螺杆式空压机变频节能技术的应用

李 杨，李 静，刘继元

(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046)

目前，如何解决设备运行中存在的能源浪费，不但是增强企业竞争力的要求，更是创建资源节约型社会的要求。空压机的种类有很多，有活塞式空压机、螺杆式空压机和离心式空压机，但其供气控制方式几乎都是采用加、卸载控制方式。该供气控制方式虽然原理简单、操作简便，但存在能耗高，进气阀易损坏、供气压力不稳定等诸多问题［1］。在空压机供气领域能否应用变频调速技术，节省电能的同时改善空压机性能，提高供气品质就成为一个广受社会各界关注的问题。对设备进行技术提升后，可以大大降低企业的生产成本，降低生产设备的故障率，延长设备的使用寿命，产生较大的经济效益和社会、环境效益，提高企业的综合竞争力和发展后劲。根据具体情况，进行技术变频调速后，节电率在15% ～30%范围内，通常1～2 a可收回变频器的设备和其他安装等附加费用等投资。为此，我国政府也根据国内经济和能源发展的现状制定了“开发与节约并重，把节约放在首位”的能源发展战略部署，即把节能降耗放在突出位置。

高、低压变频调速技术日趋完美，已被不同学科、不同行业的工程技术人员广泛应用于不同领域的交流调速系统。为应用企业带来了可观的经济效益，推动了工业生产的自动化进程。变频调速用于交流电机调速，其性能远远超过以往任何交、直流调速方式。而且结构简单，调速范围宽、调速精度高、安装调试使用方便、保护功能完善、运行稳定可靠、节能效果显著，已经成为交流电机调速和技术攻关的最新潮流。

高压变频器采用高－高变换的方式，多重脉宽调制的技术方案，优化的PWM控制算法，可实现多种控制方式以适应不同负载类型的要求。系统具有工、变频在线热切换功能、转矩提升、功率单元故障自动旁路、高压掉电后20 s内来电自启动、故障运行和防止电机共振等多项技术特点及11项保护措施;高压变频器采用DSP无速度传感器矢量控制，可实现对电机参数的自动整定，变频器功率电源主回路采用德国西门子IGBT功率模块，设计容量充分考虑了变频器过载情况，以及西门子PLC控制系统的优化设计可以极大限度的保证了现场负载运行的可靠性。

1 压缩机系统概述

常用的空气压缩机有往复式(活塞式)和螺杆式。

空气压缩机出厂时配套的排气压力调节装置，多数为关闭进气管式压力调节器;其工作原理是当储气罐(风包)内空气压力超过设定压力(0.65 MPa)时，压缩机进气管上碟阀自动关闭，压缩机进入空转卸载状态。当储气罐内空气压力低于设定压力(0.50 MPa)时，压缩机进气管碟阀自动开启，压缩机又进入加载工作状态。空气压缩机的排气量和压力，在运转中也不是不变的，常因所使用风动机械和风动工具的台数多少而变化，所以空气压缩机工作时总是在重复加载－卸载工作方式。加载时的工作电流接近电动机的额定电流;卸载时的空转电流约为30% ～50%电动机额定电流;这部分电流不是做有用功，而是机械在额定转速下的空转损耗。这种机械式调节装置虽然也能起到压力调节作用，但是压力调节精度低，压力波动大;压缩机总是在额定转速下工作，机械磨损大，电耗高［2］。

根据空气压缩理论，压缩机的轴功率、排气量和轴转速符合下列公式:

式中:Pr为压缩机轴功率，KW;Mr为压缩机输入的平均轴扭矩，N·m;n为压缩机轴转速，r/min;k为与汽缸容积、温度、压力和泄露有关的系数;n2为变频调节后的压缩机转速，r/min;Vh1为一级缸容积，m3;Vd1为在n2转速下的排气量，m3/min。

根据上述理论分析，在空气压缩机的汽缸容积不能改变的条件下，只有调节压缩机的转速能改变排气量;空气压缩机是恒转矩负载，压缩机轴功率与转速呈正比变化;在压缩机总排气量大于风动工具用气量时，通过降低压缩机转速调节供风压力，是达到压缩机经济运行的有效方法。在可以选用的压缩机变极电动机、改变皮带轮传动比、串极调速等调速方法中，变频调速与其他调速方法相比，具有无极调速、容易实现自动控制、不用改变设备结构和安装量小的特点。

变频调速的优点是压力给定方便，根据用气量的变化随时调整设定值，能够实现压力闭环运行，实现压缩空气的恒压供应。

2 压缩机变频恒压控制节能分析和计算

2.1 压缩机变频恒压控制效益分析

螺杆式压缩机系统为典型的恒转矩负载。对于该压缩机系统属于典型的恒压输出系统，因此恒压控制后系统运行在恒转距变流量状态。

在采用变频调速时，系统流量需要减小时，降低压缩机转速，使压缩机在规定压力下低流量点运行。压缩机的输入功率与流量成近似线性关系，如图1所示。

图1 压缩机恒压变流系统减速运行的功率消耗

因此压缩机系统进行变频改造后的节能效果主要决定于所运行流量的大小，压缩机的耗电量与流量成正比关系［3］。

由于该系统目前采用全速工频运行方案，采用压缩机系统的全速自动进行调节，虽然总管道输出压力保持在一定范围，但这时压缩机电机运行在轻载和满载两种状态，白白浪费掉电机运行在怠速状态时的能量消耗，因此采用变频恒压控制改造后降低了压缩机的运行转速，节约了能量的消耗。

系统改造后还可使系统实现软启动、软停止，减少系统启动对电网的冲击，减少系统启动次数，系统运行平稳;由于压缩机运行转速的降低，减少机械磨耗，延长电机和压缩机的使用寿命。

系统若采用压力闭环控制方案改造后，可实现全自动控制，真正实现无人值守。

2.2 压缩机变频恒压控制节能计算

根据螺杆式压缩机的负载性，可以得到压缩机的输入功率表达式:

式中:Pr为压缩机输入功率(KW);PK为压缩机的空载损耗功率(KW);Py为压缩机的有效功率(KPa)。

式中:Py为压缩机的有效功率(KW);K为比例系数;Q为压缩空气流量(m3/min);Pyl为压缩空气的压力(KW)。

由于工频运行时，压缩机组运行在满载和空载两种状态，假设机组空载运行时的系统损耗和满载运行时的系统损耗相同(PK)，因此工频运行时电机消耗电能的表达式为:

式中:W工频为工频运行压缩机的耗能量(KWh);t为压缩机运行时间满、空载时间和(h);t满载为压缩机满载运行时间(h);t空载为压缩机空载运行时间(h)。

机组在变频运行时，根据公式(2)可知，在恒压控制时压缩机的输入功率和流量成正比，根据罗杆压缩机的工作特性，压缩机组的流量与转速成正比，即与电机的运行频率成正比，由此可得:

式中:Q为变频为压缩机拖动电机变频运行频率(Hz);fe为电机工频运行频率(Hz);Qe为压缩机在工频运行时的流量(m3/min)。

压缩机组采用变频运行后，要保证用户的用风量，这样同一运行时间下变频运行的压缩风量应与变频运行相同，因此有:

式中:t为运行时间工频运行时满空载时间和(h);t满载为工频运行时满载运行时间(h)。

由公式(4)、(5)可知:

从公式(2)、(4)、(5)可以看出，由于工、变频运行压力要保持不变(这里忽略工频运行时的压力变化)，变频运行时压缩机组的输入功率为:

式中:Py变频为压缩机在变频运行时的有效功率(KW);Py为压缩机在工频运行时的有效功率(KW)。

变频运行时电机消耗电能的表达式为:

式中:PK变频为压缩机在变频运行时的损耗功率(KW)。

根据机械负载的特点，近似认为机械损耗功率与转速成正比，由公式(5)、(6)可知:

由公式(9)、(7)可将公式(8)可变换为:

式中:W变频变频运行压缩机的耗能量(KWh)。

由公式(3)、(10)可得到，使用变频后压缩机组轴端输入功率减少量为:

式中:t空载式工频运行时满载运行时间(h);△WZ为压缩机轴输入能量节约量(KWh)。

以上计算得到了压缩机轴输入(电机轴输出)能量节约量，假设变频器使用前后的电机效率不变，得到系统耗电量的节约量(节能量)

式中:△W为压缩机电机节能量(KWh);η为电机运行效率。

由于压缩机空载时电机的输出功率为:式中:U为压缩机电机的运行电压(V);I空载为压缩机电机空载运行时的电机电流(A);COSφ为压缩机电机空载运行时电机的功率因数。

由公式(11)、(12)、(13)可以得到:

这样只要检测到压缩机空载运行时的电机电压、电流、功率因数以及某时间段内的压缩机系统的空载运行时间和，就可计算出该时间段内的节能量。

以上的计算为理论计算，在计算过程中忽略了一些次要因素，计算结果仅供参考，实际的节能效果要根据运行实际情况和变频器的设定情况，通过实际测量来确定［4］。

3 JCP高压变频调速装置原理

JCP高压变频调速装置原理图如图2所示。

图2 JCP高压变频调速装置主电路原理图

由图2看出系统由电网高压6KV直接进入高压变频器，高压二极管串联整流作为三相的整流功率控制单元。经过专用抗共模电抗器和特制的电力电容滤波后，直接控制IGBT触发不同的导通角可以输出不同的电压和频率。通过对输入取样获得同步信号，对输出电压取样获得反馈电压信号，对输出电流取样获得电流大小信号，从而单片机CPU对这些信号进行自动处理，使输出电压和输出电流按照软件设定的运行V/F曲线进行控制。运行中，无变压器的损耗，这样能达到其它种类的高压变频无法达到的节能效果运行。同时变频器还继续监视电机的正常运行和提供各种故障保护。在软停机时，首先断开旁路接触器，变频器按照预先设好的参数平缓地降低电机的电压和频率直到停机。这样可以避免突然停机引起的空压机的“喘振”等机械冲击［5］。

在变频器需要维护或检修时，装置可以通过倒换变频和工频的负荷开关实现控制装置在工频状态运行。装置在工频状态运行时，装置还提供的有过载、过流等保护措施。

在设备第一次运行时，首先人工选择变频运行的压缩机，并设定好所需的压力值，起动该压缩机，变频器拖动该压缩机组变频起动并运行至所需要的气压值;此时，可以同时变频或工频起动其它的压缩机，使得总出口的压力值得到满足。这样，变频控制的压缩机始终通过压力变送器采集的反馈信号来调节出口的气压值，从而满足供气的气量。

当变频控制的压缩机运行到额定输出转速时，仍然达不到供气压力的要求，变频控制装置发出声光报警信号，通知值班人员用变频(或工频)起动另一台压缩机运行，变频控制的压缩机运行频率会通过压力变送器采集的反馈信号自动下降频率(转速)，从而满足供气的气量。

如果供气压力过高，而变频控制的压缩机已经工作在设定下限的下限频率了，管网压力还高于压力需求值时，变频装置发出声光报警信号，提醒值班人员切除一台变频(或工频)运行的压缩机。此时，变频控制的压缩机运行频率会通过压力变送器采集的反馈信号自动上升频率(转速)，从而满足供气的气量［6］。

在变频器需要检修时，可以继续采用原来的工频运行方案。

4 变频运行后收益

4.1 节约能源、提高供气量

利用高压变频器控制压缩机与传统的控制压缩机比较，能源节约、提高产量是最有实际意义的，根据气体量需求来供给的压缩机工况是经济的运行状况。

出气口释放阀全部关闭，取消用出气口释放阀调节供气量方式，以避免由此导致的电能浪费。代之以变频器调整电机的转速来调整气体流量，使电机输出的功率与流量需求基本上成正比关系，始终使电机高效率工作，已取得明显的节电效果，节电率约为20% ～30%。

4.2 运行成本降低

压缩机的运行成本由三项组成:初始采购成本、维护成本和能源成本。其中能源成本大约占压缩机运行成本的77%。通过变频技术改造将使能源成本降低71%，再加上变频起动后对设备的冲击减少，维护和维修量也相应降低，因此运行成本将大大降低。

4.3 提高压力控制精度

变频控制系统具有精确的压力控制能力。使压缩机的气体压力输出与用户气体系统所需的气量相匹配。变频控制压缩机的输出气量随着电机转速的改变而改变。由于变频控制电机速度的精度提高，所以它可以使管网的系统压力变化保持在3pisg变化范围，也就是0.2bar范围内，有效地提高了工况的质量。

4.4 延长压缩机的使用寿命

变频器从0HZ起动压缩机，它的起动加速时间可以调整，从而减少起动时对压缩机的电器部件和机械部件所造成的冲击，增强系统的可靠性，使压缩机的使用寿命延长。此外，变频控制能够减少机组起动时电流波动，这一波动电流会影响电网和其它设备的用电，变频器能够有效的将起动电流的峰值减少到最低程度。

4.5 提高功率因数

由于电机在高效率状态下运行以及变频器内部配有大量电容，会使功率因数提高，降低了无功损耗，节约了大量电能。

4.6 降低了空压机的噪音

根据压缩机的工况要求，变频调速改造后，电机运转速度明显减慢，因此有效地降了空压机运行时的噪音。现场测定表明，噪音与原系统比较下降约5～10 dB。

5 结束语

通过采用变频调速控制技术，利用高压变频器对风机电机进行变频控制，实现压力的变负荷调节。这样不仅达到了用气的工艺要求，同时提高了空压机的运行可靠性;更重要的是减小了设备起停次数，延长了设备的使用寿命，维护量减小，改善了系统的经济型，节约了能源，为降低耗电量提供了良好的途径。

［1］严政，王欢.螺杆压缩机的使用维护问题浅析［J］.压缩机技术，2011(3).

［2］郭海，王勇，韩军.螺杆压缩机的应用分析［J］.内蒙古石油化工，2004(2).

［3］唐耀华，徐庆龙.空压站变频改造的节能分析和参数控制［J］.变频器世界，2004(4).

［4］梁艳娟.空压机变频改造节能技术的研究与应用［J］.制造业自动化，2011(13).

［5］袁帅军，郭利女，邓超，等.变频器在空压机中的应用［J］.硅谷，2010(16).

［6］梁萌，宋桂荣.空压机减速箱拆拆齿原因分析及改造［J］.森林工程，2002，18(4):33 －34.

［7］吴庆阳.浅谈变频器在制氧行业的应用［J］.机电信息，2011(18).

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