定变频螺杆空压机组在制药中的应用

朱菊红 楼卫红 赵飞松

摘要：空压机是制药行业中不可缺少的空气压缩设备，但是目前空压机普遍采用定频方式运行，能耗较高，不利于制药企业的节能减排目标，采用变频方式运行，设备投资大。本文对基于变频、定频联动的空压机组节能改造进行了一定的分析。

关键词：螺杆空压机组；节能改造；变频技术

引言

制药工业是当前国民经济的重要产业之一，随着现代医药工业的飞速发展，药品的质量越来越受到人们的重视，现代化自动生产线对压缩空气的依赖性较大，要锁空气的品质对保证产品的质量至关重要。空压机是当前应用最广泛的空气压缩设备，但是空压机在使用的过程中存在耗电量过大的问题。根据相关的统计资料显示，空压机的耗电量占大型工业设备耗电量的15%左右，如何降低空压机的耗电量成为了当前制药企业面临的重大问题。而随着变频技术的发展，通过将其应用到螺杆空压机组节能改造中，实现空压机的变频、定频联动运行，能够实现较好的节能目的。

1.螺杆空压机工作原理

螺杆式空气压缩机（螺杆空压机）工作原理为：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。（单螺杆空压机结构原理图见图1）然后将混合气体排入油气分离机，在这里，经过压缩后所排除的混合气体由碰撞、拦截、转折以及离心分离等方面的作用，大部分油介质会从空气中分离出来，之后含有少量润滑油的压缩空气进入到油精分离器中进行二次分离，从而得到含油量非常低的压缩空气。当空气的压力达到规定的压力值时，开启最小压力阀，压缩的空气被排入到冷却器中进行冷却，最后送入系统进行使用。其工作原理如图2所示[1]，。

螺杆空压机采用变频器可通过改变螺杆转子转速的方式来改变排气量，当用气量发生变化时，变频器改变转速的方式调节空压机的排气量，达到排气压力恒定不变，并节约能源的目的。

图2螺杆空压机的工作原理

2.变频节能分析

2.1变频控制原理

异步电动机的转速公式如下[2]：

公式中的f表示电源频率，S表示电动机转差率，P表示电动机的极对数。当S和P的值确定后，电动机的转速与电源频率呈正比关系，因此，可以通过调整电源频率来实现对电机转速的控制，从而实现变频调速。

2.2变频调节的原理

空压机在运行过程中通常属于恒转矩运行状态，通过变频技术根据实际的供气量变化对电机的转速进行相应的调节，可以始终保持电机的输出功率与转速之间成正比关系。排气口的压力会随着用气量的降低而上升，通过闭环向变频器进行反馈，从而控制电机转速降低，降低电机的输出功率；而在用气量上升之后，排气口的压力会相应下降，此时，通过闭环反馈，变频控制系统控制电机转速提升，电机的输出功率也会相应增加。因此，变频空压机系统可以通过压力闭环对供气系统的实时负载进行动态跟踪，并根据跟踪结果对电机转速进行自适应调整，使得通过电机转速的调整，始终将排气口的压力保持在一个恒定的状态，从而使压缩机电机的运行更具经济性。

2.3变频控制过程

变频调速系统主要是对空压机压缩空气时的输出压力进行控制，变频调速器主要由变频器、压力传感器、PLC、电机等部件构成闭环恒压控制系统[3]，其工作压力值可以通过操作面板直接进行设置，现场压力由传感器采集，传感器在采集到压力值后，通过将压力值数据转换成4-20mA的电流信号反馈到变频器，变频器通过那只的PID对电流信号进行比较计算，从而对输出频率进行调节，进而将电机的转速控制在合理的水平。由此可以看出只要对电机的转速进行调节，就可以实现对电机轴输出功率的调节，使空压机的送风量与用风量相匹配，从而实现恒压供气与节能的目的。

3.螺杆空压机变频与定频联动

变频空压机与定频空压机联动控制，即在同一压缩空气供气站中用一台变频空压机与一台定频空压机组成一个供气系统，给用气管网提供稳定的压缩空气源。在供气系统中变频空压机作为主机，定频空压机作为从机。变频空压机与定频空压机联动运行，能避免网络中空压机的频繁加卸载和启停，避免损坏设备及减少对电网冲击，进而达到节能环保的效果。

3.1联动控制的网络连接

将变频机设为主机、定频空压机设为从机，同时可以允许多台空压机联动运行。联动控制网络采用屏蔽较好的通信线路将网络中空压机控制器的通信端口A、B连接起来，布线过程中尽量避免强电干扰，信号线与电源线分别走不通的管道，具体网络结构如图3所示[4]。

图3 空压机联动控制网络结构

3.2联动改造系统设置方法

（1）主机设置。第1步，在变频空压机停止状态下，进入用户参数，将通信方式设置为联动，联动状态设置为主机；第二步，设定联动压力的下限、联动压力上限以及变频工作的压力。注意联动压力的上下限值应在单机的供气加载压力与单机的供气卸载压力值之间。变频工作压力值需要设置在联动压力值上限制及下限值范围之间。

（2）从机设置。在定频空压机停止状态下，进入用户参数，将通信方式选项设置为联动，联动状态设置为从机，从机的供气加载压力与供气卸载压力值与主机保持相同水平。

3.3联动改造系统运行特点

（1）变频空压机作为主机，启动网络，用户只需开启变频机；

（2）联控过程中，压力不够时，变频主机优先启动，然后再启动定频空压机；

（3）当主机压力在联控压力上下限之间时，主机根据压力与变频工作压力比较，调节运行频率，维持压力稳定；

（4）当压力高于主机变频工作压力时，主机首先降低频率运行，若压力还上升，达到联动压力上限时，主机控制网络中从机卸载或停机，主机按最低频率运行，不会停机；

（5）当从机卸载或停机运行时，主机处于变频运行状态，压力达到主机供气卸载压力，主机卸载运行，只有当主机卸载运行时间达到空车过久停机时间时，主机才会空久停机；

（6）主机空久停机后，当压力低于联动压力下限时，主机优先启动。

3.4经济效益分析

（1）案例概况。某车间的用气量约为20.63m3，车间的用气设备工作压力要求保持在0.6Mpa以上。对此，采用一台LU75-8GPIVR的变频空压机（产气量为5.7m3/min-14.2m3//min）以及一台LU75-8GP的定频机（产气量是14.2m3/min）经计算总的产气量可以达到是28.4m3/min，满足技术要求。将变频机设为主机，将定频机设为从机，变频机的压力设定值为0.78Mpa，联控卸载压力设定值为0.8Mpa，联控加载压力设定值为0.7Mpa。

（2）联动控制技术实践

①各个用气阶段空压机的工作状态。从表1可以看出在不同的用气量范围内，节能效果不同，该分析可以为企业的设备选型提供一定的参考。

②状态4是时联控系统的工作过程。以状态4为例，联控系统的工作过程如下：启动变频机一加载运行一增频运行（增大产气量）一满负荷不能到达设定的变频压力，控制器发出启动定频机的指令一定频机满负荷运行到达变频压力设定值一变频机减频运行（减小产气量）一压力降低一（达到用气量和产气量平衡时稳定频率工作，流量在此区间变化时变频空压机会自动调节工作频率来满足生产的用气需求）此用气量区间的节能效果较好。

4.结语

在制药行业中，螺杆空压机是最主要的空气压缩设备，但是目前螺杆空压机的定频运行方式在运行过程中会造成大量的电能浪费，而且设备磨损较快，不利于企业的正常生产和经济效益的提高。通过利用变频技术对螺杆空压机组进行改造，实现变频空压机与定频空压机的联合运行，通过智能控制，保证设备处于最经济的运行状态，同时可以有效实现空压机的自动恒压供气，提高设备的利用率，延长设备使用寿命，保证药品的质量和制药企业的经济效益。

参考文献：

[1]宋韧，刘淑婷.空压机节能改造新技术应用研究[J].资源节约与环保，2012（06）：19-20.

[2]欧阳焰啸.空压机的节能改造方式[J].石油和化工节能，2009（05）：18-19.

[3]鲁欣南.变频技术应用于空压机节能改造的控制策略分析[J].浙江电力，2008（05）：36-38.

[4]李强，屈宝存，葛智强.PLC和变频器在空压机节能改造中的应用[J].变频器世界，2006（03）：99-100+105.