摘要：本文对空压机的能耗进行了分析，介绍了节电改造原理、节电控制系统设计，以及节电效益情况。
关键词：螺杆空压机；变频器；节电改造；效果
引言：
螺杆式空压机在厂矿企业的应用比较多，往往一个都至少4-5台、总功率达2000kW以上，占据企业用电量的很大一部分。螺杆空压机虽然比过去的往复式空压机效率提高多了，但还存在一些问题，有必要进一步实施节电技术改造。一是耗电大。空压机满载一空载交替运行，空载运行浪费电能；二是设备磨损大。空压机频繁启停，寿命缩短，增加维护成本与工作量；三是影响电网安全。空压机电机直接起动，冲击电流大，影响电网和其它用电设备的运行安全；四是供气不稳定。压力的调节靠进气阀的开闭完成，无法实现闭环控制，调节精度也差，难以保证气源稳定。若运用IGBT直接串联高压变频技术对空压机实施节电改造，即可解决上述系列问题。
1 空压机能耗分析
1）工艺基本要求。我厂空压机均螺杆式有油空压机，并采用星三角降压方式启动。在正常情况下，厂区内的生产压力保持在0.5～0.6MPa，即供气压力大于用气压力。随着生产规模的扩大，用气量也再不断加大，高压储气罐的压力也再不断变化。按生产工艺要求，设备的上限压力定位到0.6MPa，只要压力高于上限值，空压机就会自动卸载，此时电机空转不带负载，不产生高压气体。随着用气量的不停变化，空气压缩机通过不断地卸载和加载维持用气量及其平衡。
2）系统能耗分析。空压机采用加、卸载控制方式，这使得压缩气体的压力在Pmin～Pmax之间变化。其中Pmin为最低压力值，即能够保证用户正常工作的最低压力；Pmax为用气设备或者储气罐最大安全压力值(但留有一定的富裕量)。一般情况下，Pmax～Pmin之间的关系为：Pmax=（1+δ）Pmin，式中:δ是一个百分数，数值为10%～25%。空压机属于恒转矩负载，若用变频调速的方法调整供气量，这可使电机的输出功率基本与转速(供气量)成正比。若连续调节供气量，则可将储气罐压力始终维持在满足供气工作压力上，即在Pmin附近。显然，在加、卸载供气控制方式下较变频调速系统控制下所浪费的能量主要在以下两部分:①压缩空气压力超过最佳工作压力Pmin附近所消耗的能量；②在压力达到最佳工作压力后，原控制方式使压力会继续上升(直至Pmax)。该过程中压缩机将会向外界释放更多的热量，导致能量损失。其高于Pmin的气体在进入气动元件前，压力也需要经过减压阀减压至接近Pmin，这同样是个耗能的过程。
3）卸载调节方法不合理消耗的能量。通常，当压力达到Pmax时，空压机通过以下方法降压卸载:关闭进气阀使电机处于空转状态，将分离罐中多余的压缩空气经放空阀放空。如此造成了很大的能量浪费。而关闭进气阀使电机空转，虽然可以使空压机不需要再压缩气体作功，但空压机在空转中还是要带动螺杆做回转运动的。根据测算，空压机卸载时的能耗约占满载运行时的25%～35%(还是在卸载时间所占比例不大时)。即20%以上的时间处于空载状态，在作无用功。明显，在加、卸载供气控制方式状态下，空压机电机还是存在很大节电空间的。
2 节电改造原理
因供电电源的频率、产生气体的流量与电机的转速n成正比，而空压机产生的风压力H与电机转速n的平方成正比，电机轴功率P与转速n的立方成正比。因此，当电机转速降低时，空压机电机轴功率成立方关系下降，节电效果就明显。
根据空气压缩理论，空压机的轴功率、排气量和轴转速符合下式：P=M×n/9553，V1=K×V1g×n2，式中：P位空压机轴功率，kW；M为空压机输入的平均轴扭矩，N•m；n为空压机轴转速，r/min；K为与汽缸容积、温度、压力和泄露有关的系数；n2为变频调节后的空压机转速，r/min；V1g为级缸容积，m3；V1为在n2转速下的排气量，m3/min。显然，在空压机的汽缸容积不能改变的条件下，我们只有调节空压机的转速才能改变排气量；空压机因是恒转矩负载，轴功率与转速呈正比变化；在总排气量大于用气量时，可通过降低转速调节供气压力，这是实现经济运行的有效措施。
3 节电控制系统设计
对该类空压机控制系统，其软件设计可以以PLC的PID主要程序。比如系统PLC用西门子的S7-200系列的CPU224型PLC。其模数扩展模块EM235将设定好的压力与压力变送器测量到的压力进行比较，经PLC内置PID调节器计算出输出信号，再用以控制变频器的输出频率，使供气压力维持在给定压力值附近；通过给定压力和压力反馈比较，可得到被控量气压和期望值的偏差；该偏差经内置PID调节器计算出变频器输出的控制电机转速的交流电频率值，然后由变频器输出相应频率的交流电，从而控制电机的转速，直至管路压力与设定压力一致。如此的气压相对恒定，波动也小。该控制系统PLC的PID程序流程见图1所示。
4 节电效益
如此在不改变原有设备和工艺技术条件之下，只增加了一个空压机恒压供气节电控制系统，原有系统作旁路。以132KW空压机为例，通常为24h连续运行，其节电投资回报周期=投资总额/月节约电费，即:月节约电费=电机功率×负载率×每日工作时间×每月工作时间×电费单价×节电率=132×0.9×24×20×0.75×25%=10692（元）。可见，一年就能节约电费128304元，节电效果是非常好的。
结束语：
分析了螺杆式空压机的工作原理，了解在工作过程的基础上，运用变频调速技术，实施对空压机恒压供气系统进行改造，其节电效果是非常好的。实践证明，该控制系统进行改造后，可有效节约电能、提高控制性能、减小节流损失、延长设备使用寿命和降低维修费用，实用价值很高。运用此节电技术改造后，经过实际测试，各项运行参数正常、性能良好，安全运行也可靠、稳定，管网的压力波动范围也小，完全能满足供气需求，实现了安全生产和节约用电的双赢。
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论文作者:徐东海
论文发表刊物:《知识-力量》2019年9月33期
论文发表时间:2019/7/23
标签：空压机论文; 压力论文; 转速论文; 电机论文; 变频器论文; 气量论文; 空气压缩机论文; 《知识-力量》2019年9月33期论文;