變頻器在螺桿式空壓機節(jié)能改造中的應(yīng)用分析

袁開洪 牛治國

摘 要：本文簡要概述了天然氣企業(yè)空壓機變頻節(jié)能改造的可行性，而后討論風(fēng)冷空壓機與水冷空壓機的區(qū)別，分析螺桿空壓機變頻節(jié)能改造的技術(shù)要點，在此基礎(chǔ)上通過改造實例研究螺桿式空壓機變頻節(jié)能改造應(yīng)用實例，為相關(guān)研究人員提供參考。

關(guān)鍵詞：變頻器;螺桿式空壓機;節(jié)能改造

螺桿式空壓機是目前廣泛應(yīng)用的空氣壓縮機，具有工作效率高和噪聲小等方面的優(yōu)勢。在天然氣企業(yè)中，空壓機主要應(yīng)用于天然氣空壓站?？諌簷C應(yīng)用過程中存在較大的能源消耗，采用新型變頻技術(shù)對其進行節(jié)能改造，有利于節(jié)約電能，并提高工作效率。

1 空壓機變頻節(jié)能改造的可行性

空壓機主要作用是為天然氣的生產(chǎn)過程提供動力能源，在天然氣生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。在其工作過程中，空氣在進入壓縮機組后經(jīng)過壓縮處理進入緩沖罐，而后進行干燥和凈化等處理，最終進入空氣儲罐，用于儀表風(fēng)和氮氣置換用氣。空氣壓縮機在其中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，螺桿式空壓機在目前的天然氣處理廠中應(yīng)用較廣，具體類型包括無油螺桿壓縮機、微油螺桿壓縮機等。同時，空壓機也是一種高能耗設(shè)備，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，我國當(dāng)前的全國發(fā)電量中，空壓機能耗占有10%左右，用氣企業(yè)的用電量中，空壓機耗電量占有15%-35%，并且空壓機能耗中66%的負(fù)荷在于其自身的能耗，說明能源利用效率較低。

在以往的空壓機運行過程中，以下問題較為明顯：空壓機在啟動時加載閥未工作，機頭進氣口處于關(guān)閉狀態(tài)，此時電機為空載啟動。在電動機正常運行之后，低于下限設(shè)定壓力時加載閥開始工作，而后壓縮機負(fù)載工作。氣壓達到卸載壓力后加載閥關(guān)閉，壓縮機此時為卸載狀態(tài)運行，電動機也在運行狀態(tài)，能耗為滿載狀態(tài)的30%-50%[1]。因此能夠看出，空壓機長時間空載運行是電能消耗的一項重要因素，而通過變頻改造，既能有效解決空載運行問題，也能夠通過軟起與軟停，防止瞬時啟停時電壓波動對設(shè)備與電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，延長壓縮機使用壽命。通過對空壓機變頻節(jié)能改造，能夠使電機在啟動與加載過程中電流增長更為平穩(wěn)，減少電流波動，并對供氣管路氣體壓力起到監(jiān)測作用，使輸出壓力保持穩(wěn)定。同時也有利于減少設(shè)備的磨損，降低檢修維護工作量。

2 風(fēng)冷空壓機與水冷空壓機的區(qū)別

空壓機的分類可以總體分為風(fēng)冷空壓機與水冷空壓機兩類。風(fēng)冷型螺桿空壓機的結(jié)構(gòu)為機油冷卻器和壓縮空氣后冷卻器一體結(jié)構(gòu)，工作原理是熱油和高溫（80℃左右）氣體在各自管道內(nèi)流動，電機拖動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，冷風(fēng)垂直吹過載有熱油和高溫氣體的管道從而實現(xiàn)熱交換。水冷型螺桿機一般采用管式散熱器，水在管內(nèi)流動，熱油在管外流動，完成熱交換后冷水溫度升高。冷水需要進行不斷循環(huán)。因此在水冷空壓機應(yīng)用過程中必須另建冷卻塔，把熱交換后的熱水冷卻以便參與下次循環(huán)，水質(zhì)對散熱器影響較大，成本也相對風(fēng)冷空壓機較高。因此目前風(fēng)冷式空壓機的應(yīng)用更為廣泛。

在實際應(yīng)用當(dāng)中，風(fēng)冷空壓機具有成本較低、維護簡單和節(jié)約能源等優(yōu)勢，適用于水資源較為缺乏地區(qū)。目前常用的風(fēng)冷空壓機包括富達LU75-8GP空壓機、壽力AS7508 AC VSD變頻空壓機等。水冷空壓機包括LU910-75WAI等型號。比如LU75-8GP空壓機是一種運行可靠的空壓機設(shè)備，具有節(jié)能、噪聲小和應(yīng)用范圍廣的優(yōu)勢。其功率為75kW，壓力8bar，比功率為6.5kW/（m3/min），達到國家1級能效標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限定值，具有很強的節(jié)能效果。在用氣量14m3/min，每年加載時間為6000h，電費1元/度的情況下，該型號空壓機每年能夠節(jié)省電費58800元。

3 螺桿空壓機變頻節(jié)能改造的技術(shù)要點

螺桿空壓機變頻節(jié)能改造的原理是利用壓力變送器，對管網(wǎng)壓力值及其設(shè)定值進行比較，而后利用PID調(diào)節(jié)器對變頻器在異步電動機的頻率值作出計算，變頻器輸出一定頻率與幅值的交流電，使電動機達到一定的轉(zhuǎn)速，此狀態(tài)下空壓機能夠根據(jù)其用氣量合理控制電動機轉(zhuǎn)速。空壓機變頻控制系統(tǒng)的組成部分包括電動機、PID、空壓機、儲氣罐與測量裝置等。在對螺桿空壓機進行變頻節(jié)能改造過程中，應(yīng)按照以下技術(shù)要點開展改造工作：

第一，進行節(jié)能改造時，需要事先對變頻機工作頻率作出合理確定，包括頻率最高值與最低值兩方面。根據(jù)相關(guān)研究，在頻率降低到額定功率20%時系統(tǒng)工作效率下降較為明顯。在工作頻率的確定上，對于75kW螺桿空壓機，一般應(yīng)將工作頻率調(diào)整為額定功率20%-100%，75kW以上的螺桿空壓機的頻率范圍調(diào)整上，一般在額定功率的30%-100%[2]。

第二，進行節(jié)能改造時，要合理選擇控制線路，在原有線路的基礎(chǔ)上采取變頻、工頻2種控制線路。同時要具備開環(huán)及閉環(huán)兩種控制方式，在正常運行狀態(tài)下采用閉環(huán)控制，實現(xiàn)對空壓機轉(zhuǎn)速的自動化控制。在系統(tǒng)運行及負(fù)荷傳感器發(fā)生問題的情況下采取開環(huán)控制，可以手動設(shè)置空壓機轉(zhuǎn)速、供氣速度等。

第三，在變頻器輸入端需要采取一定措施減少電磁干擾，從而防止非正弦波對空壓機管理器的影響。還應(yīng)確保電動機具有恒轉(zhuǎn)矩運作能力。

第四，改造過程中，需要重新設(shè)定下限運行頻率。在下限運行頻率設(shè)置不當(dāng)?shù)那闆r下容易造成油氣難以分離，引起潤滑油浪費問題。設(shè)定數(shù)值時應(yīng)考慮空壓機的具體型號。

第五，在電動機的工作頻率較低時，需要確保證電機的繞組氣溫及噪聲在規(guī)定范圍內(nèi)。在變頻平臺控制不同的空壓機進行工作時，可以采用回差控制的方法，有利于實現(xiàn)順利切換。在一臺變頻器同時控制多臺空壓機的情況下，可以有效利用轉(zhuǎn)換開關(guān)，在其中某臺空壓機需要更換時可以快速切換為另一臺空壓機。

4 螺桿空壓機變頻節(jié)能改造應(yīng)用實例

4.1 變頻節(jié)能改造方法

某生產(chǎn)單位原有壓縮空氣的供應(yīng)來源為6臺螺桿式空壓機，其中包括2臺75kW螺桿空壓機、1臺37kW螺桿空壓機以及3臺132kW螺桿空壓機。其中兩臺75kW螺桿空壓機一臺開啟另一臺備用，3臺132kW螺桿空壓機一臺開啟其余2臺備用。上述空壓機設(shè)備在正常生產(chǎn)狀態(tài)下每天運行24h，平均每天消耗電能5500kWh。

在利用變頻器進行節(jié)能改造工作時，改造范圍為其中3臺132kW螺桿空壓機，改造方法如下：在準(zhǔn)備改造的每臺空壓機主回路上連接1臺變頻器，原有空壓機采用星--三角啟動方式進行啟動，改造過程中保留其主回路接觸器，并將其作為電動機繞組連接回路。電動機繞組進行星--三轉(zhuǎn)換完畢后，通過變頻器對電動機進行啟動?？諌簷C當(dāng)中的控制回路保持原有狀態(tài)，但對原有電動機運行電流檢測互感器CT1進行移動，將其放置于變頻器輸入電源之前，主要發(fā)揮過載保護檢測的作用。對于其中的角形接法接觸器，將其中一處常開輔助觸點與變頻器中的2個端子相連接，發(fā)揮控制變頻器啟動的作用。2個端子分別為FWD與CM端子。而后修改空壓機設(shè)備中的特定參數(shù)，修改方法為將星角延時從原先的6s改成3s;對于加載延時時間，從2s改成15s;主機的啟動時間從8s改成20s。

與此同時，對儲氣罐增添了相應(yīng)的壓力傳感器，每個儲氣罐安裝1臺壓力傳感器，起到監(jiān)測供氣管網(wǎng)壓力的作用。將壓力傳感器與變頻器的模擬輸入端子GND以及AI2相連接。能夠?qū)Ρ茸冾l器PID參數(shù)當(dāng)中對壓力的預(yù)設(shè)值，并利用變頻器PID功能對交流電的輸出進行調(diào)節(jié)，從而調(diào)控電動機的轉(zhuǎn)速，發(fā)揮供氣壓力調(diào)節(jié)作用。根據(jù)該生產(chǎn)單位實際情況，生產(chǎn)過程中通常使用2臺132kW空壓機，在某臺空壓機變頻器損壞的情況下可以直接使用備用空壓機，因此改造過程中未進行工頻旁路線路設(shè)置。

4.2 變頻節(jié)能改造效果

該單位改造成效較為明顯，3個月運行時間中，空壓機此前每天消耗電能平均在5500kWh左右，改造后降低為平均4500kWh。降低電能消耗大約18%。同時提升了供氣質(zhì)量，減少了進氣閥開閉次數(shù)。

5 結(jié)論

變頻器應(yīng)用于螺桿式空壓機節(jié)能改造中，對于降低能耗、提高生產(chǎn)效率、減少維護費用具有顯著效果。對于天然氣企業(yè)，應(yīng)根據(jù)實際生產(chǎn)情況合理應(yīng)用變頻器進行螺桿式空壓機的節(jié)能改造。

參考文獻：

[1]鄧慧鉞.變頻器在螺桿式空壓機上的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（03）：206-207.

[2]侯燁，焦義，張姚兵.螺桿式電動空壓機變頻節(jié)能改造研究[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2018（04）：2237.