螺杆式空压机变频改造节能研究

螺杆式空压机变频改造节能研究

郑英伟

关键词：螺杆式空压机；变频技术；节能改造

前言：空气压缩机是制造和输送压缩空气的必备的动力设备，在生产制造业中发挥了重要作用。但螺杆空压机在工作过程中，由于空气被迅速压缩，温度会骤升，螺杆在高速旋转过程中也会产生大量的热量，这些热量在夏季可以造成100℃以上的高温。这些热量通常通过各种冷却器和风扇排到周围环境中，既浪费了能源，也造成了不必要的热污染。因此，考虑将这些热量充分回收，提高能源利用率，达到绿色环保的目的。

1螺杆空压机运行分析

螺杆式空压机具有移动方便、结构紧凑、可靠安全、运转稳定、寿命长、噪声小、维护资费少、自动化程度高等优势，非常适合生产企业动力设备。通过长期实践发现，只要是新增、更换空压机都会优先考虑螺杆式空压机。

1.1螺杆式空压机结构

螺杆式空压机由空气滤清器、电机、主机、润滑系统、载荷控制、冷却部分、安全保护等构成。其中，主机由∞型气缸、螺旋形转子与端盖构成；空气滤清器由主滤芯、预清洁器、安全芯构成；润滑系统由冷却器、分离器、温控阀、过滤器等构成；冷却部分由水冷却与风冷却组成；载荷控制由止回阀、蝶阀、反比例阀构成；电控系统由保护电路与真空磁力启动器构成；安全保护具有超压自动停机等作用。其中，超压保护分为安全阀、电动压力与调节阀三个部分。

1.2工作原理

总体过程为空气经过两级压缩最终从排气阀门排出。其具体过程是空气通过进气空滤器进入主机进行第一级压缩，经过冷却油幕降低进气温度，使压缩空气进入第二级，压缩至排气压力，通过排气阀排出，进入分离器，分离冷却油。排出后的空气进入后冷却器，冷却至最终排气温度，之后排出。

1.3成本分析

根据数据统计，在压缩空气系统总的运行费用中，压缩空气系统初期设备投资和机械设备维护费用占总费用的25%，电能消耗系统占总费用的75%。无自动控制设备以及其他能源浪费占总电能的60%。几乎所有系统浪费最终都是体现在电费上，螺杆空压机运行过程中，热量消耗占机组运行功率的大部分，然而这部分能量只能通过冷却系统交换至大气中，造成能源的浪费。

2螺杆空压机节能改造

2.1冷却系统的节能改造

螺杆空压机进行节能改造时，要同时进行冷却系统的改造。这是由于节能改良实施之后，一般规模的螺杆空压机在大部分的时间内都运转在额定的功率之下，这一运行过程中气量是低于额定的气量的，形成的热负荷就会低于额定的功率工作条件下所形成的热负荷，如果依旧利用定速风扇进行冷却，也就是依然利用原有固定的容量的冷水进行冷却，压缩机油将会发生冷却过度的问题，出现凝水从而引发油乳化现象的发生。所以，实施节能改良螺杆压缩机的过程中出于对整体的考虑，同时实施冷却系统的改造。只有将冷却系统同进行节能改造，才可以确保改造之后的螺杆空压机实现安全可靠的运行效果。不仅如此，经过冷却系统改造的螺杆式空压机的节能效果会十分显著，这是由于冷却水泵或者风扇的负载同功率以及转速的立方存在正比例关系，因此转速对功率的影响十分显著。通常情况下，同时实施螺杆压缩机的水泵或者风机系统的改造，可以降低大约30%的能耗。

2.2确定变频机工作频率

在螺杆空压机的变频改造工作的设计阶段时，应当科学地设置频率最大值和最小值。通过有关研究试验数据研究可知，如果频率降低额定功率的20%左右，系统的工作效率开始出现明显的降低。从电机的运作特性而言，压缩机具有恒转矩性，如果电机长期处于运作状态并处于额定功率的20%，工作的电流就会一直保持在额定电流的周边。同一时期中，因为普通的异步电机应用的是自冷的方法，所以，也应当重点的关注始终运行在额定功率20%这一时段时的散热情况。75kW的螺杆空压机在调节工作频率的时候应当设定在额定功率的20%-100%。超过75kW的螺杆空压机，在调节频率范围的时候应当设定在额定功率的30%-100%。

3变频改造控制方式

3.1恒压控制

在空压机选型时，为了保证生产需要，空压机额定供气能力为最大生产用气量的1.1~1.2倍，但是工厂的实际需求大多数情况只能用到额定供气量的50%~60%。为了保证供气量与用气量的平衡，传统的空压机启动方式多为加卸载方式，这种方式下空压机经常处于空载状态，造成严重的能源浪费。而变频控制的原理就是以供气压力为控制对象，现场压力由传感器监测，通过空压机出口管道的压力变送器将压力转变成电信号后反馈到变频器，变频器通过内置算法计算得到输出功率并进行调节，达到恒压供气的目的。

变频控制消除了电机频繁启停对系统的冲击并减少了无功电流，提高了电能使用效率。根据实际情况，绘制出压缩机负荷效率状况曲线，可知空压机采用变频调速后，节电率在15%~30%范围内，当负荷在65%时，变频调节控制节省了25%左右的能源。同时，由于变频控制的技术优势保证了用气管网压力稳定，减少了管路压力波动引起的能耗约0.5%~1%。

3.2变频器的控制方式

变频技术的应用能实现螺杆式空压机的恒压控制，目前在空压机变频改造中，可分为单机组变频改造和多机组变频改造，而变频器实现其控制的方式有V/F控制、直接转矩控制DTC、矢量控制VC。VC控制是交流电机最完美的控制方式，而DTC控制是一种粗况的控制方式。随着集成芯片的快速发展，计算速度和计算量得以解决，如今，VC控制已得到实际应用。矢量控制以其精确、快速的反应控制，更加节能，而得到广泛应用。在一些用户对气体稳定性要求较高的场合，多应用有矢量控制的变频器。同时可以看出其内部结构复杂，成本较高。因此常用于要求较高和多机组调节的场合。本论文所研究的45kW的螺杆空压机是控制要求不高的多机组，考虑结构简单，成本低等因素，大多采用V/F控制与PID调节器组成的控制方式。

V/F控制是使输出电压与频率成正比的控制，保持电动机的磁通稳定。其原理是产生一个频率震荡的电路，即压控振荡器，它是一个压敏电容，因此当压力变化时它的容量也会随之变化，而电容的变化又引起了振荡频率的变化，这样就产生了变频。由此原理可将受控的频率用于控制输出电压的频率，使得电动机的转速发生可控变化。

4结束语

综上所述，利用变频改造方式改良空压机系统，可以较大程度减少空压机系统的能源消耗，减少了不必要的能量损失，大大降低了生产成本。通过改造，即节约了大量的电能，又减少了空压机系统的热能损失。这一节能技改项目的实施既符合国家“节能减排”的环保政策，也体现了企业的社会责任感。

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