謝水英韓承江徐偉君

1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江紹興 312000 2.紹興漓鐵球團廠 浙江紹興 312041

螺桿式空壓機變頻節(jié)能改造*

謝水英1韓承江1徐偉君2

1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江紹興 312000 2.紹興漓鐵球團廠 浙江紹興 312041

本文闡述紹興漓鐵集團公司球團廠豎爐除塵用螺桿空壓機的變頻改造原理、變頻控制系統(tǒng)組成及工作過程，分析了變頻改造前后優(yōu)缺點，計算了變頻改造后的節(jié)能效果。該空壓機的節(jié)能改造，既是對國家節(jié)能減排政策的積極響應(yīng)，也為其他企業(yè)的技術(shù)改造提供了成功的借鑒經(jīng)驗。

空壓機；變頻調(diào)速；變頻節(jié)能；節(jié)能改造

一、概述

空壓機是空氣壓縮機的簡稱。其主要用途有：壓縮氣體用于作為動力，如氣動扳手、風(fēng)動機械；用于自動控制，如車輛制動、釀造業(yè)的攪拌；用于制冷和氣體分離，如冷凍行業(yè)與要用到純氧純氮的行業(yè)等。

在工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域，如采礦、石油、化工、制冷、動力和冶金等部門中廣泛地使用壓縮機。據(jù)統(tǒng)計，在一個大型冶煉廠中，全年為壓縮機配套的電動機功率常達(dá)上萬千瓦；在冶金工業(yè)和機械制造行業(yè)中，冶煉用的氧氣壓縮機和空氣壓縮機動力站所消耗的電能，幾乎占全廠電能消耗的30%以上。如何降低空壓機運行所消耗的能源，對于響應(yīng)國家節(jié)能降耗的政策以及提高企業(yè)的經(jīng)濟效益都具有十分重要的現(xiàn)實意義。

二、空壓機節(jié)能改造分析

1.空壓機工作原理

空壓機按工作原理分類有速度式（透平式）和容積式二種。速度式空壓機的作用原理是通過某種方式使氣體流動速度加快后，再在擴壓裝置中急劇減速后將氣體動能轉(zhuǎn)化為氣體靜壓能，以提高氣體壓力。容積式空壓機的作用原理是通過壓縮空氣體積達(dá)到使氣體壓力增加的目的。

容積式空壓機以螺桿式空壓機最為常見，其工作原理是：由一對相互平行齒合的陰陽轉(zhuǎn)子(或稱螺桿)在氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子齒槽之間的空氣不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，空氣則沿著轉(zhuǎn)子軸線由吸入側(cè)輸送至輸出側(cè)，從而實現(xiàn)空壓機的吸氣、壓縮和排氣的全過程。空壓機的進(jìn)氣口和出氣口分別位于殼體的兩端，陰轉(zhuǎn)子的槽及陽轉(zhuǎn)子齒被主電機驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)。

2.空壓機的控制過程

空壓機供氣系統(tǒng)的控制過程一般為：按下啟動按鈕，控制系統(tǒng)接通啟動器線圈并打開斷油閥，空壓機在卸載模式下啟動，這時進(jìn)氣閥處于關(guān)閉位置，而放氣閥則打開以排放油氣分離器內(nèi)的壓力。等降壓2秒后空壓機開始加載運行，系統(tǒng)壓力開始上升。如果系統(tǒng)壓力上升到壓力開關(guān)上限值，即起跳壓力時，控制器使進(jìn)氣閥關(guān)閉，油氣分離器放氣，壓縮機空載運行。當(dāng)系統(tǒng)壓力下降至壓力開關(guān)下限值，即回跳壓力時，控制器使進(jìn)氣閥打開，油氣分離器放氣閥關(guān)閉，壓縮機滿載運行。

3.漓鐵球團廠豎爐除塵空壓機原先存在的問題

該廠豎爐除塵用空壓機為螺桿式，由大小2臺組成，大的一臺型號為SA60-7，排氣量10.3m3/min，額定/最大排氣壓力為0.7/0.75MPa，電機功率為55Kw，電機轉(zhuǎn)速為2970r/min。小的一臺型號為OG-50W，軸功率為37KW，容積流量為6.1m3/min，額定電壓為380V，供氣壓力為0.7MPa。

該空壓機的作用是產(chǎn)生高壓氣體，用于輸送從豎爐除塵下來的球粉到制球原料庫,以便回收利用。由于在除塵輸送系統(tǒng)中用風(fēng)量不均衡，空壓機供風(fēng)量一般大于實際用風(fēng)量，為保持儲氣壓力不變，就必須要采用調(diào)節(jié)方式。其中大壓縮機時常處于滿負(fù)荷運行狀態(tài)，當(dāng)壓縮空氣產(chǎn)量無法滿足工況需求時，就加開小壓縮機；而當(dāng)壓縮空氣過剩時，就進(jìn)行放空，能源浪費嚴(yán)重。另外，該空壓機組在變頻改造前采用星—三角起動，雖為PLC控制，但空壓機采用間歇控制運行方式，運行狀態(tài)很不經(jīng)濟。存在著：

(1)大小主電機雖然以星—三角降壓起動，但起動電流仍較大，對電網(wǎng)與其他設(shè)備造成一定的沖擊與影響。

(2)大電機時?？蛰d運行，電能浪費較嚴(yán)重。

(3)小電機常頻繁起動、停止，影響電機使用壽命

(4)主電機工頻運行造成空壓機運行時噪音很大。

針對除塵空壓機控制方式欠缺和能耗大等問題，廠里于2009年對空壓機進(jìn)行了節(jié)能改造。

三、空壓機節(jié)能方案選擇

1.空壓機的節(jié)能方案選擇

空壓機的節(jié)能改造可以從機械系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)兩方面進(jìn)行。機械系統(tǒng)方面的改造主要為改進(jìn)、優(yōu)化管道系統(tǒng)等，以降低管網(wǎng)阻力，降低功耗。控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)方面改造主要是選擇合理的流量調(diào)節(jié)方式。目前空壓機的流量調(diào)節(jié)方式一般有壓縮機間歇控制運行、吸氣調(diào)節(jié)、氣缸卸載、無級變速調(diào)節(jié)等。

空壓機間歇運行會帶來壓縮機頻繁起停，增大電能損耗，引起電網(wǎng)波動增大，同時也會影響設(shè)備壽命；而氣缸卸載不但能量浪費，且會加劇設(shè)備磨損，增加了運營成本。

目前越來越多的采用無級變速調(diào)節(jié)，即變頻調(diào)速技術(shù)。通過變頻器使電機輸入電壓的頻率變化，控制電機的轉(zhuǎn)速變化，進(jìn)而控制電機的輸出功率與空壓機的輸入功率，使空壓機的制風(fēng)量與實際用風(fēng)量相匹配。這種調(diào)節(jié)方式可以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)，使空壓機在設(shè)計的情況下運行，使空壓機在輕載運行時的工作效率大大提高，降低空壓機的能耗，創(chuàng)造較好的經(jīng)濟效益，對響應(yīng)目前國家節(jié)能降耗的號召有著重要的意義。

對于螺桿空壓機來說，采用變頻器可通過改變螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的方式來改變排氣量，當(dāng)用氣量發(fā)生變化時，變頻器改變轉(zhuǎn)速的方式調(diào)節(jié)空壓機的排氣量，達(dá)到排氣壓力恒定不變，并節(jié)約能源的目的。

針對豎爐除塵空壓機控制系統(tǒng)方面存在的問題，紹興漓鐵集團球團廠于2009年對其進(jìn)行了變頻節(jié)能改造。

2.變頻節(jié)能分析

(1)變頻控制原理

式中，f為電源頻率，S為電動機轉(zhuǎn)差率，P為電動機的極對數(shù)。

當(dāng)P和S確定后，電動機轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，所以改變電源頻率即可改變電機轉(zhuǎn)速n，從而實現(xiàn)變頻調(diào)速。

(2)變頻節(jié)能原理

根據(jù)空壓機的運行特性知，空壓機基本屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，用變頻調(diào)速的方法據(jù)供氣量大小來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，能使電機的輸出功率基本與轉(zhuǎn)速（供氣量）成正比關(guān)系。當(dāng)用氣量減小時，排氣口壓力上升，通過閉環(huán)反饋給變頻器，使電機轉(zhuǎn)速降低，減小了軸輸出功率；當(dāng)用氣量增加時，排氣口壓力下降，通過閉環(huán)反饋給變頻器，使電機轉(zhuǎn)速升高，增加了軸輸出功率。

因此，變頻空壓機系統(tǒng)通過壓力閉環(huán)，可實時跟蹤供氣系統(tǒng)負(fù)載變化，調(diào)整空氣壓縮機電機的轉(zhuǎn)速，保證排氣口壓力恒定，使壓縮機電機工作在最經(jīng)濟的運行狀態(tài)下。避免了原控制方式空壓機頻繁的加載與卸載，頻繁地起動與停機，使得從電網(wǎng)吸收的電能大大下降。

(3)變頻控制過程

變頻調(diào)速系統(tǒng)以空壓機壓縮空氣的輸出壓力作為控制對象，由變頻器，壓力傳感器、PLC、電機組成閉環(huán)恒壓控制系統(tǒng)，工作壓力值由操作面板直接設(shè)置，現(xiàn)場壓力由傳感器來檢測，轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號后反饋到變頻器，變頻器通過內(nèi)置PID進(jìn)行比較計算，從而調(diào)節(jié)其輸出頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機輸出功率的目的。

由此可見只要調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，就可以調(diào)節(jié)電機軸輸出功率，也即調(diào)節(jié)了空壓機的輸入功率，使空壓機的制風(fēng)量與用風(fēng)量相匹配，達(dá)到恒壓供氣與節(jié)能的目的。

四、空壓機變頻節(jié)能改造

1.節(jié)能改造設(shè)計要求

根據(jù)原空壓機組控制系統(tǒng)存在的問題并結(jié)合生產(chǎn)工藝要求，機組控制系統(tǒng)變頻改造后系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：

(1)系統(tǒng)應(yīng)具有變頻和工頻兩套控制回路。

(2)保持儲氣罐出口壓力穩(wěn)定。電機變頻運行時，出口壓力波動范圍不能超過±0.02MPa。

(3)一臺變頻器能控制兩臺空壓機組，可用轉(zhuǎn)換開關(guān)切換。

(4)根據(jù)空壓機的工控要求，控制系統(tǒng)應(yīng)使電動機具有恒轉(zhuǎn)矩運行特性。

(5)控制系統(tǒng)仍由PLC進(jìn)行控制。

2.控制系統(tǒng)組成框圖

整個系統(tǒng)由變頻器、PLC、壓力變送器、工頻接觸器、電機、空壓機等組成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)空壓機的進(jìn)氣量，使儲氣罐內(nèi)空氣壓力穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)，進(jìn)行恒壓控制。反饋壓力與設(shè)定壓力進(jìn)行比較運算，通過PLC實時控制變頻器的輸出，從而調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能的目的?？諌簷C組變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 空壓機變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框圖

3.工作過程

變頻控制接線示意圖如圖1所示。在空壓機排氣出口處安裝壓力傳感器的采樣點，通過壓力傳感器獲得所需要的電流信號，當(dāng)系統(tǒng)用氣量小時，空壓機排氣口的壓力升高，壓力傳感器的阻值減小，24V直流電源把壓力傳感器的阻值轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?，通過PLC使其對變頻器輸入的電流信號增大，變頻器與設(shè)定值比較后得到偏差ε，ε經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后使輸出電源的頻率逐漸變小，電動機轉(zhuǎn)速下降，同時空壓機電機的轉(zhuǎn)速也下降，壓力降低。當(dāng)系統(tǒng)用氣量大時，系統(tǒng)壓力逐漸降低，變頻器輸出電源頻率升高，電動機轉(zhuǎn)速增加，制氣量增加，使空壓機出口處壓力升高，滿足系統(tǒng)用氣量要求。當(dāng)供氣量與用氣量基本持平，變頻器就會以該點的頻率運行，這樣就實現(xiàn)了系統(tǒng)壓力的恒定，同時電機與空壓機也一直運行于最經(jīng)濟運行狀態(tài)。

為了安全起見，在安裝變頻器裝置時，保留了原有的工頻控制電路，在變頻柜上設(shè)置了工頻/變頻轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng)變頻裝置出現(xiàn)故障時，可方便地轉(zhuǎn)換到工頻運行狀態(tài)，正常供氣不影響生產(chǎn)（如圖2所示）。

圖2 變頻控制接線示意圖

五、變頻改造后優(yōu)點

1.啟動電流小，對電網(wǎng)無沖擊

變頻器可使電機起動、加載時的電流平緩上升，沒有任何沖擊；可使電機實現(xiàn)軟停，避免反生電流造成的危害，有利于延長設(shè)備的使用壽命

2.輸出壓力穩(wěn)定

采用變頻控制系統(tǒng)后，可以實時監(jiān)測供氣管路中氣體的壓力，使供氣管路中的氣體的壓力保持恒定，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量

3.設(shè)備維護(hù)量小

空壓機變頻啟動電流小，小于2倍額定電流，加卸載閥無須反復(fù)動作，變頻空壓機根據(jù)用氣量自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，運行頻率低，轉(zhuǎn)速慢，軸承磨損小，設(shè)備使用壽命延長，維護(hù)工作量變小。

4.噪音低

變頻根據(jù)用氣需要提供能量，沒有太多的能量損耗，電機運轉(zhuǎn)頻率低，機械轉(zhuǎn)動噪音因此變小，由于變頻以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的方式，不用反復(fù)加載、卸載，頻繁加卸載的噪音也沒有了，持續(xù)加壓，氣壓不穩(wěn)產(chǎn)生的噪音也消失了。

5.節(jié)能效果明顯

變頻器改造節(jié)能效果十分明顯。經(jīng)過該廠實驗，一臺55KW的空壓機，加載時間15秒，加載電流達(dá)110A；卸載時間20秒，卸載電流約80A，工作壓力上下限為0.75MPa/0.62MPa，根據(jù)加卸載時間與電流，可以算出該空壓機節(jié)能改造前耗電量45度/小時。變頻改造后節(jié)電率約30%，按每度電0.75元計算，一年可節(jié)約電費：

空壓機變頻改造費用約10萬元

約(10/8.870)×12=13.52

即約14個月就可以收回投資。而以后每年可節(jié)約電費8萬多元。

因此，在供氣系統(tǒng)中接入變頻節(jié)能系統(tǒng)，利用變頻技術(shù)改變空壓機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)管道中的流量，以取代閥門調(diào)節(jié)方式，不但能實現(xiàn)恒壓供氣的目的，并且能取得明顯的節(jié)能效果。另外，變頻器軟起動功能及平滑調(diào)整特點可實現(xiàn)對流量的平衡調(diào)節(jié)，減少了起動沖擊，還可以延長壓縮機與機組管組的使用壽命。

六、注意事項

1.空壓機屬于大轉(zhuǎn)動慣量負(fù)載，這種起動特點很容易引起V/F控制方式的變頻器在起動時出現(xiàn)跳過電流保護(hù)的情況。建議選用具有高起動轉(zhuǎn)矩的無速度傳感器矢量變頻器，保證既能實現(xiàn)恒壓供氣的連續(xù)性，又保證設(shè)備可靠穩(wěn)定運行。

2.空壓機不允許長時間低頻下運行，若空壓機轉(zhuǎn)速過低，一方面將使空壓機工作穩(wěn)定性變差，另一方面使缸體潤滑性變差，會加速磨損。所以工作下限頻應(yīng)不低于20Hz。

3.為了有效濾去變頻器輸出端電流中高次諧波分量，減少因高次諧波引起的電磁干擾，建議選用輸出交流電抗器，還可以減少電機運行噪聲與溫升，提高電機運行穩(wěn)定性。

4.建議功率選用比空壓機功率大一等級的變頻器，以免空壓機啟動出現(xiàn)頻繁跳閘的情況。

[1]高相家，陳放.螺桿空壓機變頻節(jié)能改造的經(jīng)濟分析和技術(shù)方案[J].技術(shù)改造,2009,3

[2]李強，屈寶存，葛智強.PLC和變頻器在空壓機節(jié)能改造中的應(yīng)用[J].可編程控制器與工廠自動化,2006,7

[3]李傳淮.PLC和變頻器在空壓機節(jié)能改造中的應(yīng)用[J].科技資訊,2007,2

2010-10-10

謝水英，本科，副教授。

*本文系浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院高層次平臺課題（壓縮機節(jié)能控制策略研究，項目編號：KY2010144）的研究成果之一。