空压机变频改造节能效果分析

闫光启，杨勇伟，王立，万朋，潘世全，王琳琳，栗克，高国防

工、矿企业在选择空压机时，为了保证在任何情况下都能使生产正常进行，空压机一般按工厂最大负荷再加10%～20%余量设计，因此，实际安装的空压机，其额定供气能力要比最大的用气量大10%～20%左右。而在实际生产过程中，工厂的实际需求存在季节性及时间性的波动，会导致用气量波动较大，绝大多数情况下只能用到额定供气量的50%～60%，甚至更低。这一普遍现象造成了电能的严重浪费,所以空压机多数时间并非满载运行，具有很大的节能空间。

为了减少电能浪费，同时保持供气量与用气量的平衡，不论是活塞式，还是螺杆式压缩机，比较常用的控制方式是在其中设置加、卸载机构。加载时，空压机向储气罐提供压缩气体；卸载时，空压机不向储气罐提供压缩气体，处于“空转”状态。之所以空转而不进入停止状态，是因为空气压缩机的空载启动电流大约是额定电流的3～5倍(空气压缩机电动机一般为星/三角启动方式)，避免了带载启动时强大的电流冲击和机械冲击，以及对电网中其他用电设备的冲击，同时也会缩短空气压缩机的使用寿命。

加、卸载过程是交替进行的，加载期间，储气罐压力在上升，卸载期间，储气罐压力在下降，总体上储气罐的压力曲线是“锯齿”状。为了保证生产正常进行，其最小压力必须满足一定要求，用Pmin来表示，叫最小压力。在加载过程结束转入卸载状态这一时刻，储气罐压力最大，用Pmax来表示，叫最大压力。一般情况下，Pmax、Pmin之间关系可以用下式来表示：

Pmax＝(1＋δ)Pmin （1）

δ是一个百分数，其数值大致在15%～30%之间。也就是说，在气压上存在15%～30%的浪费。

缩短加、卸载时间，可以减小δ，但单位时间内的加、卸载次数必然增加，频繁加、卸载的机械冲击将严重缩短设备寿命。同时，频繁加、卸载的过程势必加大电能的消耗。

加、卸载供气控制方式浪费的能量主要包括以下几个方面:

（1）加载时的电能消耗

当储气罐中空气压力达到Pmin后，加、卸载供气控制方式还会使其压力继续上升，直到Pmax。这一过程需要电源继续向压缩机提供能量，是一种能量的损失。

（2）卸载时电能的消耗

当压力达到压力最大值时，空压机通过关闭进气阀使电机处于空转状态的方法来降压卸载。这种调节方法造成很大的能量浪费。据测算，空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的10%～35%。很明显，在加载、卸载供气控制方式下，空压机电机存在很大的节能空间。

加、卸载供气控制模式下的运行曲线,如图1所示。

（3）频繁地开/关放气阀，会加速进气阀的磨损，使放气阀寿命大大缩短,增加维修量和维修成本。

随着电力电子技术的发展，目前最佳解决方案是对空气压缩机实行变频调速节能控制。

采用变频凋速控制时，就是把管网压力作为控制对象，通过检测储气罐压力，实现系统的压力闭环控制，自动调节空气压缩机的转速和空气压缩机的运转台数。改造后的空气压缩机都由变频器来启动，实现带载软启动和软停机的工作方式，避免了启动冲击电流和启动给空气压缩机带来的机械冲击，实现了供气量的连续调节，保证了总管压力稳定。

变频器控制模式下的运行曲线,如图2所示。

应用示例1：

某企业的空压机电机参数如下：功率为160kW，转速为1480r/min，额定电流294A，功率因数为0.89。采用传统的加、卸载供气控制方式，正常生产时，压力需维持在0.60～0.72MPa范围内，空压机进气阀门开关都呈现一定的规律性，即阀门打开加载时间约为125s，关闭卸载时间约为90s(即加载时间占总时间的58%，卸载时间约占42%）；加载时电机电流大约为256A，关闭阀门电机电流约为102A。

采用变频恒压控制以后，正常生产时，管网压力保持在0.60±0.02MPa这样一个相对稳定的值，变频器显示36Hz，电机电流维持在193A左右，上下波动很小。如此，年节约电能约为278.9×103kWh。按照目前平均工业电价0.615元/kWh计算，每年可节省生产成本约17.2万元。

应用示例2：

某企业的空压机电机参数如下：功率为75kW，转速为1480r/min，额定电流139A，功率因数为0.86。采用传统的加、卸载供气控制方式，正常生产时，压力需维持在0.56～0.68MPa范围内，空压机进气阀门开关都呈现一定的规律性，即阀门打开加载时间约为95s，关闭卸载时间约为160s(即加载时间占总时间的40.6%，卸载时间约占59.4%）；加载时电机电流大约为128A，关闭阀门电机电流约为50A。

采用变频恒压控制以后，正常生产时，管网压力保持在0.56±0.03MPa这样一个相对稳定的值，变频器显示30～40Hz，电机电流维持在97A左右，基本上没有卸载时间。如此，年节约电能约为98.65×103kWh。按照目前平均工业电价0.615元/kWh计算，每年可节省生产成本约6.1万元。

变频器控制模式和加、卸载供气控制模式下的节能运行曲线如图3所示。

图3中各部分曲线简要说明：

灰色：变频空压机功耗曲线；

绿色：节能部分A，变频空压机比普通空压机节省的能量；

浅蓝色：节能部分B，变频空压机可能节省的能量。B为当变频空压机已进入空久停机休眠阶段，而普通空压机没有进入休眠时，变频空压机节省的能量。如果变频空压机也没有进入休眠，则B=0。

刚启动或休眠后启动时，普通空压机和变频空压机均运行在额定功率附近，因此变频空压机可以保证充气的快速性。

空压机采用变频改造后系统的特点：

（1）空气压力幅值变化小，实际测量后，在使用变频运行时，其压力变化幅值大约为±0.03MPa。供气质量好，生产效率高。

（2）平均降低噪音3～7dB(A)，改善了工作环境。

（3）操作简便。

（4）采用变频调速后，在空气压缩机低转速运行时，润滑油耗量也就变小，即所谓“低转速，低润滑”，全年可节约空气压缩机润滑油20%～35%左右。

（5）由于转速降低，机械磨损减小，可延长设备的使用寿命。

（6）提高运行可靠性。原电控系统与改造后的变频控制系统可互为备用，提高了运行可靠性，同时各项保护措施更加完善。

（7）根据水泥企业空压机站管理和运行方式的特点，为了节约资金，建议在每个空压机站内改造两台空压机为变频器控制方式，就可以满足生产的需求。

空压机采用变频系统改造中应注意：

（1）电动机的散热问题，电动机经过变频器变频后，转速降低，其电机风扇的散热效果也要降低。

（2）空压机的润滑问题，空压机的转速越低，润滑油的耗量也就越小，其润滑效果越差。要注意加强设备巡视工作。

（3）系统压力设定问题，在满足生产工艺的要求下，压力设定越低越好，因为空压机的排气压力越高，所需的电机轴功率越大，电机耗电也就越多。

（4）转速过低，会使压缩机的工作稳定性变差、机械性能变差，因此，将变频器运行频率下限设定为30Hz。

水泥企业的用电费用约占水泥成本的1/3，所以做好电动机运行的节能工作至关重要。为了节约资金，每个站可配套1～2台控制的空压机分别投入运行。对于新建的空压机站，可根据变频技术改造的空压机系统经验，按照最合适的计算系数选取空压机配套能力。这样既有利于降低整个配电系统的电力损耗，还可以挖掘配电系统的供电能力，减少电费开支。与此同时，还可降低企业隐性的浪费。

企业向内控制成本节约1%，远胜于市场销售业绩增加10%。

[1]张燕宾.变频调速应用实践[M].北京:机械工业出版社,2000.

[2]深圳市蓝海华腾技术有限公司.空压机节能变频器使用说明书[R].■