楊銀初，何海崗，王志藝，余琳玲

（廣東豪美鋁業(yè)股份有限公司，廣東清遠(yuǎn) 511540）

0 前言

能源短缺已經(jīng)成為當(dāng)前制約經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的突出問題和矛盾，節(jié)約能源、提高能源利用效率是解決能源問題的有效途徑。在2007年修改的《中華人民共和國節(jié)約能源法》里，將節(jié)約資源確定為基本國策，明確國家實(shí)施節(jié)約與開發(fā)并舉、把節(jié)約放在首位的能源發(fā)展戰(zhàn)略[1]。壓縮空氣是我國各行業(yè)氣動設(shè)備和工藝設(shè)備的主要動力源，據(jù)統(tǒng)計(jì)，空壓機(jī)的耗電量占工業(yè)設(shè)備用電量的10%以上[2]，所以空壓機(jī)的節(jié)能改造勢在必行。目前空壓機(jī)節(jié)能改造比較容易實(shí)施和比較見效的措施有：空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造和減少車間壓縮空氣泄漏。其中，采用更低單位能效的空壓機(jī)替代較高單位能耗的空壓機(jī)來進(jìn)行空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造，能夠直接地減少用氣企業(yè)的用電使用量。隨著永磁同步電機(jī)技術(shù)的成熟、變頻器調(diào)速技術(shù)的普遍使用、空壓機(jī)兩級壓縮加中間冷卻技術(shù)的推廣以及用氣企業(yè)工作壓力的合理設(shè)定，為空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造提供了完善的基礎(chǔ)條件。因此提出采用雙永磁變頻兩級壓縮技術(shù)進(jìn)行空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造。

1 單級噴油螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行分析

1.1 單級噴油螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行原理

普通螺桿空壓機(jī)大多為單級噴油螺桿式空壓機(jī)，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[3]。其運(yùn)行的原理圖見圖1。單級噴油螺桿式空壓機(jī)的典型配置特點(diǎn)為：其受電的電動機(jī)為異步電動機(jī)，控制異步電動機(jī)的電控部分為采用接觸器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的星-△控制方式；單級噴油螺桿式空壓機(jī)的機(jī)頭為單級螺桿壓縮機(jī)，將常溫常壓的空氣通過單級雙螺桿一次性壓縮成用氣單位需求的壓力；給定壓力是一個有變動范圍的壓力，是用戶向空壓機(jī)輸入的需求指令；最終，單級噴油螺桿式空壓機(jī)提供給用戶的供氣壓力為波動的壓力，為了減少壓力波動的范圍，用戶一般使用增加壓縮空氣管網(wǎng)上的儲氣罐數(shù)量的方式，或使用增大儲氣罐容積的方式。

圖1 單級噴油螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行原理圖

1.2 異步電動機(jī)能耗分析

根據(jù)GB 18613-2012《中小型異步電動機(jī)能效限定值及能效等級》的新版能效標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，各等級的電機(jī)在輸出功率下的效率和功率因素都有所提高，異步電動機(jī)的效率曲線和功率因數(shù)曲線見圖2和圖3。從圖2、3中可看到，除了異步電動機(jī)工作在額定功率附近以外的其他區(qū)域，其效率和功率因素都是比較低，而異步電動機(jī)的無功功率較高，所以作為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的空壓機(jī)設(shè)備，只要運(yùn)行于額定功率以外的區(qū)域，就一定存在節(jié)能的空間。

圖2 異步電動機(jī)η--(P2/Pn)曲線

圖3 異步電動機(jī)cosψ--(P2/Pn)曲線

1.3 單級壓縮能耗分析

根據(jù)工程熱力學(xué)理論，空氣壓縮機(jī)在壓縮過程中定溫壓縮最省功，從圖4中可以看出，面積0—3—2T—1—0為定溫壓縮所需要的功耗，面積0—3—2m—1—0為單級噴油螺桿式空壓機(jī)實(shí)際壓縮過程所需要的功耗。從圖4中可看到，定溫壓縮所需要的功耗要小于單級壓縮所需要的功耗，因而從功率消耗的角度來看，定溫壓縮最為有利，它不但可減少消耗的功率，還可降低壓縮后氣體的溫度。對于定溫壓縮，要使氣體熱量隨時與外界交換，氣體溫度與外界相等實(shí)際工況中是不可能實(shí)現(xiàn)的，這只是空壓機(jī)制造廠家在產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)中努力的方向。為了降低壓縮后的氣體溫度和提高空壓機(jī)的效率，盡可能向定溫壓縮過程靠近，這使得空壓機(jī)的使用材料更加寬廣和經(jīng)濟(jì)，同時使得空壓機(jī)的運(yùn)行更加可靠，經(jīng)過測算，定溫壓縮比普通螺桿空壓機(jī)的單級壓縮至少節(jié)省功耗15%以上。

圖4 定溫壓縮和單級壓縮P-V示功圖

1.4 加載—卸載運(yùn)行模式分析

為降低能耗，當(dāng)用氣管網(wǎng)壓力升至某一值時，空壓機(jī)的電腦控制器將令壓縮機(jī)停機(jī)，然后當(dāng)氣管網(wǎng)壓力降至某一值時，再令壓縮機(jī)自動重新啟動。為避免頻繁啟動給電機(jī)造成損害，如果預(yù)計(jì)的卸載時間較短，電腦控制器將令壓縮機(jī)卸載運(yùn)行而不停機(jī)，采用空載運(yùn)行的方式運(yùn)行，如圖5所示。當(dāng)空壓機(jī)運(yùn)行時，空壓機(jī)的輸出壓力從加載壓力ps上升到卸載壓力ps+Δp階段，空壓機(jī)的功率也從P1上升到P1+ΔP，在這個階段，空壓機(jī)的輸出壓力和功率都是線性運(yùn)行狀態(tài)。一旦壓力達(dá)到ps+Δp，如果空壓機(jī)管網(wǎng)的用氣量比較大，空壓機(jī)將不會停機(jī)，而采用空載運(yùn)行的方式，此時空壓機(jī)的功率維持在一個恒定的P2值（如圖5中3—3’、6—6’和9-9’）。一旦管網(wǎng)的壓力由卸載壓力ps+Δp下降至加載壓力ps時，又開始另一個循環(huán)的加載—卸載工作。

圖5 單級噴油螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行時序圖

一般情況下，浮動壓力Δp≥ps×10%，相應(yīng)地，浮動功率ΔP≥P1×10%。由圖5可知，單級噴油螺桿式空壓機(jī)采用加載—卸載運(yùn)行狀態(tài)下，運(yùn)行一個周期的功耗為0—P1—1—3—3’—t2—0所圍成的面積。如果采用恒定壓力供氣時，空壓機(jī)的輸出壓力會一直維持在ps，空壓機(jī)的輸出功率也會一直維持在P1上，此時，單級噴油螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行時序一個周期的功耗為0—P1—2’—t2—0所圍成的面積。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，0—P1—1—3—3’ —t2—0所圍成的面積會比0—P2—2’ —t2—0所圍成的面積大5%以上，實(shí)際上，單級噴油式螺桿式空壓機(jī)在無外加變頻器的情況下是無法做到恒壓供氣的。

從以上對單級噴油螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行分析可知：由于單級噴油螺桿式空壓機(jī)采用異步電動機(jī)、采用單級壓縮、波動壓力供氣，使其運(yùn)行綜合能耗大大升高。在此種情況下，亟需采用更加節(jié)能的方法對普通螺桿式空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)的改造，采用雙永磁變頻兩級壓縮技術(shù)的空壓機(jī)改造是一種可行的方法。

2 分析、討論和對比

2.1 雙永磁變頻兩級螺桿空壓機(jī)運(yùn)行分析

圖6是雙永磁變頻兩級螺桿空壓機(jī)的運(yùn)行原理圖。雙永磁變頻兩級螺桿空壓機(jī)仍然是噴油螺桿式空壓機(jī)，但它是兩級壓縮，使用兩個壓縮機(jī)機(jī)頭，由兩臺永磁同步電機(jī)帶動，永磁同步電機(jī)的調(diào)速控制由各自的變頻器完成，在實(shí)際的運(yùn)行中最終形成恒定壓力給定，恒定壓力供氣的模式。

2.2 永磁同步電動機(jī)運(yùn)行分析

圖6 雙永磁變頻兩級螺桿空壓機(jī)運(yùn)行原理圖

永磁同步電動機(jī)中，轉(zhuǎn)子的直流勵磁繞組被永磁體取代。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是消除了勵磁銅耗，使功率密度更高，轉(zhuǎn)子慣性更低和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固[4]。圖7和圖8是永磁同步電機(jī)和異步電動機(jī)的效率曲線和功率因素曲線圖。從圖中可以看出，永磁同步電機(jī)無論是在額定負(fù)載附近還是在其他的運(yùn)行區(qū)域，其效率和功率因素都比較接近1，無功功率較低。因此，永磁同步電機(jī)比異步電動機(jī)能效更高。

圖7 永磁同步電機(jī)和異步電動機(jī)η--(P2/Pn)曲線

圖8 永磁同步電機(jī)和異步電動機(jī)cosψ--(P2/Pn)曲線

2.3 兩級壓縮加中間冷卻

現(xiàn)在的空壓機(jī)改造方式由原來的單級壓縮改為兩級壓縮，并增加了中間冷卻，第一級壓縮后經(jīng)過中間冷卻，使進(jìn)入到第二級的壓縮空氣溫度等于或接近于第一級的進(jìn)氣溫度，這樣才能降低排氣溫度和功耗。從初壓到終壓，分的級數(shù)和中間冷卻過程越多，就越接近定溫壓縮，但分級過多將增加氣體流動的阻力，而且空壓機(jī)制造成本也大大增加，因此分級必須合理，兩級壓縮是應(yīng)用最多的分級方法。而中間冷卻最常用的方法是向壓縮腔內(nèi)噴油冷卻，將循環(huán)冷卻的少量冷卻油噴成霧狀與氣體一起進(jìn)入壓縮腔內(nèi)，噴入的油霧吸收了壓縮空氣在壓縮過程中產(chǎn)生的大量熱量，然后與空氣一起排出空壓機(jī)殼體，經(jīng)油氣分離后循環(huán)使用。圖9是兩級壓縮加中間冷卻的P—V示功圖，圖中的陰影部分的面積即為所節(jié)省的功耗（圖中2m’—2T’—2m’’—2m—2m’）。由于二級進(jìn)氣溫度被冷卻到一級進(jìn)氣溫度，經(jīng)過測試，兩級壓縮加中間冷卻所節(jié)省的功耗（圖中陰影部分）比單級壓縮所需的功耗節(jié)省10%以上。

圖9 兩級壓縮加中間冷卻的P-V示功圖

2.4 變頻器調(diào)速

對機(jī)械負(fù)載經(jīng)常變化的電氣傳動系統(tǒng)，應(yīng)采用調(diào)速運(yùn)行的方式加以調(diào)節(jié)。調(diào)速運(yùn)行方式的選擇，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)和條件，通過安全、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行維護(hù)等方面綜合經(jīng)濟(jì)分析比較后確定[5]。由于單級噴油螺桿式空壓機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置是無變頻器的，機(jī)械負(fù)載變化較大，因而其壓力波動較大，采用間歇運(yùn)行或加載—卸載控制方式運(yùn)行時根本無法實(shí)現(xiàn)恒壓供氣，而雙永磁變頻兩級螺桿空壓機(jī)中加入了變頻器調(diào)速，從而使壓縮空氣管網(wǎng)的壓力更加穩(wěn)定，其壓力曲線幾乎為一條直線。根據(jù)測試，加入變頻器后的恒壓供氣運(yùn)行模式比加載—卸載運(yùn)行模式節(jié)能率大大提高。

2.5 空壓機(jī)節(jié)能量對比

公司擠壓車間的用氣量比較集中，采用新改造使用的雙永磁變頻兩級螺桿空壓機(jī)替代單級噴油螺桿式空壓機(jī)，經(jīng)過能量測試，雙永磁變頻兩級螺桿空壓機(jī)比單級噴油螺桿式空壓機(jī)節(jié)能率為20.59%，見表1。

3 結(jié)論

目前我國的工礦企業(yè)運(yùn)行著大量的單級噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)，這類空壓機(jī)的電動機(jī)運(yùn)行效率和功率因素低、壓縮機(jī)為單級螺桿式，大部分采用的是自動加卸載控制方式[6]，從而造成大量電能的浪費(fèi)；這類空壓機(jī)的供氣方式為波動供氣，給用戶供氣造成不穩(wěn)定，用氣企業(yè)為了減少壓力的波動從而增加了大量額外的儲氣罐，增加了設(shè)備和資金的投入。而雙永磁變頻兩級螺桿空壓機(jī)可以完全替代單級噴油螺桿式空壓機(jī)，經(jīng)過多臺空壓機(jī)的測試分析，采用雙永磁變頻兩級螺桿空壓機(jī)而進(jìn)行的空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造，節(jié)能量達(dá)到20%～40%之間，空壓機(jī)用電量從改造前占全公司用電量的9.8%，到改造后下降至占全公司用電量的8.0%左右，節(jié)能效果相當(dāng)明顯。因此，采用雙永磁變頻兩級螺桿空壓機(jī)進(jìn)行空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造是一項(xiàng)非常有前景的技術(shù)改造。

表1 單級噴油螺桿式空壓機(jī)和雙永磁變頻兩級螺桿空壓機(jī)節(jié)能量測試表

參考文獻(xiàn)：

［1］廣東省節(jié)能培訓(xùn)教材編寫組.合理用電基礎(chǔ)與技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2013.

［2］鄒江，張霞，王濤.螺桿式空壓機(jī)變頻節(jié)能改造［J］.機(jī)械制造與自動化，2015，44（6）：88-90.

［3］鄧定國，束鵬程.回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

［4］聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊：第5卷［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［5］GB/T 3485-1998.評價企業(yè)合理用電技術(shù)導(dǎo)則［S］.

［6］付躍軍.卷煙廠空壓機(jī)的節(jié)能改造［J］.節(jié)能，2014，382（7）：74-76.