螺杆式空压机变频改造节能应用分析

目前在我国各工矿企业运行着大量的螺杆空气压缩机，而这些设备往往都是企业的耗电大户。根据我们对设计院所的了解和对用户的实际调查，这些大功率的耗能系统实际运行效率普遍较低，总体仅为50%～70%左右，这主要是由于两个方面的原因造成的：

1、设计院所和用户在选型时往往考虑较大裕量，一般都在30%以上，这就使螺杆空压机实际运行时经常处于关闭进气的低负荷运行状态，从而降低了运行效率；
2、普通螺杆空气压缩机都是处于恒速运转状态，而实际生产中的气量需求却经常处于变动状态，当用户用气量减小时，压缩机组只能通过全部或部分关闭进气来进行调节，这样，压缩机组就会经常处于空运转、部分负荷(高压比状态)和满负荷交替运行的低效率状态，从而造成大量的能源浪费。因此，螺杆空气压缩机的运行节能问题主要表现为排气量的调节问题，而压缩机的排气量与压缩机的转速成正比关系，所以，归根到底螺杆空气压缩机的节能问题就是压缩机所配电机的调速问题。目前，中小型交流异步电机的最佳调速方式为变频调速方式。

一、普通螺杆空压缩机运行分析

螺杆空压机是由一对相互平行啮合的阴阳转子在机体内做相对高速旋转运动，使阴阳转子齿槽和机体之间形成的呈“V”字形的一对齿间容积随转子的回转不断地产生周期性的容积变化，空气则沿着转子轴线方向由吸入端输送至输出端，实现螺杆空压机的吸气、压缩和排气的全过程。对于一台空压机来说，在其设计范围内，其排气量和转速成线性正比关系。当转速上升，排量增加；当转速下降，排量减少；普通螺杆空气压缩机都只能是恒速运行，而由于最初设计选型时较大的气量裕量及实际生产中的气量需求却经常处于变动状态，使得当用户用气量小于额定排气量时，空压机的供气压力将会上升，当压力上升至用户设定压力以上某一压力值时〔通常是ps+Δp；其中ps为用户设定工作压力，Δp为差动压力，一般情况下Δp≥ps × 10%〕控制器会关闭，进气阀以停止压力继续上升，这时电机系统基本处于空载状态；在进入空载状态后，由于用户仍在用气，空压机的供气压力将会下降，其下降和再次上升速度取决于以下两个因素：

1、用户实际用气量Q2与空压机的额定排气量Q1的比值。用λ表示此值，即λ=Q2/Q1（0<λ≤1），λ越小压力下降的速度越慢，同时也表示空压机在空载状态运行的时间越长；λ越大压力下降的速率越快，表示空压机在进入空载状态后会很快重新进入负载运行状态；当λ=1时，系统将不会出现空载和负载交替出现的状态，而一直处于满负荷运行状态。
3、用户为空压机配套的储气罐容积和输气管路直径及长度。储气罐容积越大，供气压力下降和再次上升的速率越慢，空压机由负载状态转为空载状态的频率也越低，从而降低了空压机因频繁满载和空载转换所带来的额外功率损耗。但这并不根本能消除由于气量供需不平衡所造成的附加功率损耗。

图1 λ = 0.7，Q₀= 10Q₁

图1给出了λ = 0.7，Q₀= 10Q₁时空压机的功耗和压力变化关系趋势图。式中Q₀为空压机配套的储气罐容积，p_s为满足用户需要的最低压力，Nz₁为空压机供气压力在 p_s时恒速运行的功耗，p_s +Δ_p为空压机运行的最高压力，其中Δ_p为压力控制器的差动压力，Nz₁+ΔNz为空压机在供气压力为p_s+Δ_p时的功耗，Nz₂ 为空压机在空载时恒速运行的功耗。从图1中可以看到，当压力由a点上升到b点，空压机的功耗由Nz₁上升到Nz₁+ΔNz，显然空压机功耗的增加是由于Q₂和Q₁不相等造成供气压力上升所造成的，这可以从公式Nz=Mτ×n/973.2得到证明，式中Nz表示空压机轴功率，Mτ表示空压机转矩，n表示空压机转速。当压力上升时 , 由于转矩和压力成正比关系 , 空压机转矩也随之上升 , 从而导致空压机轴功率上升 ; 当压力上升到b点后，压力控制器触发电磁阀关闭空压机进气，这时空压机进入空载状态运行，其功耗为Nz₂ ，同时供气压力也开始下降，在供气压力下降到C点之前，空压机一直维持在功耗为Nz₂的空载运行状态；当压力下降到C点后，压力控制器触发电磁阀打开空压机进气，空压机重新进入压力上升阶段，如此循环往复。

图2 λ = 0.7，Q₀= 12Q₁

图 2给出了λ=0.7，Q₀=12Q₁时空压机的功耗和压力变化关系趋势图。将图1和图 2 对比后可以看出，加大了储气罐容积后，压力和功耗的总变化趋势并没有变化，只是加大了负载状态和空载状态的交替周期。

通过以上分析，我们可以得出结论：普通螺杆空压机大多在用户最低需求压力之上的负载状态和关闭进气的空载状态之间交替运行，而此两种运行状态并不是压缩机高效经济运行状态，前者由于排气压力上升导致转矩增加，从而消耗了过多的功率，后者属于空载运行浪费了太多的功率。

二、变频螺杆空压机运行分析

我们知道，交流异步电动机的转速和电源频率之间遵循这样的关系
n = 60 ×f / p ×( 1 - s)
式中 f ——电源频率
p——电动机绕组的极对数
s——电动机的转差率

对于一台交流异步电动机来说p为定值，s基本不变，所以n和f构成线性关系，改变电源频率f即可改变电动机的转速，。螺杆空压机的排气量与转速成正比，所以我们可以得到这样的关系

Q_f = Q_e×n_f/n_e
式中　 Q_f ——变频状态下的排气量
Q_e——额定频率状态下的排气量
n_f——变频状态下的转速
n_e——额定频率状态下的转速

可见，通过改变电源的频率可以改变空压机主电机的运行转速，进而改变空压机的排气量。变频螺杆空压机正是基于这一原理。所谓变频螺杆空压机，就是通过调节压缩机主电机的运行频率来实现排气量改变的螺杆空压机。

图3 λ = 0.7，Q₀= 10Q₁

目前，变频螺杆空压机的运行频率大多是由变频器根据用户设定的期望压力和供气端反馈的实时压力的差值进行自动调节。当供气端反馈的实时压力超过用户设定的期望压力时，变频器减小输出频率，反之，则增大输出频率；而当供气端反馈的实时压力等于用户设定的期望压力时，变频器维持当前输出频率。图3给出了λ = 0.7，Q₀ = 10Q₁ 时变频螺杆空压机的供气压力和变频器输出频率变化关系趋势图。从图3中可以看到，变频螺杆空压机起动后其输出频率平稳上升至额定频率f_e（软起动方式，起动时间t₀可调），然后维持额定频率运行，供气压力也随之上升，当压力上升到用户设定的期望压力p_s时（t1），空压机输出频率开始下降，由于惯性压力还会有一点超调量Δ_p，通常 Δ_p<5%p_s。随着输出频率继续下降，空压机的供气量也随之下降，供气压力最终降至期望压力p_s处，这时输出频率也维持相对稳定状态。在变频螺杆空压机的运行中，一旦出现供气量发生变化导致供气压力变化时，变频器会立即调节输出频率使供气压力维持在p_s处。总之，对于变频螺杆空压机来说，除非它的供气量是绝对不变的，否则其运行过程就是一个动态平衡过程，就是系统的输出频率在上限和下限频率之间不断地变化以寻求气量供需平衡的过程。

三、变频改造的经济分析

普通螺杆空压机进行变频改造后，按照生产所需要的供气压力决定主电机转速，按排气温度的要求确定风扇电机转速，即需要多大的功率电机就输出多大的功率，而不必做无用功，达到节能目的。另外空压机停止了空转，从而消除了空载损耗。从实际改造的效果来看，改造后节电率平均可达10% ～ 25%。以一台132kW的普通螺杆压缩机为例，每天工作8h，每月工作25天，电费为0.6元/kWh，假设其改造后节电率为20%，进行变频改造后每月节约电费 132 × 8 × 25 × 0.6 × 20% = 3168 元，每年节约 38016 元。设备一次性投资通常可以在四年到五年的运行中全部收回。同时，通过变频改造还带来了其他的益处：

1、排气压力稳定，排气温度基本为恒温，气源品质大为提高；
2、压缩机油的寿命大为提高，减少换油次数；
3、空压机进气阀的开闭次数大为减少，其寿命显著提高；
4、电机实现软启动，消除了电气及机械冲击，压缩机的使用寿命及检修周期都将得到大大延长；
5、绝大多数情况下，机组的运行噪声明显降低。

四、变频改造的技术方案

1、变频器上下限频率的确定
如何确定变频螺杆空压机的输出频率范围，即上限频率和下限频率，从我们的试验数据来看，当频率低于额定频率30%时，系统的效率明显下降。再从电机运行特性来看，由于压缩机的恒转矩特性，当电机在额定频率30%以下运行时，其工作电流依然会维持在额定电流附近，甚至更大，又由于普通异步电机的冷却方式都为自冷式，因此在额定频率30%以下长期运行时电机的散热又是一个不容忽视的问题。综合压缩机和电机两方面的因素，我们认为：75kW以下的变频螺杆空压机的输出频率调节范围在额定频率 50% ～ 100%之间较为合理和可行；75kW及以上的变频螺杆空压机的输出频率调节范围在额定频率 60% ～ 100%之间较为合理和可行。

2、变频改造具体控制要点
普通螺杆空压机进行变频改造时可以从以下几个方面考虑：

1）在变频器的选择上，应优先选择矢量型或直接转矩型变频器，这主要是由压缩机的转矩特性决定的
2）参考普通螺杆压缩机的轴功率，选择变频器容量略大于压缩机的轴功率
3）对于 132 kW 及以上的普通螺杆压缩机改造时，一般应在变频器输出端加入电抗器以改善电机的运行状态
4）选择一款能够抵抗较强电磁干扰的压力变送器，与主变频器构成压力闭环控制
5）系统应配置PLC和人机界面以提高系统的智能运行管理水平
6）除以上各条外，在改造方案中应充分考虑抗干扰问题，这一点尤为重要。

五、结束语
压缩机、风机和泵类等流体设备采用变频调节技术实现节能运行是我国节能减排的一项重点推广技术，受到我国政府的高度重视，《中华人民共和国节约能源法》第31条就明确提出，“国家鼓励工业企业采用 …… 先进的用能监测和控制等技术”。实践证明，变频技术用于压缩机、风机和泵类等流体设备，既提高了效率降低了能耗，又提高了生产工艺水平，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，直接和间接经济效益十分明显。因此，有条件的地方应积极推广此项技术。

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