【壓縮機網】空壓機是工廠里最重要的機器設備之一，空壓機供氣領域能否應用變頻調速技術，在節省電能的同時改善空壓機性能，提高供氣品質，降低生產設備故障率，延長設備的使用壽命備受社會各界關注。為了節約能源，對企業原有的空壓站進行節能減排技術改造，非常有必要。
一、空壓機工作原理
空氣壓縮機在出廠時配套的排氣壓力調節裝置，多數為關閉進氣管式壓力調節器。其工作原理是當儲氣罐（風包）內空氣壓力超過設定的壓力時，壓縮機進氣管上碟閥自動關閉，壓縮機進入空轉卸荷狀態；當儲氣罐內的空氣壓力低于設定壓力時，壓縮機進氣管碟閥自動開啟，壓縮機又進入到滿載工作狀態。空氣壓縮機的排氣量和壓力，在運轉中也不是不變的，常因工況變化導致用氣量變化，所以空氣壓縮機工作時總是在重復滿載－卸荷工作方式。滿載時的工作電流接近電動機的額定電流，卸荷時的空轉電流約為30-50%電動機額定電流，這部分電流不是做有用功，而是機械在額定轉速下的空轉損耗。
這種機械式調節裝置雖然也能起到壓力調節作用，但是壓力調節精度低，壓力波動大。壓縮機總是在額定轉速下工作，機械磨損大，電耗高。空壓機自身存在著以下幾個缺點: (1) 當輸出壓力大于一定值時，自動打開泄載閥，使異步電動機空轉，嚴重浪費能源; (2) 異步電動機易頻繁的啟動、停止，影響電機的使用壽命; (3) 工作條件惡劣，噪音大; (4) 自動化程度低，輸出壓力的調節是靠人為調節閥的開度來實現的，調節速度慢，波動大，不穩定，精度低; (5) 空壓機工頻啟動電流大，對電網沖擊大，電機軸承磨損大，設備維護量大。針對以上存在的問題，采用變頻器對空壓機進行調節，實現空壓機恒壓運行勢在必行。
二、公司螺桿式空壓機現狀
2.1 空壓站分布情況
空壓站主要工作是供應全廠壓縮空氣生產用氣。班組生產運作為常年二二制運行。班組有兩個站房輪流使用，每個站房各由三臺40立方螺桿式壓縮機和一臺20立方螺桿式壓縮機組成。
2.2 空壓站現狀
據調研，目前是工廠的生產淡季，空壓站運轉情況如下：
3#空壓站配有壓力監控設備，實時監控廠里用氣情況，空壓站必須保證廠內管網的壓力。兩個空壓站的輪換使用周期為一年，2017年3月至2018年3月使用的是3站，2018年3月開始使用的是2站，如果遇到故障、檢修等情況會暫時使用另一個站點。
高壓站2、3、4號機，共有3臺高壓螺桿式空氣壓縮機，由于空氣壓縮機的拖動電機本身不能調速，因此就不能直接使用壓力或流量的變動來實現降速調節輸出功率的匹配，導致在用氣量少的時候電機仍然要空載運行，電能浪費巨大。
2.3 壓縮機出口點壓力控制
目前，壓縮機的出口點壓力控制是操作員根據工作經驗，手動控制壓縮機的開啟和關閉，來滿足廠內用氣需要。現在，一般設定壓縮機出口壓力不超過0.78MPa，正常運行保持在0.76MPa左右。2#站的設備帶有自動卸載功能，壓力到了警戒值會自動放氣減壓，到達0.71MPa會再次加載，這之間有0.05MPa的壓差。3#站的設備的減壓方式是采用自動減小進氣口，來減小出口壓力。另外，高峰用能時間段，設備保持在加載狀態，夜班時段，設備加減載頻繁。
若能采用自動控制和變頻調速技術，將四臺空壓機實行自動控制，可以實現互為熱備自動運行，穩定輸出生產要求所需的穩定氣壓，減少機械維修工作量，延長空壓機的使用壽命。另外，當流量需要量減少時，就可降低電動機的轉速，從而較大幅度減小電動機的運行功率，也可以實現節能的目的。
三、變頻改造的嘗試
3.1 空氣壓縮機變頻節能原理
經常卸載和加載導致整個氣網壓力經常變化，不能保持恒定的工作壓力延長壓縮機的使用壽命。空壓機的有些調節方式（如調節閥門或調節卸載等方式）即使在需要流量較小的情況下，由于電機轉速不變，電機功率下降幅度比較小。根據空氣壓縮理論，壓縮機的軸功率、排氣量和軸轉速符合下列公式：
N=Mr×n/9553（kW） （1-1）
Vd1=K×Vh1×n2（m3/min） （1-2）
式中：N－壓縮機的軸功率（kW）
Mr－壓縮機輸入的平均軸轉矩（N.m）
n－壓縮機的軸轉速（r/min）
Vd1－在n2轉速下的排氣量（m3/min）
K－與汽缸容積、壓力、溫度和泄漏有關的系數
Vh1－一級缸容積（m3 ）
n2－調節后的壓縮機轉速（r/min）
根據上述理論分析，在空氣壓縮機的汽缸容積不能改變的條件下，只有調節壓縮機的轉速才能改變排氣量；空氣壓縮機是恒轉矩負載，壓縮機軸功率與轉速呈正比變化。在壓縮機總排氣量大于總用氣量時，通過降低壓縮機轉速調節供風壓力，是達到壓縮機經濟運行的有效方法。
3.2 可行性分析
3.2.1 編制依據
節能減排改造項目工程總投資預算123.4萬元，概況如表3。
3.2.2 預計節能情況
設備用電情況，其中包括空壓站3年的用電用能情況。根據企業內部成本核算，電費單價為0.8元/kWh。希望能計算出，節能改造后每月的節能量和節能費用，以便計算投資回收期。
依據前面分析，空壓站3年平均電費2489992.3 元，改造后保守預計年節約電費21萬元。
3.2.3 投資收益分析
（1）節能改造靜態投資回收期=91.28/21=4.3年；
（2）工程總投資靜態投資回收期=123.4/21=5.8年。
備注：
以上預算是估計值，在改造中會根據實際情況有變化。
節能中心的場地需要上電公司提供。
節能中心的裝修預算將根據場地的情況再做計劃，費用另計。
3.2.4 投資和收益分享
3.2.4.1 項目投資
節能減排改造項目擬采用合同能源管理模式的節能效益分享型實施，該項目投資資金甲乙雙方承擔如表4：
3.2.4.2 合同期收益
計劃合同期為八年，在此期間內雙方各自分享項目年節電效益，乙方通過部分分享項目的年節電效益來回收該項目的投資及合理利潤。同時，由于乙方承擔額外的能源檢測中心建設費用，乙方分享的節能效益比例合同期內較高，如表5。
四、改造方案實施
空壓機采用變頻調速技術進行恒壓供氣控制時，系統原理框圖如圖2所示。
變頻器將管網壓力作為控制對象，裝在儲氣管出氣口的壓力變送器將儲氣罐的壓力轉變為4-20mA電信號送到變頻器內部，與壓力給定值進行比較，并根據差值的大小進行運算，產生控制信號去控制變頻器的運行頻率，從而調整電動機的轉速。那么空壓機輸出相應的壓縮空氣至儲氣罐，使之壓力變化，直到管網壓力與給定壓力值相同，從而使實際壓力始終維持在給定壓力。整個控制過程如下：用氣需求↑—管路氣壓↓—壓力設定值與返饋值的差值↑—變頻器輸出頻率↑—空壓機電機轉速↑—供氣流量↑—管路氣壓趨于穩定。
所以，保持管道中的氣壓恒定，就可保證該處供氣能力恰好滿足用氣需求，這就是恒壓供氣系統所要達到的目的。
五、空壓機變頻改造總結的分析
經過改造后，空壓機電機從靜止到旋轉工作可由變頻器來啟動，實現了軟啟動，避免了啟動沖擊電流和啟動給空壓機帶來的機械沖擊，從而達到空壓機省電、節能、環保、減排、降低磨損、延長壽命、安全可靠的目的。
4.1 節約能源
變頻器控制壓縮機與傳統控制的壓縮機比較，能源節約是最有實際意義的，根據空氣量需求來供給的壓縮機工況是經濟的運行狀態。
4.2 運行成本降低
傳統壓縮機的運行成本由三項組成：初始采購成本、維護成本和能源成本。其中能源成本和維護成本占壓縮機運行成本的主要部分。通過能源成本降低，再加上變頻起動后對設備的沖擊減少，維護和維修量也跟隨降低，所以運行成本將大大降低。
4.3 輸出壓力穩定
變頻控制系統具有精確的壓力控制能力，使空壓機的空氣壓力輸出與用戶空氣系統所需的氣量相匹配。變頻控制空壓機的輸出氣量隨著電機轉速的改變而改變。由于變頻控制電機速度的精度提高，所以它可以使管網的系統壓力變化保持在穩定的變化范圍，有效地提高了工況的質量。
4.4 延長空壓機的使用壽命
變頻器從0Hz起動空壓機，它的起動加速時間可以調整，從而減少起動時對壓縮機的電器部件和機械部件所造成的沖擊，增強系統的可靠性，使壓縮機的使用壽命延長。此外，變頻控制能夠減少機組起動時電流波動，這一波動電流會影響電網和其它設備的用電，變頻器能夠有效的將起動電流的峰值減少到最低程度。
4.5、降低了空壓機的噪音
根據壓縮機的工況要求，變頻調速改造后，電機運轉速度明顯減慢，因此有效地降低了空壓機運行時的噪音。
參考文獻
[1] 復盛空壓機用戶手冊
[2] 中國空壓機網站
[3]《熱能開發與與應用技術》，朱家玲等編著
[4] 俞燚強，螺桿空壓機變頻節能改造的技術方案研究〔J〕. 中國高新技術企業，2012,04
[5] 朱厚君，姜茂華，熊偉. 空壓機應用變頻器的節能改造〔J〕. 四川水泥，2008,(1)
[6] 謝水英，韓承江，徐偉君. 螺桿空壓機變頻節能改造〔J〕. 中國現代教育裝備，2010,22：30-33
[7] 陳海燕. 空壓機的節能改造〔J〕. 中國外資，2010,18：257
[8] 梁艷娟. 空壓機變頻節能改造節能技術的研究與應用〔J〕. 制造業自動化，2011,7
來源：本站原創
一、空壓機工作原理
空氣壓縮機在出廠時配套的排氣壓力調節裝置，多數為關閉進氣管式壓力調節器。其工作原理是當儲氣罐（風包）內空氣壓力超過設定的壓力時，壓縮機進氣管上碟閥自動關閉，壓縮機進入空轉卸荷狀態；當儲氣罐內的空氣壓力低于設定壓力時，壓縮機進氣管碟閥自動開啟，壓縮機又進入到滿載工作狀態。空氣壓縮機的排氣量和壓力，在運轉中也不是不變的，常因工況變化導致用氣量變化，所以空氣壓縮機工作時總是在重復滿載－卸荷工作方式。滿載時的工作電流接近電動機的額定電流，卸荷時的空轉電流約為30-50%電動機額定電流，這部分電流不是做有用功，而是機械在額定轉速下的空轉損耗。
這種機械式調節裝置雖然也能起到壓力調節作用，但是壓力調節精度低，壓力波動大。壓縮機總是在額定轉速下工作，機械磨損大，電耗高。空壓機自身存在著以下幾個缺點: (1) 當輸出壓力大于一定值時，自動打開泄載閥，使異步電動機空轉，嚴重浪費能源; (2) 異步電動機易頻繁的啟動、停止，影響電機的使用壽命; (3) 工作條件惡劣，噪音大; (4) 自動化程度低，輸出壓力的調節是靠人為調節閥的開度來實現的，調節速度慢，波動大，不穩定，精度低; (5) 空壓機工頻啟動電流大，對電網沖擊大，電機軸承磨損大，設備維護量大。針對以上存在的問題，采用變頻器對空壓機進行調節，實現空壓機恒壓運行勢在必行。
二、公司螺桿式空壓機現狀
2.1 空壓站分布情況
空壓站主要工作是供應全廠壓縮空氣生產用氣。班組生產運作為常年二二制運行。班組有兩個站房輪流使用，每個站房各由三臺40立方螺桿式壓縮機和一臺20立方螺桿式壓縮機組成。
2.2 空壓站現狀
據調研，目前是工廠的生產淡季，空壓站運轉情況如下：
3#空壓站配有壓力監控設備，實時監控廠里用氣情況，空壓站必須保證廠內管網的壓力。兩個空壓站的輪換使用周期為一年，2017年3月至2018年3月使用的是3站，2018年3月開始使用的是2站，如果遇到故障、檢修等情況會暫時使用另一個站點。
高壓站2、3、4號機，共有3臺高壓螺桿式空氣壓縮機，由于空氣壓縮機的拖動電機本身不能調速，因此就不能直接使用壓力或流量的變動來實現降速調節輸出功率的匹配，導致在用氣量少的時候電機仍然要空載運行，電能浪費巨大。
2.3 壓縮機出口點壓力控制
目前，壓縮機的出口點壓力控制是操作員根據工作經驗，手動控制壓縮機的開啟和關閉，來滿足廠內用氣需要。現在，一般設定壓縮機出口壓力不超過0.78MPa，正常運行保持在0.76MPa左右。2#站的設備帶有自動卸載功能，壓力到了警戒值會自動放氣減壓，到達0.71MPa會再次加載，這之間有0.05MPa的壓差。3#站的設備的減壓方式是采用自動減小進氣口，來減小出口壓力。另外，高峰用能時間段，設備保持在加載狀態，夜班時段，設備加減載頻繁。
若能采用自動控制和變頻調速技術，將四臺空壓機實行自動控制，可以實現互為熱備自動運行，穩定輸出生產要求所需的穩定氣壓，減少機械維修工作量，延長空壓機的使用壽命。另外，當流量需要量減少時，就可降低電動機的轉速，從而較大幅度減小電動機的運行功率，也可以實現節能的目的。
三、變頻改造的嘗試
3.1 空氣壓縮機變頻節能原理
經常卸載和加載導致整個氣網壓力經常變化，不能保持恒定的工作壓力延長壓縮機的使用壽命。空壓機的有些調節方式（如調節閥門或調節卸載等方式）即使在需要流量較小的情況下，由于電機轉速不變，電機功率下降幅度比較小。根據空氣壓縮理論，壓縮機的軸功率、排氣量和軸轉速符合下列公式：
N=Mr×n/9553（kW） （1-1）
Vd1=K×Vh1×n2（m3/min） （1-2）
式中：N－壓縮機的軸功率（kW）
Mr－壓縮機輸入的平均軸轉矩（N.m）
n－壓縮機的軸轉速（r/min）
Vd1－在n2轉速下的排氣量（m3/min）
K－與汽缸容積、壓力、溫度和泄漏有關的系數
Vh1－一級缸容積（m3 ）
n2－調節后的壓縮機轉速（r/min）
根據上述理論分析，在空氣壓縮機的汽缸容積不能改變的條件下，只有調節壓縮機的轉速才能改變排氣量；空氣壓縮機是恒轉矩負載，壓縮機軸功率與轉速呈正比變化。在壓縮機總排氣量大于總用氣量時，通過降低壓縮機轉速調節供風壓力，是達到壓縮機經濟運行的有效方法。
3.2 可行性分析
3.2.1 編制依據
節能減排改造項目工程總投資預算123.4萬元，概況如表3。
3.2.2 預計節能情況
設備用電情況，其中包括空壓站3年的用電用能情況。根據企業內部成本核算，電費單價為0.8元/kWh。希望能計算出，節能改造后每月的節能量和節能費用，以便計算投資回收期。
依據前面分析，空壓站3年平均電費2489992.3 元，改造后保守預計年節約電費21萬元。
3.2.3 投資收益分析
（1）節能改造靜態投資回收期=91.28/21=4.3年；
（2）工程總投資靜態投資回收期=123.4/21=5.8年。
備注：
以上預算是估計值，在改造中會根據實際情況有變化。
節能中心的場地需要上電公司提供。
節能中心的裝修預算將根據場地的情況再做計劃，費用另計。
3.2.4 投資和收益分享
3.2.4.1 項目投資
節能減排改造項目擬采用合同能源管理模式的節能效益分享型實施，該項目投資資金甲乙雙方承擔如表4：
3.2.4.2 合同期收益
計劃合同期為八年，在此期間內雙方各自分享項目年節電效益，乙方通過部分分享項目的年節電效益來回收該項目的投資及合理利潤。同時，由于乙方承擔額外的能源檢測中心建設費用，乙方分享的節能效益比例合同期內較高，如表5。
四、改造方案實施
空壓機采用變頻調速技術進行恒壓供氣控制時，系統原理框圖如圖2所示。
變頻器將管網壓力作為控制對象，裝在儲氣管出氣口的壓力變送器將儲氣罐的壓力轉變為4-20mA電信號送到變頻器內部，與壓力給定值進行比較，并根據差值的大小進行運算，產生控制信號去控制變頻器的運行頻率，從而調整電動機的轉速。那么空壓機輸出相應的壓縮空氣至儲氣罐，使之壓力變化，直到管網壓力與給定壓力值相同，從而使實際壓力始終維持在給定壓力。整個控制過程如下：用氣需求↑—管路氣壓↓—壓力設定值與返饋值的差值↑—變頻器輸出頻率↑—空壓機電機轉速↑—供氣流量↑—管路氣壓趨于穩定。
所以，保持管道中的氣壓恒定，就可保證該處供氣能力恰好滿足用氣需求，這就是恒壓供氣系統所要達到的目的。
五、空壓機變頻改造總結的分析
經過改造后，空壓機電機從靜止到旋轉工作可由變頻器來啟動，實現了軟啟動，避免了啟動沖擊電流和啟動給空壓機帶來的機械沖擊，從而達到空壓機省電、節能、環保、減排、降低磨損、延長壽命、安全可靠的目的。
4.1 節約能源
變頻器控制壓縮機與傳統控制的壓縮機比較，能源節約是最有實際意義的，根據空氣量需求來供給的壓縮機工況是經濟的運行狀態。
4.2 運行成本降低
傳統壓縮機的運行成本由三項組成：初始采購成本、維護成本和能源成本。其中能源成本和維護成本占壓縮機運行成本的主要部分。通過能源成本降低，再加上變頻起動后對設備的沖擊減少，維護和維修量也跟隨降低，所以運行成本將大大降低。
4.3 輸出壓力穩定
變頻控制系統具有精確的壓力控制能力，使空壓機的空氣壓力輸出與用戶空氣系統所需的氣量相匹配。變頻控制空壓機的輸出氣量隨著電機轉速的改變而改變。由于變頻控制電機速度的精度提高，所以它可以使管網的系統壓力變化保持在穩定的變化范圍，有效地提高了工況的質量。
4.4 延長空壓機的使用壽命
變頻器從0Hz起動空壓機，它的起動加速時間可以調整，從而減少起動時對壓縮機的電器部件和機械部件所造成的沖擊，增強系統的可靠性，使壓縮機的使用壽命延長。此外，變頻控制能夠減少機組起動時電流波動，這一波動電流會影響電網和其它設備的用電，變頻器能夠有效的將起動電流的峰值減少到最低程度。
4.5、降低了空壓機的噪音
根據壓縮機的工況要求，變頻調速改造后，電機運轉速度明顯減慢，因此有效地降低了空壓機運行時的噪音。
參考文獻
[1] 復盛空壓機用戶手冊
[2] 中國空壓機網站
[3]《熱能開發與與應用技術》，朱家玲等編著
[4] 俞燚強，螺桿空壓機變頻節能改造的技術方案研究〔J〕. 中國高新技術企業，2012,04
[5] 朱厚君，姜茂華，熊偉. 空壓機應用變頻器的節能改造〔J〕. 四川水泥，2008,(1)
[6] 謝水英，韓承江，徐偉君. 螺桿空壓機變頻節能改造〔J〕. 中國現代教育裝備，2010,22：30-33
[7] 陳海燕. 空壓機的節能改造〔J〕. 中國外資，2010,18：257
[8] 梁艷娟. 空壓機變頻節能改造節能技術的研究與應用〔J〕. 制造業自動化，2011,7
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