变频器在螺杆式空压机节能改造中的应用分析

袁开洪 牛治国

摘 要：本文简要概述了天然气企业空压机变频节能改造的可行性，而后讨论风冷空压机与水冷空压机的区别，分析螺杆空压机变频节能改造的技术要点，在此基础上通过改造实例研究螺杆式空压机变频节能改造应用实例，为相关研究人员提供参考。

关键词：变频器;螺杆式空压机;节能改造

螺杆式空压机是目前广泛应用的空气压缩机，具有工作效率高和噪声小等方面的优势。在天然气企业中，空压机主要应用于天然气空压站。空压机应用过程中存在较大的能源消耗，采用新型变频技术对其进行节能改造，有利于节约电能，并提高工作效率。

1 空压机变频节能改造的可行性

空压机主要作用是为天然气的生产过程提供动力能源，在天然气生产中发挥着重要作用。在其工作过程中，空气在进入压缩机组后经过压缩处理进入缓冲罐，而后进行干燥和净化等处理，最终进入空气储罐，用于仪表风和氮气置换用气。空气压缩机在其中发挥着关键作用，螺杆式空压机在目前的天然气处理厂中应用较广，具体类型包括无油螺杆压缩机、微油螺杆压缩机等。同时，空压机也是一种高能耗设备，根据相关统计，我国当前的全国发电量中，空压机能耗占有10%左右，用气企业的用电量中，空压机耗电量占有15%-35%，并且空压机能耗中66%的负荷在于其自身的能耗，说明能源利用效率较低。

在以往的空压机运行过程中，以下问题较为明显：空压机在启动时加载阀未工作，机头进气口处于关闭状态，此时电机为空载启动。在电动机正常运行之后，低于下限设定压力时加载阀开始工作，而后压缩机负载工作。气压达到卸载压力后加载阀关闭，压缩机此时为卸载状态运行，电动机也在运行状态，能耗为满载状态的30%-50%[1]。因此能够看出，空压机长时间空载运行是电能消耗的一项重要因素，而通过变频改造，既能有效解决空载运行问题，也能够通过软起与软停，防止瞬时启停时电压波动对设备与电网稳定性的影响，延长压缩机使用寿命。通过对空压机变频节能改造，能够使电机在启动与加载过程中电流增长更为平稳，减少电流波动，并对供气管路气体压力起到监测作用，使输出压力保持稳定。同时也有利于减少设备的磨损，降低检修维护工作量。

2 风冷空压机与水冷空压机的区别

空压机的分类可以总体分为风冷空压机与水冷空压机两类。风冷型螺杆空压机的结构为机油冷却器和压缩空气后冷却器一体结构，工作原理是热油和高温（80℃左右）气体在各自管道内流动，电机拖动风扇转动，冷风垂直吹过载有热油和高温气体的管道从而实现热交换。水冷型螺杆机一般采用管式散热器，水在管内流动，热油在管外流动，完成热交换后冷水温度升高。冷水需要进行不断循环。因此在水冷空压机应用过程中必须另建冷却塔，把热交换后的热水冷却以便参与下次循环，水质对散热器影响较大，成本也相对风冷空压机较高。因此目前风冷式空压机的应用更为广泛。

在实际应用当中，风冷空压机具有成本较低、维护简单和节约能源等优势，适用于水资源较为缺乏地区。目前常用的风冷空压机包括富达LU75-8GP空压机、寿力AS7508 AC VSD变频空压机等。水冷空压机包括LU910-75WAI等型号。比如LU75-8GP空压机是一种运行可靠的空压机设备，具有节能、噪声小和应用范围广的优势。其功率为75kW，压力8bar，比功率为6.5kW/（m3/min），达到国家1级能效标准规定的限定值，具有很强的节能效果。在用气量14m3/min，每年加载时间为6000h，电费1元/度的情况下，该型号空压机每年能够节省电费58800元。

3 螺杆空压机变频节能改造的技术要点

螺杆空压机变频节能改造的原理是利用压力变送器，对管网压力值及其设定值进行比较，而后利用PID调节器对变频器在异步电动机的频率值作出计算，变频器输出一定频率与幅值的交流电，使电动机达到一定的转速，此状态下空压机能够根据其用气量合理控制电动机转速。空压机变频控制系统的组成部分包括电动机、PID、空压机、储气罐与测量装置等。在对螺杆空压机进行变频节能改造过程中，应按照以下技术要点开展改造工作：

第一，进行节能改造时，需要事先对变频机工作频率作出合理确定，包括频率最高值与最低值两方面。根据相关研究，在频率降低到额定功率20%时系统工作效率下降较为明显。在工作频率的确定上，对于75kW螺杆空压机，一般应将工作频率调整为额定功率20%-100%，75kW以上的螺杆空压机的频率范围调整上，一般在额定功率的30%-100%[2]。

第二，进行节能改造时，要合理选择控制线路，在原有线路的基础上采取变频、工频2种控制线路。同时要具备开环及闭环两种控制方式，在正常运行状态下采用闭环控制，实现对空压机转速的自动化控制。在系统运行及负荷传感器发生问题的情况下采取开环控制，可以手动设置空压机转速、供气速度等。

第三，在变频器输入端需要采取一定措施减少电磁干扰，从而防止非正弦波对空压机管理器的影响。还应确保电动机具有恒转矩运作能力。

第四，改造过程中，需要重新设定下限运行频率。在下限运行频率设置不当的情况下容易造成油气难以分离，引起润滑油浪费问题。设定数值时应考虑空压机的具体型号。

第五，在電动机的工作频率较低时，需要确保证电机的绕组气温及噪声在规定范围内。在变频平台控制不同的空压机进行工作时，可以采用回差控制的方法，有利于实现顺利切换。在一台变频器同时控制多台空压机的情况下，可以有效利用转换开关，在其中某台空压机需要更换时可以快速切换为另一台空压机。

4 螺杆空压机变频节能改造应用实例

4.1 变频节能改造方法

某生产单位原有压缩空气的供应来源为6台螺杆式空压机，其中包括2台75kW螺杆空压机、1台37kW螺杆空压机以及3台132kW螺杆空压机。其中两台75kW螺杆空压机一台开启另一台备用，3台132kW螺杆空压机一台开启其余2台备用。上述空压机设备在正常生产状态下每天运行24h，平均每天消耗电能5500kWh。

在利用变频器进行节能改造工作时，改造范围为其中3台132kW螺杆空压机，改造方法如下：在准备改造的每台空压机主回路上连接1台变频器，原有空压机采用星--三角启动方式进行启动，改造过程中保留其主回路接触器，并将其作为电动机绕组连接回路。电动机绕组进行星--三转换完毕后，通过变频器对电动机进行启动。空压机当中的控制回路保持原有状态，但对原有电动机运行电流检测互感器CT1进行移动，将其放置于变频器输入电源之前，主要发挥过载保护检测的作用。对于其中的角形接法接触器，将其中一处常开辅助触点与变频器中的2个端子相连接，发挥控制变频器启动的作用。2个端子分别为FWD与CM端子。而后修改空压机设备中的特定参数，修改方法为将星角延时从原先的6s改成3s;对于加载延时时间，从2s改成15s;主机的启动时间从8s改成20s。

与此同时，对储气罐增添了相应的压力传感器，每个储气罐安装1台压力传感器，起到监测供气管网压力的作用。将压力传感器与变频器的模拟输入端子GND以及AI2相连接。能够对比变频器PID参数当中对压力的预设值，并利用变频器PID功能对交流电的输出进行调节，从而调控电动机的转速，发挥供气压力调节作用。根据该生产单位实际情况，生产过程中通常使用2台132kW空压机，在某台空压机变频器损坏的情况下可以直接使用备用空压机，因此改造过程中未进行工频旁路线路设置。

4.2 变频节能改造效果

该单位改造成效较为明显，3个月运行时间中，空压机此前每天消耗电能平均在5500kWh左右，改造后降低为平均4500kWh。降低电能消耗大约18%。同时提升了供气质量，减少了进气阀开闭次数。

5 结论

变频器应用于螺杆式空压机节能改造中，对于降低能耗、提高生产效率、减少维护费用具有显著效果。对于天然气企业，应根据实际生产情况合理应用变频器进行螺杆式空压机的节能改造。

参考文献：

[1]邓慧钺.变频器在螺杆式空压机上的应用[J].山东工业技术，2016（03）：206-207.

[2]侯烨，焦义，张姚兵.螺杆式电动空压机变频节能改造研究[J].建筑工程技术与设计，2018（04）：2237.