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目前在我國各工礦企業(yè)運(yùn)行著大量的螺桿空氣壓縮機(jī)，而這些設(shè)備往往都是企業(yè)的耗電大戶。根據(jù)我們對設(shè)計(jì)院所的了解和對用戶的實(shí)際調(diào)查，這些大功率的耗能系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效率普遍較低，總體僅為50%～70%左右，這主要是由于兩個方面的原因造成的：

1、設(shè)計(jì)院所和用戶在選型時往往考慮較大裕量，一般都在30%以上，這就使螺桿空壓機(jī)實(shí)際運(yùn)行時經(jīng)常處于關(guān)閉進(jìn)氣的低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，從而降低了運(yùn)行效率；
2、普通螺桿空氣壓縮機(jī)都是處于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，而實(shí)際生產(chǎn)中的氣量需求卻經(jīng)常處于變動狀態(tài)，當(dāng)用戶用氣量減小時，壓縮機(jī)組只能通過全部或部分關(guān)閉進(jìn)氣來進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣，壓縮機(jī)組就會經(jīng)常處于空運(yùn)轉(zhuǎn)、部分負(fù)荷(高壓比狀態(tài))和滿負(fù)荷交替運(yùn)行的低效率狀態(tài)，從而造成大量的能源浪費(fèi)。因此，螺桿空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行節(jié)能問題主要表現(xiàn)為排氣量的調(diào)節(jié)問題，而壓縮機(jī)的排氣量與壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，所以，歸根到底螺桿空氣壓縮機(jī)的節(jié)能問題就是壓縮機(jī)所配電機(jī)的調(diào)速問題。目前，中小型交流異步電機(jī)的最佳調(diào)速方式為變頻調(diào)速方式。

一、普通螺桿空壓縮機(jī)運(yùn)行分析

螺桿空壓機(jī)是由一對相互平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子在機(jī)體內(nèi)做相對高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使陰陽轉(zhuǎn)子齒槽和機(jī)體之間形成的呈“V”字形的一對齒間容積隨轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，空氣則沿著轉(zhuǎn)子軸線方向由吸入端輸送至輸出端，實(shí)現(xiàn)螺桿空壓機(jī)的吸氣、壓縮和排氣的全過程。對于一臺空壓機(jī)來說，在其設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，其排氣量和轉(zhuǎn)速成線性正比關(guān)系。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升，排量增加；當(dāng)轉(zhuǎn)速下降，排量減少；普通螺桿空氣壓縮機(jī)都只能是恒速運(yùn)行，而由于最初設(shè)計(jì)選型時較大的氣量裕量及實(shí)際生產(chǎn)中的氣量需求卻經(jīng)常處于變動狀態(tài)，使得當(dāng)用戶用氣量小于額定排氣量時，空壓機(jī)的供氣壓力將會上升，當(dāng)壓力上升至用戶設(shè)定壓力以上某一壓力值時〔通常是ps+Δp；其中ps為用戶設(shè)定工作壓力，Δp為差動壓力，一般情況下Δp≥ps × 10%〕控制器會關(guān)閉，進(jìn)氣閥以停止壓力繼續(xù)上升，這時電機(jī)系統(tǒng)基本處于空載狀態(tài)；在進(jìn)入空載狀態(tài)后，由于用戶仍在用氣，空壓機(jī)的供氣壓力將會下降，其下降和再次上升速度取決于以下兩個因素：

1、用戶實(shí)際用氣量Q2與空壓機(jī)的額定排氣量Q1的比值。用λ表示此值，即λ=Q2/Q1（0<λ≤1），λ越小壓力下降的速度越慢，同時也表示空壓機(jī)在空載狀態(tài)運(yùn)行的時間越長；λ越大壓力下降的速率越快，表示空壓機(jī)在進(jìn)入空載狀態(tài)后會很快重新進(jìn)入負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)λ=1時，系統(tǒng)將不會出現(xiàn)空載和負(fù)載交替出現(xiàn)的狀態(tài)，而一直處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。
3、用戶為空壓機(jī)配套的儲氣罐容積和輸氣管路直徑及長度。儲氣罐容積越大，供氣壓力下降和再次上升的速率越慢，空壓機(jī)由負(fù)載狀態(tài)轉(zhuǎn)為空載狀態(tài)的頻率也越低，從而降低了空壓機(jī)因頻繁滿載和空載轉(zhuǎn)換所帶來的額外功率損耗。但這并不根本能消除由于氣量供需不平衡所造成的附加功率損耗。

圖1 λ = 0.7，Q₀= 10Q₁

圖1給出了λ = 0.7，Q₀= 10Q₁時空壓機(jī)的功耗和壓力變化關(guān)系趨勢圖。式中Q₀為空壓機(jī)配套的儲氣罐容積，p_s為滿足用戶需要的最低壓力，Nz₁為空壓機(jī)供氣壓力在 p_s時恒速運(yùn)行的功耗，p_s +Δ_p為空壓機(jī)運(yùn)行的最高壓力，其中Δ_p為壓力控制器的差動壓力，Nz₁+ΔNz為空壓機(jī)在供氣壓力為p_s+Δ_p時的功耗，Nz₂ 為空壓機(jī)在空載時恒速運(yùn)行的功耗。從圖1中可以看到，當(dāng)壓力由a點(diǎn)上升到b點(diǎn)，空壓機(jī)的功耗由Nz₁上升到Nz₁+ΔNz，顯然空壓機(jī)功耗的增加是由于Q₂和Q₁不相等造成供氣壓力上升所造成的，這可以從公式Nz=Mτ×n/973.2得到證明，式中Nz表示空壓機(jī)軸功率，Mτ表示空壓機(jī)轉(zhuǎn)矩，n表示空壓機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)壓力上升時 , 由于轉(zhuǎn)矩和壓力成正比關(guān)系 , 空壓機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之上升 , 從而導(dǎo)致空壓機(jī)軸功率上升 ; 當(dāng)壓力上升到b點(diǎn)后，壓力控制器觸發(fā)電磁閥關(guān)閉空壓機(jī)進(jìn)氣，這時空壓機(jī)進(jìn)入空載狀態(tài)運(yùn)行，其功耗為Nz₂ ，同時供氣壓力也開始下降，在供氣壓力下降到C點(diǎn)之前，空壓機(jī)一直維持在功耗為Nz₂的空載運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)壓力下降到C點(diǎn)后，壓力控制器觸發(fā)電磁閥打開空壓機(jī)進(jìn)氣，空壓機(jī)重新進(jìn)入壓力上升階段，如此循環(huán)往復(fù)。

圖2 λ = 0.7，Q₀= 12Q₁

圖 2給出了λ=0.7，Q₀=12Q₁時空壓機(jī)的功耗和壓力變化關(guān)系趨勢圖。將圖1和圖 2 對比后可以看出，加大了儲氣罐容積后，壓力和功耗的總變化趨勢并沒有變化，只是加大了負(fù)載狀態(tài)和空載狀態(tài)的交替周期。

通過以上分析，我們可以得出結(jié)論：普通螺桿空壓機(jī)大多在用戶最低需求壓力之上的負(fù)載狀態(tài)和關(guān)閉進(jìn)氣的空載狀態(tài)之間交替運(yùn)行，而此兩種運(yùn)行狀態(tài)并不是壓縮機(jī)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，前者由于排氣壓力上升導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩增加，從而消耗了過多的功率，后者屬于空載運(yùn)行浪費(fèi)了太多的功率。

二、變頻螺桿空壓機(jī)運(yùn)行分析

我們知道，交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和電源頻率之間遵循這樣的關(guān)系
n = 60 ×f / p ×( 1 - s)
式中 f ——電源頻率
p——電動機(jī)繞組的極對數(shù)
s——電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率

對于一臺交流異步電動機(jī)來說p為定值，s基本不變，所以n和f構(gòu)成線性關(guān)系，改變電源頻率f即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，。螺桿空壓機(jī)的排氣量與轉(zhuǎn)速成正比，所以我們可以得到這樣的關(guān)系

Q_f = Q_e×n_f/n_e
式中　 Q_f ——變頻狀態(tài)下的排氣量
Q_e——額定頻率狀態(tài)下的排氣量
n_f——變頻狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速
n_e——額定頻率狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速

可見，通過改變電源的頻率可以改變空壓機(jī)主電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變空壓機(jī)的排氣量。變頻螺桿空壓機(jī)正是基于這一原理。所謂變頻螺桿空壓機(jī)，就是通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)主電機(jī)的運(yùn)行頻率來實(shí)現(xiàn)排氣量改變的螺桿空壓機(jī)。

圖3 λ = 0.7，Q₀= 10Q₁

目前，變頻螺桿空壓機(jī)的運(yùn)行頻率大多是由變頻器根據(jù)用戶設(shè)定的期望壓力和供氣端反饋的實(shí)時壓力的差值進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。當(dāng)供氣端反饋的實(shí)時壓力超過用戶設(shè)定的期望壓力時，變頻器減小輸出頻率，反之，則增大輸出頻率；而當(dāng)供氣端反饋的實(shí)時壓力等于用戶設(shè)定的期望壓力時，變頻器維持當(dāng)前輸出頻率。圖3給出了λ = 0.7，Q₀ = 10Q₁ 時變頻螺桿空壓機(jī)的供氣壓力和變頻器輸出頻率變化關(guān)系趨勢圖。從圖3中可以看到，變頻螺桿空壓機(jī)起動后其輸出頻率平穩(wěn)上升至額定頻率f_e（軟起動方式，起動時間t₀可調(diào)），然后維持額定頻率運(yùn)行，供氣壓力也隨之上升，當(dāng)壓力上升到用戶設(shè)定的期望壓力p_s時（t1），空壓機(jī)輸出頻率開始下降，由于慣性壓力還會有一點(diǎn)超調(diào)量Δ_p，通常 Δ_p<5%p_s。隨著輸出頻率繼續(xù)下降，空壓機(jī)的供氣量也隨之下降，供氣壓力最終降至期望壓力p_s處，這時輸出頻率也維持相對穩(wěn)定狀態(tài)。在變頻螺桿空壓機(jī)的運(yùn)行中，一旦出現(xiàn)供氣量發(fā)生變化導(dǎo)致供氣壓力變化時，變頻器會立即調(diào)節(jié)輸出頻率使供氣壓力維持在p_s處?？傊?，對于變頻螺桿空壓機(jī)來說，除非它的供氣量是絕對不變的，否則其運(yùn)行過程就是一個動態(tài)平衡過程，就是系統(tǒng)的輸出頻率在上限和下限頻率之間不斷地變化以尋求氣量供需平衡的過程。

三、變頻改造的經(jīng)濟(jì)分析

普通螺桿空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造后，按照生產(chǎn)所需要的供氣壓力決定主電機(jī)轉(zhuǎn)速，按排氣溫度的要求確定風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速，即需要多大的功率電機(jī)就輸出多大的功率，而不必做無用功，達(dá)到節(jié)能目的。另外空壓機(jī)停止了空轉(zhuǎn)，從而消除了空載損耗。從實(shí)際改造的效果來看，改造后節(jié)電率平均可達(dá)10% ～ 25%。以一臺132kW的普通螺桿壓縮機(jī)為例，每天工作8h，每月工作25天，電費(fèi)為0.6元/kWh，假設(shè)其改造后節(jié)電率為20%，進(jìn)行變頻改造后每月節(jié)約電費(fèi) 132 × 8 × 25 × 0.6 × 20% = 3168 元，每年節(jié)約 38016 元。設(shè)備一次性投資通常可以在四年到五年的運(yùn)行中全部收回。同時，通過變頻改造還帶來了其他的益處：

1、排氣壓力穩(wěn)定，排氣溫度基本為恒溫，氣源品質(zhì)大為提高；
2、壓縮機(jī)油的壽命大為提高，減少換油次數(shù)；
3、空壓機(jī)進(jìn)氣閥的開閉次數(shù)大為減少，其壽命顯著提高；
4、電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動，消除了電氣及機(jī)械沖擊，壓縮機(jī)的使用壽命及檢修周期都將得到大大延長；
5、絕大多數(shù)情況下，機(jī)組的運(yùn)行噪聲明顯降低。

四、變頻改造的技術(shù)方案

1、變頻器上下限頻率的確定
如何確定變頻螺桿空壓機(jī)的輸出頻率范圍，即上限頻率和下限頻率，從我們的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，當(dāng)頻率低于額定頻率30%時，系統(tǒng)的效率明顯下降。再從電機(jī)運(yùn)行特性來看，由于壓縮機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩特性，當(dāng)電機(jī)在額定頻率30%以下運(yùn)行時，其工作電流依然會維持在額定電流附近，甚至更大，又由于普通異步電機(jī)的冷卻方式都為自冷式，因此在額定頻率30%以下長期運(yùn)行時電機(jī)的散熱又是一個不容忽視的問題。綜合壓縮機(jī)和電機(jī)兩方面的因素，我們認(rèn)為：75kW以下的變頻螺桿空壓機(jī)的輸出頻率調(diào)節(jié)范圍在額定頻率 50% ～ 100%之間較為合理和可行；75kW及以上的變頻螺桿空壓機(jī)的輸出頻率調(diào)節(jié)范圍在額定頻率 60% ～ 100%之間較為合理和可行。

2、變頻改造具體控制要點(diǎn)
普通螺桿空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造時可以從以下幾個方面考慮：

1）在變頻器的選擇上，應(yīng)優(yōu)先選擇矢量型或直接轉(zhuǎn)矩型變頻器，這主要是由壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性決定的
2）參考普通螺桿壓縮機(jī)的軸功率，選擇變頻器容量略大于壓縮機(jī)的軸功率
3）對于 132 kW 及以上的普通螺桿壓縮機(jī)改造時，一般應(yīng)在變頻器輸出端加入電抗器以改善電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)
4）選擇一款能夠抵抗較強(qiáng)電磁干擾的壓力變送器，與主變頻器構(gòu)成壓力閉環(huán)控制
5）系統(tǒng)應(yīng)配置PLC和人機(jī)界面以提高系統(tǒng)的智能運(yùn)行管理水平
6）除以上各條外，在改造方案中應(yīng)充分考慮抗干擾問題，這一點(diǎn)尤為重要。

五、結(jié)束語
壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和泵類等流體設(shè)備采用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行是我國節(jié)能減排的一項(xiàng)重點(diǎn)推廣技術(shù)，受到我國政府的高度重視，《中華人民共和國節(jié)約能源法》第31條就明確提出，“國家鼓勵工業(yè)企業(yè)采用 …… 先進(jìn)的用能監(jiān)測和控制等技術(shù)”。實(shí)踐證明，變頻技術(shù)用于壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和泵類等流體設(shè)備，既提高了效率降低了能耗，又提高了生產(chǎn)工藝水平，并且因此而大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用，直接和間接經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。因此，有條件的地方應(yīng)積極推廣此項(xiàng)技術(shù)。

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螺桿式空壓機(jī)變頻改造節(jié)能應(yīng)用分析