證以往出現(xiàn)的常見(jiàn)故障例如突發(fā)噴油、軸承溫度過(guò)高、機(jī)組共振、諧波干擾等不再出現(xiàn)，進(jìn)而空壓機(jī)能夠在實(shí)際應(yīng)用中安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

第二，改造以后的控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)跟蹤系統(tǒng)的壓力，利用設(shè)計(jì)好的算法進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，保證輸出壓力穩(wěn)定。機(jī)組的整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)都能夠得到優(yōu)化，進(jìn)而提升機(jī)組的加載率，保證大多數(shù)時(shí)間機(jī)組能夠在加載狀態(tài)下運(yùn)行，延長(zhǎng)進(jìn)氣系統(tǒng)和主機(jī)的使用時(shí)間。

第三，空壓機(jī)輸出的氣壓會(huì)更加穩(wěn)定，機(jī)組壓力值會(huì)因此減低，即使設(shè)置的壓力過(guò)高，也不會(huì)造成不必要的能源消耗。

第四，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)能夠真正實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流能夠控制在額定電流之內(nèi)，不會(huì)超過(guò)額定電流值，避免機(jī)械元件和電氣元件找到強(qiáng)大的沖擊，降低機(jī)組的維護(hù)成本。

第五，空壓機(jī)的散熱系統(tǒng)能夠參考油溫的狀態(tài)和曲線控制，避免因?yàn)闈?rùn)滑油中水量的變化導(dǎo)致壓縮機(jī)冷卻效率受到不良影響，同時(shí)也能保證機(jī)組的使用年限。

第六，對(duì)比全速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)組，能夠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的電機(jī)能夠降低空壓機(jī)使用中產(chǎn)生的噪音，同時(shí)卸載時(shí)間能夠縮短，卸載產(chǎn)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(jī)耐高溫性能更好，即便空氣溫度達(dá)到50℃也能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

第八，機(jī)組本身能夠進(jìn)行自我診斷和安全防護(hù)，保證機(jī)組的供氣安全。

四、螺桿式空壓機(jī)變頻節(jié)能改造的注意事項(xiàng)

螺桿式空壓機(jī)在進(jìn)行節(jié)能變頻改造過(guò)程中，需要對(duì)下述幾項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行特別關(guān)注：空壓機(jī)本身啟動(dòng)的時(shí)候具有大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載的特征，容易造成啟動(dòng)時(shí)跳過(guò)流保護(hù)，所以為了保證空壓機(jī)能夠恒壓供氣，設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，需要選擇高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的無(wú)速度矢量變頻器，避免啟動(dòng)的時(shí)候出現(xiàn)頻繁跳閘情況，變頻器功率需要選擇大于空壓機(jī)一級(jí)的型號(hào)；空壓機(jī)運(yùn)行不能夠長(zhǎng)時(shí)間保持低頻狀態(tài)，所以下限頻率需要設(shè)定在28Hz 以上，避免因?yàn)檗D(zhuǎn)速過(guò)低造成螺桿損壞；為了過(guò)濾變頻器輸出電流中產(chǎn)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(jī)產(chǎn)生的噪音；為了保證正常生產(chǎn)，需要設(shè)置兩套控制回路，變頻回路出現(xiàn)問(wèn)題，工頻回路能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)；潤(rùn)滑油的溫度如果過(guò)低會(huì)導(dǎo)致油汽分離出現(xiàn)異常，所以潤(rùn)滑油的溫度需要保持在70-95℃之間，避免潤(rùn)滑油進(jìn)入過(guò)多水汽造成氣罐底積水。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，工業(yè)生產(chǎn)中，螺桿式空壓機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在著較大的浪費(fèi)情況，為了節(jié)能降耗，可以針對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒壓供氣，提升生產(chǎn)效率，降低能源消耗，保證經(jīng)濟(jì)效益。