关于螺杆式空压机变频节能改造研究

2020-11-25王振波宁德新能源科技有限公司

数码世界 2020年4期

王振波宁德新能源科技有限公司

空压机是一种通过将气体进行压缩获得压力的设备，利用电能实现运转，主要应用在纺织、电力、冶金、机械制造、医药、矿山等领域。空压机在工业发展中属于基础设备，承担着为工厂气动元件提供能源的任务。然而在空压机实际应用过程中，能量消耗比较大，有研究表明，在所有大型工业设备中，空压机的耗电量能够达到15%左右。为了节约能源，提升经济效益，必须针对空压机进行节能改造。本文以螺杆式空压机为例，针对其利用变频技术改进实现节能改造的原理和方法进行分析，希望能够为相关的工作者提供一定的参考借鉴。

一、螺杆式空压机的工作原理

现如今，空压机通常是通过上下限控制或启停式控制方式进行控制，当压力逐渐下降到设定好的下限以后，空压机就会打开设备的进气阀，令空气进入。空压机保持正常工作状态的时候，储气罐会对空气进行压缩，主控制板对各个部分和整体进行控制。若是出口压力超过上限设定值，那么进气阀会受到控制而关闭，内循环系统打开实行内循环，用气的部分能够正常用气。传统的控制方式对于机器本身和电网都比较容易产生冲击，若是用气量波动比较明显，那么冲击就更加严重。

二、螺杆式空压机的能耗分析

螺杆式空压机作为机械设备应用，为生产提供具有一定压力的气体，现如今该设备应用非常广泛，而且需要常年坚持工作。作为大功率设备的一种，空压机需要耗费大量的能源，通过研究能够发现，虽然空压机消耗了大量的能源，但是实际应用效率却只能达到50%-70%左右，分析其原因，是因为：用气单位是变化的，而且是间断性的，不会一直用气，所以螺杆式空压机运转的时候会长时间处于低负荷状态，效率自然会下降；螺杆式空压机保持恒速运转，但是实际上气量需求不是恒定的，所以压缩机组处于空转的状态比较频繁，这就导致了较大的能源浪费；螺杆式空压机本身设计方面也有缺陷，电动机传动方面的设计就不是非常合理，进而压缩机内部的各个零部件受到的力是不均衡的，电动机传动的时候会产生不必要的摩擦阻力，进而增加能耗。

所以，螺杆式空压机想要进行节能改造，需要从两个方面开展，第一就是机械系统改造，例如优化管道系统，减少摩擦力，进而降低能耗，再如冷却系统改造，因为螺杆空压机大多数时间需要在额定功率下运转，整个过程中气量始终低于额定气量，产生的热负荷也不会超过额定负荷，如果采用定速风扇进行冷却，那么就会导致过度冷却的情况，进而会因为冷却过度造成凝水，诱发油乳化现象，所以空压机改造需要对冷却系统进行节能改造，据调查研究改造冷却系统以后能够至少减低30%的能耗；第二就是控制调节系统改造，通过更为科学合理的方式对流量进行调节，也就是利用变频调速技术控制空压机组的负载变化，进而控制电机的转速，达成控制电机输出功率和空压机输入功率的目标。最终目的是令空压机的制风量和实际需求相匹配，提升空压机的工作效率，降低能源消耗。

三、螺杆式空压机的变频节能改造

（一）设定变频机工作频率

螺杆式空压机在工作之前，需要对工作领域的频率设定最高值和最低值，通过研究发现，若是频率在额定功率的20%以下，那么整个系统的工作效率会大幅度下降。电机长时间维持在额定功率20%的状态，空压机会因为恒转矩特征，工作电流始终保持额定电流。所以，螺杆式空压机设定工作频率的时候，需要将其设定在额定频率的20%-100%之间，若是空压机的功率超过75kW，那么频率范围需要控制在额定频率的30%-100%之间。

（二）变频节能改造

变频调速的最终控制目标是压缩机中被压缩空气的输出压力，整个闭环恒压控制体系的组成包括电动机、PLC、压力传感器、变压器，操作面板上可以直接设定工作压力值，实际压力则通过压力传感器感知，感知到的压力会变成电流信号传递给变频器，变频器内部的PID 会进行比较计算，进而对输出频率进行调整，同时调整电机的转速，最终完成对电机输出功率的调整。所以，只要能够调整电机的转速，就能够调整电机的功率，进而也能调整空压机的输入功率，保证制风量和需风量一致，实现恒压供气，达成节能的目标。实际运行过程中，就是利用需风量调整电机的转速，进而实现节能降耗的目标。

（三）空压机改造后的特性

螺杆式空压机进行变频改造以后，能够达成节能降耗的目的，同时也为整个生产带来了诸多有益之处，具体包括下列几点：

第一，改造以后的空压机能够通过特殊设计设定参数，保证以往出现的常见故障例如突发喷油、轴承温度过高、机组共振、谐波干扰等不再出现，进而空压机能够在实际应用中安全稳定的运行。

第二，改造以后的控制系统能够实时跟踪系统的压力，利用设计好的算法进行电机转速调节，保证输出压力稳定。机组的整个运行状态都能够得到优化，进而提升机组的加载率，保证大多数时间机组能够在加载状态下运行，延长进气系统和主机的使用时间。

第三，空压机输出的气压会更加稳定，机组压力值会因此减低，即使设置的压力过高，也不会造成不必要的能源消耗。

第四，电动机启动能够真正实现软启动，启动电流能够控制在额定电流之内，不会超过额定电流值，避免机械元件和电气元件找到强大的冲击，降低机组的维护成本。

第五，空压机的散热系统能够参考油温的状态和曲线控制，避免因为润滑油中水量的变化导致压缩机冷却效率受到不良影响，同时也能保证机组的使用年限。

第六，对比全速运转的机组，能够调节转速的电机能够降低空压机使用中产生的噪音，同时卸载时间能够缩短，卸载产生的放空噪音也能够因此得到减低。

第七，改造以后的空压机耐高温性能更好，即便空气温度达到50℃也能够正常运转。

第八，机组本身能够进行自我诊断和安全防护，保证机组的供气安全。

四、螺杆式空压机变频节能改造的注意事项

螺杆式空压机在进行节能变频改造过程中，需要对下述几项内容进行特别关注：空压机本身启动的时候具有大转动惯量负载的特征，容易造成启动时跳过流保护，所以为了保证空压机能够恒压供气，设备稳定运行，需要选择高启动转矩的无速度矢量变频器，避免启动的时候出现频繁跳闸情况，变频器功率需要选择大于空压机一级的型号；空压机运行不能够长时间保持低频状态，所以下限频率需要设定在28Hz 以上，避免因为转速过低造成螺杆损坏；为了过滤变频器输出电流中产生的高次谐波，可以选用电抗器和电容滤波器，减少电磁干扰，降低电机产生的噪音；为了保证正常生产，需要设置两套控制回路，变频回路出现问题，工频回路能够正常运转；润滑油的温度如果过低会导致油汽分离出现异常，所以润滑油的温度需要保持在70-95℃之间，避免润滑油进入过多水汽造成气罐底积水。