雙級永磁螺桿式空氣壓縮機的節(jié)能原理與應(yīng)用

曹美恒

摘? 要：研究一種全新的雙級永磁螺桿式空氣壓縮機，介紹了該新型空氣壓縮機的結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了雙級永磁螺桿式空氣壓縮機的節(jié)能原理。結(jié)合工程應(yīng)用實例，驗證了雙級永磁螺桿式空氣壓縮機的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：空氣壓縮機;雙級永磁螺桿式;永磁同步電機;節(jié)能原理

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）15-0183-02

Abstract： A new two-stage permanent magnet screw air compressor is studied， the structure and working principle of the new air compressor are introduced， and the energy-saving principle of the two-stage permanent magnet screw air compressor is analyzed. Based on examples of engineering application， the energy-saving effect of two-stage permanent magnet screw air compressor is verified.

Keywords： air compressor; two-stage permanent magnet screw; permanent magnet synchronous motor; energy saving principle

1 概述

空氣壓縮機是將動能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w壓力能、并輸出壓力氣體的機械[1]。空氣壓縮機是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的機電通用設(shè)備，其耗能占工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備耗能的10%-40%[2]。因此，空氣壓縮機節(jié)能改造，實現(xiàn)其節(jié)能降耗的空間很大。螺桿式空氣壓縮機就是近些年在國內(nèi)流行起來的新型空氣壓縮機，目前，約占市場60%的份額[3]。本文主要研究一種全新的雙級永磁螺桿式空氣壓縮機，在介紹該新型空氣壓縮機的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，分析了雙級永磁螺桿式空氣壓縮機的節(jié)能原理，并結(jié)合工程實踐，驗證了該新型空氣壓縮機的節(jié)能效果。

2 雙極永磁螺桿式空氣壓縮機結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1，雙級永磁螺桿壓縮機的主機打破傳統(tǒng)螺桿主機的結(jié)構(gòu)[4]，是由一個輸入軸帶兩對螺桿轉(zhuǎn)子，兩對轉(zhuǎn)子的直徑長短和轉(zhuǎn)速均不同，其工作原理和單級壓縮類似。

3 永磁同步電機節(jié)能原理

雙級永磁空氣壓縮機的節(jié)能分為兩個方面，第一個方面是永磁同步電機，其具備以下突出優(yōu)點：

3.1 效率高

永磁同步電機磁場部分由永磁體產(chǎn)生，減少了勵磁電流損耗。另外，永磁同步電動機的高效區(qū)很寬，特別是低速運行時就有很高的效率，這是Y系列異步電動機不能比的。永磁同步電動機與Y系列異步電動機的效率-轉(zhuǎn)速曲線對比如圖2所示?？梢?，盡管他們的最高效率接近，但永磁同步電動機在（30-100）%nN范圍的效率都接近最高效率，而Y系列異步電動機的高效區(qū)近在額定轉(zhuǎn)速（N）左右。而實際運行中，空氣壓縮機負荷變動時主要運行在（30-100）%nN的轉(zhuǎn)速范圍。此時，Y系列異步電動機的效率只有（50-70）%左右，所以Y系異步電動機運行轉(zhuǎn)速在75-100%，效率較好，而永磁同步電動機5-100%的效率都接近最高效率，節(jié)能效果十分明顯（如圖2）。

3.2 功率因數(shù)不隨極數(shù)變化，因而功率因數(shù)高

由于永磁同步電機不需要勵磁來建立磁場，沒有無功損耗，因此功率因數(shù)很高，額定功率因數(shù)cos？覬可達到0.95以上，而且多極、低速運行時能保證高功率因素不變。而Y系列異步電動機的額定功率因素一般只有0.9左右，而且，其功率因數(shù)會隨著極數(shù)增加而降低，也會隨運行轉(zhuǎn)速降低而降低。這一點對低速運行的空氣壓縮機而言是很不利的。

3.3 起動轉(zhuǎn)矩高

永磁同步電機起動力矩與額定力矩之比可達3倍以上，而一般Y系列異步電動機僅有1.6倍。非常適合如抽油機、空氣壓縮機等需要重載啟動的負載。

3.4 其它優(yōu)點

精度高，響應(yīng)快;體積小，通常都會小一個機座號;重量輕。

4 雙級永磁螺桿式壓縮機節(jié)能原理

傳統(tǒng)的單級噴油螺桿式壓縮機顧名思義是有一對轉(zhuǎn)子，而雙級壓縮機是有兩對轉(zhuǎn)子，相對單級壓縮，雙級壓縮機有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。

4.1 雙級壓縮降低了每一級的壓縮比，提高了容積效率

相對單級來說雙級壓縮的每一級壓縮比的降低，提高了容積效率，降低了每一級的內(nèi)外泄露。舉例單級壓縮螺桿機轉(zhuǎn)子：進氣端壓力為大氣壓力約1bar，經(jīng)轉(zhuǎn)子壓縮至出口壓力8bar，該壓縮過程的壓縮比為8/1，即單級空壓機壓縮比為8。而雙級進氣端壓力為大氣壓力約1bar，經(jīng)一級轉(zhuǎn)子壓縮至出口壓力3bar左右，再進入二級轉(zhuǎn)子壓縮提升壓力至所需要的8bar出口壓力。一級低壓轉(zhuǎn)子的壓縮比約為3，二級高壓轉(zhuǎn)子端的壓縮比為8/3≈2.67，即二級端的壓縮比大約為2.67。雙級壓縮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的最高壓縮比為3左右。

4.2 等溫壓縮，提高了壓縮機的能效

等溫壓縮是油氣混合物在一級排氣進入二級吸氣之前，可充分混合，起到級間冷卻的作用，這一較為充分混合的油氣混合物進入壓縮機的第二級進行壓縮，也使得第二級的壓縮過程更為接近等溫過程，提高了壓縮機的能效。將一級壓縮轉(zhuǎn)子和二級壓縮轉(zhuǎn)子組合在一個機殼內(nèi)，并分別通過斜齒輪直接傳動，使每級轉(zhuǎn)子都能獲得最佳線速度，壓縮傳遞效率最高。

4.3 兩級的壓縮過程

自然空氣通過空氣過濾器進入第一級壓縮，在壓縮腔與少量潤滑油混合，同時將混合氣體壓縮到級間壓力。壓縮后的氣體進入冷卻通道，與大量油霧接觸，從而大大降低了溫度。降溫后的壓縮氣體進入第二級轉(zhuǎn)子，進行二次壓縮，被壓縮到最終排氣壓力。最后通過排氣法蘭排出壓縮機，完成整個壓縮過程。（如圖5）

所以說雙級壓縮的主機在同等功率的條件下比單級壓縮的噴油螺桿壓縮機排氣量多10-20%，也可以說在同等氣量條件下雙級壓縮的空壓機比單級壓縮的空壓機節(jié)能10-20%。雙級永磁空壓機是節(jié)能的永磁同步電機和節(jié)能的雙級壓縮主機組合而成的，成為壓縮機節(jié)能產(chǎn)品的又一款利器。

5 成功案列及分析

安徽銅陵某科技有限公司，主要生產(chǎn)印刷電路板。壓縮空氣主要用途是氣動控制鉆床，給覆銅電路板鉆孔用和吹掃使用，是該科技公司的主要動力輸出設(shè)備。原采用多個品牌的多臺單級空氣壓縮機，各單級空氣壓縮機參數(shù)如表1所示。

原有空氣壓縮機共四臺，三用一備。實際運行需要開機功率：225kW，排氣量：29.5m3/s，平均工作壓力0.5Mpa。由于設(shè)備陳舊老化，2019年9月使用新型雙級永磁螺桿空氣壓縮機替代。替代時僅用1臺單機功率160kW新型空氣壓縮機，因為，其排氣量達到33m3/s，滿足排氣量：29.5m3/s的要求?？諝鈮嚎s機更新前后運行數(shù)據(jù)對比見表2。

表2數(shù)據(jù)可見，一臺新型雙級永磁螺桿空氣壓縮機的排氣量達到33m3/s，大于原來三臺空氣壓縮機運行時的排氣量29.5m3/s，滿足企業(yè)運行需求。而新舊設(shè)備的功率比為：160/225=71%，即采用新設(shè)備后，空氣壓縮機年耗電減少了29%，年節(jié)約電費達到520000度。按工業(yè)企業(yè)用電0.79元/度計算，年節(jié)約開支410800元，18個月即可收回設(shè)備更新改造投資。可見新型雙級永磁螺桿空氣壓縮機的節(jié)能效果是十分明顯的。

參考文獻：

[1]孫鐵源.壓縮空氣系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀與節(jié)能改造[J].機床與液壓，

2010，38（13）：110-110.

[2]王步來.高效節(jié)能永磁同步電機設(shè)計研究[J].電機技術(shù)，2006（2）：3-6.

[3]劉乾業(yè)，施明燦.我國電工節(jié)能技術(shù)熱點[J].電世界，2006，6：4-6.

[4]郁永章，姜培正，孫嗣螢.壓縮機工程手冊[M].北京：中國石化出版社，2012.