变频器在单螺杆空压机节能改造中的应用

田中超，胡长林

（首钢集团有限公司矿业公司，河北 迁安 064400）

首钢某分公司现有空压机3台，其中1台为单螺杆空压机（3#空压机），是2013年公司内部调拨的，投入后处于长期运转状态；另外2台为老式活塞式空气压缩机（1#、2#空压机），属于70年代产品，设备老旧、能耗高，大多情况属于备用状态。为更好的发挥单螺杆空压机作用，实现经济利益最大化，针对单螺杆空压机使用过程存在的问题，通过变频器对单螺杆空压机实施了节能改造，结合生产实际修正了相关控制参数，取得了较好效果。

1 单螺杆空压机节能改造的必要性

1.1 单螺杆空压机工作原理和运行控制过程（图1、2）

单螺杆空压机工作过程分为吸气、密封及输送、压缩、排气四个过程。当螺杆在壳体内转动时，螺杆与壳体的齿沟相互啮合，空气由进气口吸入，同时也吸入机油，由于齿沟啮合面转动将吸入的油气密封并向排气口输送；在输送过程中齿沟啮合间隙逐渐变小，油气受到压缩；当齿沟啮合面旋转至壳体排气口时，较高压力的油气混合气体排出机体。

1.2 单螺杆空压机能耗分析及存在问题

图1 单螺杆空压机的结构原理图

图2 空压机压缩空气产生系统图

单螺杆空压机自身控制器通过后端排气管道上压力传感器的压力控制空压机运行方式。空压机起动时，加载电磁阀处于关闭状态，电动机空载运行，一段时间（可通过空压机控制器设定，设置为2s）后，加载电磁阀打开，空压机开始带负载运行，通过加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在Pmin与Pmax之间来回变化。其中，Pmin为能够保证用户正常工作的最低压力值，Pmax为保证安全运行设定的最高压力值。空压机运行过程中能量消耗主要包括以下几个方面：

（1）在空压机加载运行过程中，当后端管路空气压力达到Pmin后，加、卸载控制方式还要使其压力继续上升至Pmax，从而需要消耗更多的能量，产生更多的热量和噪声，导致能量损失。

（2）空压机内部各气动元件的额定气压均在Pmin左右，高于Pmin的气体在进入气动元件前，需要经过减压阀减压至接近Pmin，这一过程同样是一个耗能过程。

（3）当空压机压力达到Pmax时，进入卸载状态时，进气阀关闭，电动机带动螺杆做轻载运动，白白地消耗能量（图3）。

图3 空压机控制过程图

本单位空压机主要用于全厂正常生产用风（此部分负荷相对稳定），并同时保证外部单位铁路车辆翻车机、金结喷砂机工作等。当外部单位翻车机或金结喷砂机工作时，系统用风量大，空压机处于持续加载状态运行；当这两个点位不工作时，空压机基本能够满足其他用户需求，但是由于用风点位较为分散且单位时间用风量时常低于空压机产风量、管网压力时常处于持续卸载状态运行或加卸载频繁转换现象。空压机起动均采用电磁阀控制加、卸载，加载和卸载方式转换为瞬时转换，这种靠机械方式调节进气阀平衡供气压力的控制方式存在以下问题：一是压缩气源产生较大的波动。空压机供气量无法连续调节，当用气量不断变化时，供气压力不可避免地产生较大幅度的波动。二是降低设备设施使用寿命。一方面进气阀、放气阀频繁打开和关闭，阀膜片的磨损加快；另一方面供气压力波动对设备机械冲击较大，加速设备的磨损，降低设备的使用年限。三是电源电压波动大，且造成电能浪费。由于空压机电动机本身不能调速，故电动机自身不能直接使用压力或流量的变化来实现降速调节输出功率与之匹配，同时三相异步电动机不允许频繁起动，导致在用气量少的时候电动机仍然要空载运行，电能浪费巨大。为此，拟对长期运行的单螺杆空压机3#空压机进行节能改造。

2 单螺杆空压机节能改造的设计与实施

2.1 单螺杆空压机节能方式选择

空压机节能改造可以从机械及控制两方面进行。机械方式节能改造主要从优化管道，降低管道阻力方面进行，但此种方式无法降低卸载运行时电能消耗及加卸载过程中对其设备的冲击，不可避免因此造成运行成本的增加。因此，拟通过改变空压机控制方式进行节能改造。

空压机负载为恒转矩负载，电动机运行输出功率与转速成正比，即

在工程计算中忽略空压机机械效率损失（即始终认为空压机机械效率η为1），可有如下关系：

式中，Q表示空气流量，M3/h；表示转速，rad/s；P表示轴功率，kW。

而交流异步电动机的转速有：

改变电动机转速的常规方法有如下3种：

（2）改变异步电动机的转差率s调速，可在转了上串联电阻，或改变定子绕组上的电压来改变转差率 s。这种调速方法仅限于绕线式转子异步电动机。

（3）改变定了绕组磁极对数p调速，即变极调速。这种调速方法由于磁极对数只能成对的改变，因而是有级调速。一般只能做到2速、2速、4速等。

随着变频技术的成熟，变频器在空压机上的应用越来越广泛，通过对比最终引入了变频器对单螺杆空压机进行节能改造。

2.2 节能改造设计要求

根据综合考虑空压机特种设备运行的特殊性及3#空压机供风实际需求，空压机实施变频改造后应满足如下具体要求：

（1）保证空压机原有控制系统的完好性，确保在紧急情况下各类安全保护措施动作灵敏、可靠。

（2）保证喷砂及翻车机作业过程中用户端压力大于0.2MPa，电动机变频运行时，保证供风压力稳定。

（3）长时间无压缩风消耗（即系统无用风点位）时，空压机可自动降低转速至0Hz，减少卸载运行电能浪费。

（4）改造完成后仍为PLC系统控制，并能够根据空压机运行状态启停干燥机，保证压缩风的干燥性。

单螺杆空压机型号为OGD250 42.8/8，排气量42.8m3/min，最高工作压力0.8MPa，电动机额定功率250kW，额定转速2990rin/m。因为空压机转速也不允许超过额定值，电动机不会出现过载现象，变频器选用西门子6SE70系列通用变频器即可。一般变频器出厂标注的额定容量都具有一定的裕量安全系数，所以选择变频器容量与空压机电动机容量相同，选定型号为6SE7035-1EK60（额定输出电流510A，额定输出功率250kW）的变频器。

本单位3#空压机变频控制系统通过金结喷砂和外部单位翻车机储气罐压力构成闭环控制系统（一般不会同时使用，当同时使用时优先保证外部单位翻车机供风），实时监控储气罐压力变化，通过测量压力与设定压力差值变化调整空压机转速，保证储气罐压力稳定，使空压机运行在最经济的状态下运行（图4）。

2.3 空压机变频控制流程

加装变频器后，控制系统主要为变频器、PLC、空压机、压力变送器组成压力闭环控制系统，系统根据储气罐压力自动调整空压机转速，调整空压机排气量，稳定储气罐压力在设定压力范围内。为了满足生产工艺设计要求，闭环控制原理对PLC程序进行了进一步完善，主要变频调节流程如图5所示。

图4 空压机变频控制图

图5 空压机变频调节流程图

（1）3#空压机远程起动后，选择连锁控制，可根据压力变送器测量压力值与设定压力差值自动调节运行频率，保证储气罐压力恒定。

（2）当储气罐变送器测量压力维持在设定压力（目前设定为0.6MPa），且3#空压机降低至最低运行频率（目前给定33Hz）运行，持续10min后，PLC系统判断现场无用风需求，自动将运行频率降低至0Hz，空压机停止运行。

（3）当现场再次需要进行喷砂或翻车，现场岗位按下操作按钮，PLC系统发出空压机增频指令，空压机从0Hz开始增频，并自动恒压变频运行。

（4）空压机运行频率大于最低运行频率，干燥机投入运行，否则，干燥机停止运行。

经过上述改造后，空压机随着储气罐压力不断调整频率，保持供风压力恒定，同时，当系统长时间不用风时，将空压机运行频率降低至0Hz，减少了空压机卸载运行时的电能损耗。

3 结语

（1）起动电流降低，减少其对电网的冲击。变频器的投入让空压机起动、加载过程电流平缓上升，对电网冲击很小；相对于软起动器，可以实现电动机软停，有效防止反生电流造成伤害，更利于电动机使用寿命的延长。

（2）供风压力稳定。PLC控制系统根据储气罐压力实时调整空压机运行频率，确保储气罐压力始终趋于设定压力，从而保证现场用风压力稳定，更利于生产操作（图6）。

图6 改造后压力曲线

（3）减小机械冲击，降低设备维护量。通过变频器控制空压机供风量，减少加卸载状态转换，减少了加载过程对电动机、压缩机等设备冲击，同时，低转速运行减少轴承磨损，延长设备使用寿命，降低了设备维护量。

（4）经济效益可观。改造后，一是实现无人值守，减员12人，每人每月人工成本按照6000元计算，每年可减少人工成本0.6×4×12=28.8万元；二是节能效果明显。通过三个月的运行试验，最终确定储气罐设定压力为0.6MPa，最低运行频率为33Hz，控制器加载压力为0.6MPa，卸载压力为0.73MPa。按此方式运行，统计电量平衡系统内数据，3#空压机小时耗电量约为102kWH，较改造前196kWH相比，每小时节电94kWH。按照电费单价0.541元计算，每年可节约电费0.541×94×24×30×12/10000=43.9万元。综上，每年综合效益可达72.7万元，经济效益可观。