空壓機(jī)變頻改造節(jié)能技術(shù)的研究與應(yīng)用

梁艷娟

（廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530001）

0 引言

空壓機(jī)是工廠里最重要的機(jī)器設(shè)備之一?？諌簷C(jī)供氣領(lǐng)域能否應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，在節(jié)省電能的同時(shí)改善空壓機(jī)性能，提高供氣品質(zhì)，降低生產(chǎn)設(shè)備的故障率，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命備受社會(huì)各界關(guān)注。只有解決節(jié)能這一全球性問(wèn)題，才能提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。為節(jié)約能源，對(duì)企業(yè)中原有的工頻空壓機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，將變頻調(diào)速技術(shù)引入空壓機(jī)領(lǐng)域，嘗試用變頻控制取代原有控制模式，是近年來(lái)各企業(yè)爭(zhēng)相研究的重要課題。目前企業(yè)中工頻空壓機(jī)的運(yùn)用仍非常普遍，空壓機(jī)變頻改造市場(chǎng)非常巨大。

1 空壓機(jī)概況

空壓機(jī)，是一種利用電動(dòng)機(jī)將氣體在壓縮腔內(nèi)進(jìn)行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設(shè)備，簡(jiǎn)單地說(shuō)空壓機(jī)就是一種提供壓縮空氣的機(jī)器，擔(dān)負(fù)著為工廠所有氣動(dòng)部件提供氣源的職責(zé)，它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的許多部門(mén)中應(yīng)用極廣，特別是在紡織、化工、動(dòng)力等工業(yè)領(lǐng)域中已成為必不可少的關(guān)鍵、核心設(shè)備，尤其是螺桿式的空氣空壓機(jī)幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域都在廣泛應(yīng)用，成為壓縮空氣的主流產(chǎn)品。

空壓機(jī)發(fā)展至今，其機(jī)械結(jié)構(gòu)方面原理是成熟的，但大部分空壓機(jī)自身仍存在著明顯的技術(shù)弱點(diǎn)，如：傳統(tǒng)的空壓機(jī)供氣控制方式幾乎全部是采用加載、卸載的控制方式，由于頻繁加、減載，電動(dòng)機(jī)在工頻啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)功率大，啟動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)的沖擊大，工作條件惡劣，設(shè)備壽命短，調(diào)節(jié)速度慢，自動(dòng)化程度低等。且據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)電能的60%是被各行各業(yè)中廣泛使用的大型工業(yè)設(shè)備(風(fēng)機(jī)、水泵、鍋爐、空壓機(jī)等)所消耗，而空壓機(jī)則占了60%耗電量中的15%左右。另?yè)?jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)調(diào)查，空氣壓縮系統(tǒng)在五年的總成本中，運(yùn)轉(zhuǎn)能源消耗費(fèi)用占約79%，壓縮系統(tǒng)初期購(gòu)置費(fèi)用僅占總成本的約12%，因而只有設(shè)法最大限度地降低空壓機(jī)高額的運(yùn)轉(zhuǎn)能源消耗費(fèi)用，才能從根本上降低企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

2 空氣機(jī)變頻改造的必要性

2.1 空壓機(jī)工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行的比較

空壓機(jī)電機(jī)功率一般較大，啟動(dòng)方式多采用空載（卸載）星—三角啟動(dòng)，加載和卸載方式都為瞬時(shí)。這使得空壓機(jī)在啟動(dòng)時(shí)會(huì)有較大的啟動(dòng)電流（4～7倍），加載和卸載時(shí)對(duì)設(shè)備機(jī)械沖擊較大；不光引起電源電壓波動(dòng)，也會(huì)使壓縮氣源產(chǎn)生較大的波動(dòng)；同時(shí)這種運(yùn)行方式還會(huì)加速設(shè)備的磨損，降低設(shè)備的使用年限。由于一般空氣壓縮機(jī)的拖動(dòng)電機(jī)本身不能調(diào)速，因此就不能直接使用壓力或流量的變動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)降速調(diào)節(jié)輸出功率的匹配，電機(jī)不允許頻繁啟動(dòng)，導(dǎo)致在用氣量少的時(shí)候電機(jī)仍然要空載運(yùn)行，電能浪費(fèi)巨大。變頻調(diào)速技術(shù)具有顯著的節(jié)電效果以及優(yōu)良的調(diào)速性能，且適用性廣，安全可靠性強(qiáng)，足以延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，如若對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造，能夠使電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟起軟停，減小啟動(dòng)沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備使用年限；同時(shí)由于電機(jī)運(yùn)行頻率可變，實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)根據(jù)用氣量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少了電機(jī)頻繁的加載和卸載，從而較大幅度減小電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率，使得供氣系統(tǒng)氣壓維持恒定，便可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

2.2 一臺(tái)空壓機(jī)五年各項(xiàng)費(fèi)用比例

以某企業(yè)一臺(tái) Atlas (阿特拉斯)ZR160空壓機(jī)五年費(fèi)用為例，經(jīng)調(diào)研得知：

空壓機(jī)五年各項(xiàng)費(fèi)用比例大致如下：

購(gòu)置費(fèi)用占 12%

安裝費(fèi)用占 2%

維護(hù)費(fèi)用占 7%

用電費(fèi)用占 79%

在以上各項(xiàng)費(fèi)用中，用電費(fèi)用占了79%，可見(jiàn)，只有將普通空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造，把空壓機(jī)的用電費(fèi)用降下來(lái)，才能從根本上降低企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

2.3 空氣機(jī)變頻改造的優(yōu)點(diǎn)及實(shí)際意義

空氣機(jī)經(jīng)變頻改造，可節(jié)約能源，提高供氣量，降低運(yùn)行成本，提高壓力控制精度，延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命，降低空壓機(jī)的噪音，并提高功率因數(shù)，最大限度地降低空壓機(jī)高額的運(yùn)轉(zhuǎn)能源消耗費(fèi)用，從根本上降低企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，從而提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

3 空壓機(jī)變頻改造方案設(shè)計(jì)原則

根據(jù)原工況存在的問(wèn)題并結(jié)合生產(chǎn)工藝要求，空壓機(jī)變頻改造后系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：

1）電機(jī)變頻運(yùn)行狀態(tài)保持儲(chǔ)氣罐出口壓力穩(wěn)定，壓力波動(dòng)范圍不能超過(guò)±0.02Mpa。

2）系統(tǒng)應(yīng)具有變頻和工頻兩套控制回路。如一套線路出現(xiàn)故障，自動(dòng)切換到另一線路，不影響生產(chǎn)。

3）根據(jù)空壓機(jī)的工況要求，系統(tǒng)應(yīng)保障電動(dòng)機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行特性。

4）為了防止非正弦波干擾空壓機(jī)控制器，變頻器輸入端應(yīng)有抑制電磁干擾的有效措施。

5）在用電氣量小的情況下，變頻器處在低頻運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保障電機(jī)繞組溫度和電機(jī)的噪音不超過(guò)允許的范圍。

6）根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，變頻改造后，適當(dāng)降低壓縮氣供氣系統(tǒng)的供氣壓力，將原來(lái)的高壓變流量供氣改變?yōu)樽冾l恒壓變流量供氣方式。

4 空壓機(jī)變頻節(jié)能改造實(shí)例

4.1 改造前系統(tǒng)現(xiàn)狀

某公司現(xiàn)有二臺(tái)阿特拉斯? 科普柯 ZR160 無(wú)油空氣壓縮機(jī)，使用狀況為一用一備。

目前的用氣量為不到兩臺(tái)機(jī)的排氣量，這就使其中一臺(tái)機(jī)大部分時(shí)間處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，造成能量的浪費(fèi)。

此兩臺(tái)機(jī)為普通空壓機(jī)，其馬達(dá)轉(zhuǎn)速始終保持在額定轉(zhuǎn)速 1485 轉(zhuǎn)/min，不具備根據(jù)耗氣量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)改變排氣量以達(dá)到節(jié)能目的。

4.2 改造的目標(biāo)與任務(wù)

通過(guò)變頻改造，使空壓機(jī)達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。

4.3 變頻節(jié)能原理

4.3.1 變頻調(diào)速原理

根據(jù)交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電源頻率之間遵循的關(guān)系:

轉(zhuǎn)速n=60 f/p×(1-s))

式中，f為電源頻率，s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率，P為電動(dòng)機(jī)繞組的極對(duì)數(shù)。

當(dāng)P和s確定后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，所以改變電源頻率即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速n，從而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。

4.3.2 變頻器節(jié)能原理

負(fù)載所需的功率和它的轉(zhuǎn)速有一定關(guān)系，電機(jī)的軸功率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速三次方成正比，所以，電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)所需的功率也明顯下降，即達(dá)到了節(jié)能的目的。

空壓機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即轉(zhuǎn)矩在不同速度下是相同的，但所需功率也和速度成正比關(guān)系，所以當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)所需功率也隨之下降，從而達(dá)到節(jié)能目的。

4.3.3 普通空壓機(jī)的電能損失

普通空壓機(jī)的工作狀態(tài)主要有兩種，一種是加載狀態(tài)，一種是空載狀態(tài)。加載狀態(tài)時(shí)，空壓機(jī)進(jìn)氣閥打開(kāi)，吸入自由空氣，輸出壓縮空氣，滿足生產(chǎn)的需要；空載狀態(tài)時(shí)，空壓機(jī)進(jìn)氣閥關(guān)閉，并停止輸出壓縮空氣，空壓機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)?？辙D(zhuǎn)時(shí)電機(jī)克服機(jī)械阻力，需消耗額定功率的 30%左右，所以一臺(tái) 160KW 的 ZR160 空壓機(jī)的空載功率為 48KW。

普通空壓機(jī)的壓力控制是上下限控制，空壓機(jī)的功率消耗和輸出壓力成正比，輸出的壓力越高消耗的功率也越大，從輸出壓力的下限到上限的1 巴的壓差將消耗總功率的 7-10%。一臺(tái) 160KW的 ZR160 空壓機(jī)就要多消耗功率約 16 千瓦。

在一個(gè)空壓系統(tǒng)中，如果有多臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)運(yùn)行，每臺(tái)空壓機(jī)的輸出壓力都將隨著管網(wǎng)的壓力波動(dòng)而在上下限之間波動(dòng)，所以每臺(tái)機(jī)都將多消耗 7-10%的額定功率。

4.3.4 變頻空壓機(jī)的節(jié)能原理

變頻空壓機(jī)的壓力設(shè)定可以是一個(gè)點(diǎn)，即可以將滿足生產(chǎn)設(shè)備要求的最低壓力作為設(shè)定壓力，變頻空壓機(jī)將根據(jù)管網(wǎng)壓力上下波動(dòng)的趨勢(shì)，調(diào)節(jié)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢，控制壓縮空氣輸出量的多少，從而達(dá)到穩(wěn)定管網(wǎng)壓力，滿足生產(chǎn)要求。這樣就減少甚至消除空壓機(jī)的卸載運(yùn)行，節(jié)約了電能。另：變頻空壓機(jī)本身的啟動(dòng)平穩(wěn)，沒(méi)有大電流的沖擊，也減少了啟動(dòng)時(shí)的電能浪費(fèi)。

4.4 節(jié)能改造效益

4.4.1 節(jié)電效果計(jì)算

如：經(jīng)實(shí)際調(diào)研，某企業(yè)2009年度空壓機(jī)的運(yùn)行時(shí)間及狀況如下：

?

空壓機(jī)的平均加載率為：64.7%

空壓機(jī)的平均空載率為：35.3%

每年節(jié)電可用下列兩公式計(jì)算：

空載消耗電能=每年運(yùn)行時(shí)間×卸載功率×1.2

加載時(shí)壓力波動(dòng)浪費(fèi)電能 = 每年運(yùn)行時(shí)間×電機(jī)功率×7%

每年按運(yùn)行兩臺(tái) ZR160 空壓機(jī)計(jì)算

空載消耗電能=(1210+2350)×48×1.2=205056 度

加載時(shí)壓力波動(dòng)浪費(fèi)電能 =(3510+3220)×160×7% =75376 度

總計(jì)每年節(jié)電：280432 （度）

4.4.2 實(shí)際用電計(jì)算

經(jīng)調(diào)研，該企業(yè)2009年1月份到 2009年 12月份共計(jì) 12個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行記錄如下：

?

統(tǒng)計(jì)出該企業(yè)空壓站兩臺(tái)ZR160 空壓機(jī)實(shí)際用電總計(jì)927072（度）。

變頻改造后（企業(yè)生產(chǎn)情況和上年度比變化不大的情況下）

空壓站節(jié)電率可達(dá)到 280432÷927020×100%=30.25%。

若按每度電為人民幣 0.65 元計(jì)，則改造后空壓機(jī)每年節(jié)電280423度，折合人民幣：182,275.00 元。

每年平均節(jié)約電費(fèi)為：182,275.00 元，每月平均節(jié)約電費(fèi)為：15,190.00 元

可見(jiàn)變頻改造后節(jié)電效果是極為顯著的。

4.5 具體改造方案

4.5.1 空壓站達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行配置條件

如果空壓站中都是相同型號(hào)的空壓機(jī)，那么只需配置一臺(tái)變頻空壓機(jī)，也就是將一臺(tái)空壓機(jī)改造成變頻機(jī)，并同其它的普通空壓機(jī)配合使用即可達(dá)到節(jié)電的目的。當(dāng)生產(chǎn)所需的耗氣量少于一臺(tái)機(jī)的產(chǎn)氣量，只需要運(yùn)行變頻空壓機(jī)供氣，如果耗氣量多于一臺(tái)機(jī)的產(chǎn)氣量，就需要啟動(dòng)普通空壓機(jī)，并使其一直加載運(yùn)行，同變頻空壓機(jī)配合使用；變頻機(jī)仍將隨著耗氣量的變化來(lái)調(diào)節(jié)排氣量，達(dá)到節(jié)電的目的。

4.5.2 控制方式

將一臺(tái)空壓機(jī)改造即可以變頻方式運(yùn)行，也可在變頻器出現(xiàn)故障時(shí)手動(dòng)切換為原有方式運(yùn)行。

空壓機(jī)的運(yùn)行控制仍然由空壓機(jī)的本機(jī)電腦控制，原有的保護(hù)功能、加卸載方式不變。

空壓機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，由安裝在儲(chǔ)氣罐上的壓力變送器將電壓信號(hào)傳送給變頻器，變頻器根據(jù)氣壓變化的趨勢(shì)改變輸出頻率控制空壓機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

空壓機(jī)本機(jī)電腦的控制參數(shù)的設(shè)定必須和變頻器控制參數(shù)的設(shè)定相協(xié)調(diào)，否則將達(dá)不到節(jié)電目的或節(jié)電效果不理想，還可能對(duì)空壓機(jī)的機(jī)械方面造成不利影響。

另兩臺(tái)機(jī)可自動(dòng)根據(jù)管網(wǎng)壓力變化決定是否啟動(dòng)運(yùn)行，啟動(dòng)方式保持原有人工啟動(dòng)方式。

4.5.3 操作方式

改造后的空壓機(jī)操作，仍然保持在本機(jī)電腦上操作，開(kāi)機(jī)、停機(jī)以及各種運(yùn)行參數(shù)的查看都在本機(jī)電腦上。

如果要修改設(shè)定的工作壓力，則必須在本機(jī)電腦和變頻器上同時(shí)修改。

如果要將變頻空壓機(jī)切換回原有方式運(yùn)行，則需人工手動(dòng)的方式在控制電柜上進(jìn)行切換。

4.6 改造具體項(xiàng)目

為了減少變頻器的協(xié)波對(duì)電源及設(shè)備的影響需加裝輸入及輸出濾波器。

用 atlas copco 的專用變頻機(jī)軟件修改現(xiàn)有電腦控制程序，并增加主電機(jī)的溫度保護(hù)及反轉(zhuǎn)保護(hù)功能。

主電機(jī)的過(guò)載保護(hù)改由變頻器擔(dān)當(dāng)。

改裝主電機(jī)冷卻風(fēng)扇，以保持電機(jī)良好的冷卻，使電機(jī)線圈溫度不超過(guò) 95℃， 電機(jī)表面溫度不超過(guò) 80℃。

選用矢量型變頻器，并且能夠和 atlas copco的變頻空壓機(jī)電腦軟件配合。

根據(jù)空壓機(jī)目前的加載率，變頻器的輸出頻率可設(shè)定在最高 50Hz 最低 25 Hz。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，變頻調(diào)速技術(shù)在應(yīng)用中所取得的節(jié)能效果是顯而易見(jiàn)的。變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)電效果、優(yōu)良的調(diào)速性能以及廣泛的適用性、系統(tǒng)的安全性和延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命等優(yōu)點(diǎn)已成為現(xiàn)代技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向，變頻節(jié)能系統(tǒng)的應(yīng)用是社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展的必然趨勢(shì)，它有著早改造、早受益、早使用、早發(fā)展的特點(diǎn)。國(guó)家經(jīng)貿(mào)委已將變頻調(diào)速列入重點(diǎn)實(shí)施的10項(xiàng)資源節(jié)約綜合利用技術(shù)改造工程之一?！吨腥A人民共和國(guó)節(jié)約能源法》明文規(guī)定，將變頻調(diào)速列入通用節(jié)能技術(shù)加以推廣。因此，利用變頻調(diào)速技術(shù)是解決目前缺電問(wèn)題的最佳手段。通過(guò)對(duì)普通空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造，變頻節(jié)能系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，必將為企業(yè)節(jié)省大量能源，創(chuàng)造更大效益。

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