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螺桿式空壓機變頻改造節能應用分析

時間：2023-06-21    作者：津信變頻    點擊：次

目前在我國各工礦企業運行著大量的螺桿空氣壓縮機，而這些設備往往都是企業的耗電大戶。根據我們對設計院所的了解和對用戶的實際調查，這些大功率的耗能系統實際運行效率普遍較低，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、設計院所和用戶在選型時往往考慮較大裕量，一般都在30%以上，這就使螺桿空壓機實際運行時經常處于關閉進氣的低負荷運行狀態，從而降低了運行效率；
2、普通螺桿空氣壓縮機都是處于恒速運轉狀態，而實際生產中的氣量需求卻經常處于變動狀態，當用戶用氣量減小時，壓縮機組只能通過全部或部分關閉進氣來進行調節，這樣，壓縮機組就會經常處于空運轉、部分負荷(高壓比狀態)和滿負荷交替運行的低效率狀態，從而造成大量的能源浪費。因此，螺桿空氣壓縮機的運行節能問題主要表現為排氣量的調節問題，而壓縮機的排氣量與壓縮機的轉速成正比關系，所以，歸根到底螺桿空氣壓縮機的節能問題就是壓縮機所配電機的調速問題。目前，中小型交流異步電機的最佳調速方式為變頻調速方式。
 

一、普通螺桿空壓縮機運行分析

螺桿空壓機是由一對相互平行嚙合的陰陽轉子在機體內做相對高速旋轉運動，使陰陽轉子齒槽和機體之間形成的呈“V”字形的一對齒間容積隨轉子的回轉不斷地產生周期性的容積變化，空氣則沿著轉子軸線方向由吸入端輸送至輸出端，實現螺桿空壓機的吸氣、壓縮和排氣的全過程。對于一臺空壓機來說，在其設計范圍內，其排氣量和轉速成線性正比關系。當轉速上升，排量增加；當轉速下降，排量減少；普通螺桿空氣壓縮機都只能是恒速運行，而由于最初設計選型時較大的氣量裕量及實際生產中的氣量需求卻經常處于變動狀態，使得當用戶用氣量小于額定排氣量時，空壓機的供氣壓力將會上升，當壓力上升至用戶設定壓力以上某一壓力值時〔通常是ps+Δp；其中ps為用戶設定工作壓力，Δp為差動壓力，一般情況下Δp≥ps × 10%〕控制器會關閉，進氣閥以停止壓力繼續上升，這時電機系統基本處于空載狀態；在進入空載狀態后，由于用戶仍在用 氣，空壓機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、用戶實際用氣量Q2與空壓機的額定排氣量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，同時也表示空壓機在空載狀態運行的時間越長；λ越大壓力下降的速率越快，表示空壓機在進入空載狀態后會很快重新進入負載運行狀態；當λ=1時，系統將不會出現空載和負載交替出現的狀態，而一直處于滿負荷運行狀態。
3、用戶為空壓機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，空壓機由負載狀態轉為空載 狀態的頻率也越低，從而降低了空壓機因頻繁滿載和空載轉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時空壓機的功耗和壓力變化關系趨勢圖。式中Q0為空壓機配套的儲氣罐容積，ps為滿足用戶需要的最低壓力，Nz1為空壓機供氣壓力在 ps時恒速運行的功耗，ps +Δp為空壓機運行的最高壓力，其中Δp為壓力控制器的差動壓力，Nz1+ΔNz為空壓機在供氣壓力為ps+Δp時的功耗，Nz2 為空壓機在空載時恒速運行的功耗。從圖1中可以看到，當壓力由a點上升到b點，空壓機的功耗由Nz1上升到Nz1+ΔNz，顯然空壓機功耗的增加是由于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表示空壓機軸功率，Mτ表示空壓機轉矩，n表示空壓機轉速。當壓力上升時 , 由于轉矩和 壓力成正比關系 , 空壓機轉矩也隨之上升 , 從而導致 空壓機軸功率上升 ; 當壓力上升到b點后，壓力控制 器觸發電磁閥關閉空壓機進氣，這時空壓機進入空載狀態運行，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點之前，空壓機一直維持在功耗為Nz2的空載運行狀態；當壓力下降到C點后，壓力控制器觸發電磁閥打開空壓機進氣，空壓機重新進入壓力上升階段，如此循環往復。
 

圖2  λ = 0.7，Q0 = 12Q1

圖 2給出了λ=0.7，Q0=12Q1時空壓機的功耗和壓力變化關系趨勢圖。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，只是加大了負載狀態和空載狀態的交替周期。

通過以上分析，我們可以得出結論：普通螺桿空壓機大多在用戶最低需求壓力之上的負載狀態和關閉進氣的空載狀態之間交替運行，而此兩種運行狀態并不是壓縮機高效經濟運行狀態，前者由于排氣壓力上升導致轉矩增加，從而消耗了過多的功率，后者屬于空載運行浪費了太多的功率。
 

二、變頻螺桿空壓機運行分析

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

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

Qf = Qe×nf/ne
式中 　 Qf ——變頻狀態下的排氣量
             Qe——額定頻率狀態下的排氣量
              nf——變頻狀態下的轉速
              ne——額定頻率狀態下的轉速

可見，通過改變電源的頻率可以改變空壓機主電機的運行轉速，進而改變空壓機的排氣量。變頻螺桿空壓機正是基于這一原理。所謂變頻螺桿空壓機，就是通過調節壓縮機主電機的運行頻率來實現排氣量改變的螺桿空壓機。


圖3  λ = 0.7，Q0 = 10Q1

目前，變頻螺桿空壓機的運行頻率大多是由變頻器根據用戶設定的期望壓力和供氣端反饋的實時壓力的差值進行自動調節。當供氣端反饋的實時壓力超過用戶設定的期望壓力時，變頻器減小輸出頻率，反之，則增大輸出頻率；而當供氣端反饋的實時壓力等于用戶設定的期望壓力時，變頻器維持當前輸出頻率。圖3給出了λ = 0.7，Q0 = 10Q1 時變頻螺桿空壓機的供氣壓力和變頻器輸出頻率變化關系趨勢圖。從圖3中可以看到， 變頻螺桿空壓機起動后其輸出頻率平穩上升至額定頻率fe（軟起動方式，起動時間t0可調），然后維持額定頻率運行，供氣壓力也隨之上升，當壓力上升到用戶設定的期望壓力ps時（t1），空壓機輸出頻率開始下降，由于慣性壓力還會有一點超調量Δp，通常 Δp<5%ps。隨著輸出頻率繼續下降，空壓機的供氣量也隨之下降，供氣壓力最終降至期望壓力ps處，這時輸出頻率也維持相對穩定狀態。在變頻螺桿空壓機的運行中，一旦出現供氣量發生變化導致供氣壓力變化時，變頻器會立即調節輸出頻率使供氣壓力維持在ps處?？傊?，對于變頻螺桿空壓機來說，除非它的供氣量是絕對不變的，否則其運行過程就是一個動態平衡過程，就是系統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、變頻改造的經濟分析

普通螺桿空壓機進行變頻改造后，按照生產所需要的供氣壓力決定主電機轉速，按排氣溫度的要求確定風扇電機轉速，即需要多大的功率電機就輸出多大的功率，而不必做無用功，達到節能目的。另外空壓機停止了空轉，從而消除了空載損耗。從實際改造的效果來看，改造后節電率平均可達10% ～ 25%。以一臺132kW的普通螺桿壓縮機為例，每天工作8h，每月工作25天，電費為0.6元/kWh，假設其改造后節電率為20%，進行變頻改造后每月節約電費 132 × 8 × 25 × 0.6 × 20% = 3168 元，每年節約 38016 元。設備一次性投資通?？梢栽谒哪甑轿迥甑倪\行中全部收回。同時，通過變頻改造還帶來了其他的益處：

1、排氣壓力穩定，排氣溫度基本為恒溫，氣源品質大為提高；
2、壓縮機油的壽命大為提高，減少換油次數；
3、空壓機進氣閥的開閉次數大為減少，其壽命顯著提高；
4、電機實現軟啟動，消除了電氣及機械沖擊，壓縮機的使用壽命及檢修周期都將得到大大延長；
5、絕大多數情況下，機組的運行噪聲明顯降低。
 
四、變頻改造的技術方案

1、變頻器上下限頻率的確定
如何確定變頻螺桿空壓機的輸出頻率范圍，即上限頻率和下限頻率，從我們的試驗數據來看，當頻率低于額定頻率30%時，系統的效率明顯下降。再從電機運行特性來看，由于壓縮機的恒轉矩特性，當電機在額定頻率30%以下運行時，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的冷卻方式都為自冷式，因此在額定頻率30%以下長期運行時電機的散熱又是一個不容忽視的問題。綜合壓縮機和電機兩方面的因素，我們認為：75kW以下的變頻螺桿空壓機的輸出頻率調節范圍在額定頻率 50% ～ 100%之間較為合理和可行；75kW及以上的變頻螺桿空壓機的輸出頻率調節范圍在額定頻率 60% ～ 100%之間較為合理和可行。

2、變頻改造具體控制要點
普通螺桿空壓機進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，應優先選擇矢量型或直接轉矩型變頻器，這主要是由壓縮機的轉矩特性決定的
2）參考普通螺桿壓縮機的軸功率，選擇變頻器容量略大于壓縮機的軸功率
3）對于 132 kW 及以上的普通螺桿壓縮機改造時，一般應在變頻器輸出端加入電抗器以改善電機的運行狀態
4）選擇一款能夠抵抗較強電磁干擾的壓力變送器，與主變頻器構成壓力閉環控制
5）系統應配置PLC和人機界面以提高系統的智能運行管理水平
6）除以上各條外，在改造方案中應充分考慮抗干擾問題，這一點尤為重要。

五、結束語
壓縮機、風機和泵類等流體設備采用變頻調節技術實現節能運行是我國節能減排的一項重點推廣技術，受到我國政府的高度重視，《中華人民共和國節約能源法》第31條就明確提出 ，“國家鼓勵工業企業采用 …… 先進的用能監測和控制等技術”。實踐證明，變頻技術用于壓縮機、風機和泵類等流體設備，既提高了效率降低了能耗，又提高了生產工藝水平，并且因此而大大減少了設備維護、維修費用，直接和間接經濟效益十分明顯。因此，有條件的地方應積極推廣此項技術。

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