空气压缩机节能分析及其控制系统的设计

周健

摘要：文章根据空气压缩机在生产过程中的工作原理，从理论上进行空气压缩机能耗分析，得出了空气压缩机具有节能空间的结论；详细介绍了以变频器为驱动核心、采用压力变送器检测压力变化的空气压缩机恒压供气智能节能控制系统的硬件及软件设计。实际应用表明，该系统可实现空气压缩机恒压供气，且节能效果较明显。

关键词：空气压缩机；节能；恒压供气；PID控制

目前，能源紧缺、电力紧张在一定程度上制约了我国的经济发展，如何降低能源消耗、节约能源是大家关注的一个课题。节能方式一般有2种：一种就是通常所说的随手关灯的管理方式；另一种就是不影响正常生产工艺要求和状态的技术节能方式。前者属于粗放型节能，只要提高人员的节电意识就可实现；而后者属于技术节能，该节能方式可以节省伴随在生产过程中的不必要的能量，其实现方法：将设备的运行状态调节到最佳，使得在不改变或者不影响工艺的情况下，采用控制技术改造设备而达到节能的目的。

1节能原理

1.1 生产工艺要求

该溶剂厂空气压缩机房共有2台空气压缩机，并网使用，正常生产情况下为一用一备。2台空气压缩机均为132kW螺杆有油空气压缩机，采用星三角降压方式启动。正常情况下，厂区内的生产压力范围为0.5～0.6MPa，即供气压力大于用气压力，空气压缩机房开1台设备。随着生产中用气量的变化，高压储气罐的压力也在不断变化，根据生产工艺要求设备的上限压力定位到0.6MPa，只要压力高于上限值，空气压缩机就会自动卸载工作，这时空气压缩机的电动机空转不带负载，不产生高压气体，随着用气量的不停变化，空气压缩机通过不断地卸载和加载维持用气量和供气量之间的平衡。其中加载工作时间为100s，加载时电动机的工作电流为265A，卸载时间为600s，卸载电动机的工作电流为98A，运行时间为24h。

原有空气压缩机的运行方式为星三角降压启动，其工作过程：按下启动按钮，控制系统接通启动器线圈并打开断油阀，空气压缩机在卸载模式下启动，这时进气阀处于关闭位置，而放气阀打开以排放油气分离器内的压力。等降压启动后空气压缩机开始加载运行，系统压力开始上升，如果系统压力上升到压力开关上限值，即起跳压力，控制器关闭进气阀，油气分离器放气，压缩机空载运行，直到系统压力跌到下限值后，即回跳压力下，控制器打开进气阀，油气分离器关闭放气阀，空气压缩机重新开始满载运行。

1.2 压缩机系统能耗分析

空气压缩机采用加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在Pmin～Pmax之间来回变化。Pmin为最低压力值，即能够保证用户正常工作的最低压力；Pmax为用气设备或者储气罐最大安全压力值（为了安全，有一定的富裕量）。一般情况下，Pmax～Pmin之间的关系为

Pmax=（1+δ）Pmin

式中：δ是一个百分数，其数值为10%～25%。空气压缩机属于恒转矩负载，用变频调速的方法调整供气量可使电动机的输出功率基本与转速（供气量）成正比关系。如果连续调节供气量，则可将储气罐压力始终维持在能满足供气的工作压力上，即Pmin附近。由此可知，在加、卸载供气控制方式下的空气压缩机较之变频调速系统控制下的空气压缩机，所浪费的能量主要在以下2个部分：

（1）压缩空气压力超过最佳工作压力Pmin附近所消耗的能量。

（2）在压力达到最佳工作压力后，原控制方式使其压力会继续上升（直到Pmax）。这一过程中压缩机将会向外界释放更多的热量，从而导致能量损失。另一方面，高于Pmin的气体在进入气动元件前，其压力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。

1.3卸载时调节方法不合理所消耗的能量分析通常情况下，当压力达到Pmax时，空气压缩机通过如下方法降压卸载：关闭进气阀使电动机处于空转状态，这种调节方法将造成很大的能量浪費。

关闭进气阀使电动机空转虽然可以使空气压缩机不需要再压缩气体作功，但空气压缩机在空转中还是要带动螺杆做回转运动，据测算，空气压缩机卸载时的能耗约占空气压缩机满载运行时的35%～45%（这还是在卸载时间所占比例不大的情况下）。换言之，该空气压缩机20%以上的时间处于空载状态，在作无用功。很明显，在加、卸载供气控制方式下，空气压缩机电动机存在很大的节能空间。

1.4 节能原理

供电电源的频率、产生气体的流量与电动机的转速n成正比，空气压缩机产生的风压力H与电动机转速n的平方成正比，电动机轴功率P与转速n的立方成正比。所以，当电动机的转速降低时，空气压缩机电动机轴功率成立方关系下降，节能效果非常显著。

2 节能控制系统的硬件设计

针对原有的空气压缩机供气控制方式存在的诸多问题，经过对空气压缩机运行状况的现场测定，笔者介绍一种采用基于变频调速技术的空气压缩机恒压供气节能控制系统的设计方案。该控制系统将储气罐压力作为控制对象，压力变送器YB将储气罐的压力P转变为电信号送给PID智能调节器，与压力设定值P0作比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生的控制信号送变频调速器VVVF，通过变频器控制电动机的工作频率与转速，从而使实际压力P始终接近设定压力P0。同时，该控制系统还增加工频与变频切换功能，并保留原有的控制和保护系统，且接入三相电度表来对比节能效果。另外，该控制系统采用变频器启动空气压缩机电动机，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。

3 节能控制系统的软件设计

该控制系统的软件设计主要是PLC的PID程序设计。系统PLC采用西门子公司的S7-200系列的CPU224型PLC。模数扩展模块EM235将设定好的压力与压力变送器测量到的压力进行比较，经PLC内置PID调节器计算出输出信号，用以控制变频器的输出频率，使得供气压力维持在给定压力值附近；再通过给定压力和压力反馈比较，得到被控量气压和期望值的偏差；该偏差经内置PID调节器计算出变频器输出的控制异步电动机转速的交流电频率值，由变频器输出相应频率的交流电，控制异步电动机的转速，直到管路压力和设定压力相同。这样得到的气压相对恒定，且波动比较小。S7-200系列PLC中的CPU224提供了PID运算指令，应用时与PLC配套的STEP7-Micro/Win编程软件通过梯形图设定PID控制参数后，执行指令PIDTABLE、LOOP即可完成PID运算。该控制系统PLC的PID程序流程如图3所示。

4 节能控制系统的经济效益

在不改变原有的设备和工艺技术条件下，增加一个空气压缩机恒压供气节能控制系统，将原有的控制系统作为旁路。空气压缩机通常是24h运行，节电投资回报周期=投资总额/月节约电费，具体数据如下：

月节约电费=电动机功率×负载率×每天工作时间×每月工作时间×电费单价×节电率=132×0.9×24×20×0.60×25%=8553.6

可见，采用空气压缩机恒压供气节能控制系统1年可节约电费102643.2元，节电效果非常明显。

5 结语

本文在分析空气压缩机工作原理的基础上，着重介绍了一种基于变频调速技术的空气压缩机恒压供气节能控制系统。实际应用表明，该控制系统可节约电能、提高控制性能、减小节流损失、延长设备使用寿命、降低维修费用，具有一定的实用价值。

参考文献：

[1]杨公源.常用变频器应用实例[M].北京：电子工业出版社，2006：179～232.

[2]林渊辉.空气压缩机恒压供气系统[J].能源技术，2006（3）：59～61.