變頻技術(shù)在螺桿壓縮機(jī)上的應(yīng)用

1 概況

在全球金融危機(jī)的影響下，中國(guó)將可能面臨一到兩年的蕭條時(shí)期。異常激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)已滲透到各行各業(yè)的每個(gè)角落中。面對(duì)危機(jī)形勢(shì)，生產(chǎn)型企業(yè)怎樣才能有效地提高生產(chǎn)效率、工藝，在達(dá)到節(jié)能降耗從而降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，保住產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)已成為各廠家發(fā)展中的首要問(wèn)題。我們要積極應(yīng)對(duì)市場(chǎng)變化，加快技術(shù)改造、降本增效。全國(guó)范圍內(nèi)的節(jié)約能源已成為一個(gè)刻不容緩的問(wèn)題，這也是關(guān)系到我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一個(gè)重要因素。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)我國(guó)電能的60%是被各行各業(yè)中廣泛使用的風(fēng)機(jī)、水泵等通用設(shè)備所消耗，而螺桿壓縮機(jī)則占了60%中的20%左右，足見(jiàn)其年消耗能量有多大。

2 螺桿壓縮機(jī)的節(jié)能潛能

由于螺桿壓縮機(jī)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的通用設(shè)備，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，配備電機(jī)功率較大，因而降低螺桿壓縮機(jī)的功耗，提高螺桿壓縮機(jī)的運(yùn)行效率，對(duì)節(jié)能具有一定意義。盡管我們加強(qiáng)日常運(yùn)行管理，減少泄漏、合理潤(rùn)滑、定期維護(hù)和預(yù)知維修等，但是其蘊(yùn)藏的節(jié)能潛力仍遠(yuǎn)未被挖掘出來(lái)。

通常使用的螺桿式壓縮機(jī)的工作原理是，螺桿在氣缸內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，周期性地改變缸內(nèi)的體積，從而使氣缸內(nèi)氣體體積發(fā)生變化，并與氣缸內(nèi)氣閥作相應(yīng)的開(kāi)閉動(dòng)作配合，通過(guò)吸氣、壓縮、排氣等動(dòng)作，將無(wú)壓或低壓氣體升壓，并輸出到儲(chǔ)壓罐內(nèi)。

2.1 輸入電流(功率)與排氣壓力分析

螺桿壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸上所需要的軸功率，與排氣壓力、螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速有直接的關(guān)系，也就是說(shuō)，在實(shí)際運(yùn)行中，由于壓縮空氣的使用隨時(shí)在變化，螺桿壓縮機(jī)并不經(jīng)常在額定工況下運(yùn)行，而螺桿壓縮機(jī)排氣壓力的高低則直接影響到實(shí)際軸功率的大小。排氣壓力越高，所需軸功率也越大。試驗(yàn)證明滿負(fù)載時(shí)，螺桿壓縮機(jī)的輸入電流(功率)與排氣壓力的關(guān)系符合圖1 曲線與關(guān)系式(1)。

2.2 傳統(tǒng)運(yùn)行模式弊端

為滿足用氣量隨時(shí)變化的要求，儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體必須保持一定的壓力，某冷飲廠生產(chǎn)線運(yùn)行壓力為0.65~0.80 MPa，目前大多數(shù)螺桿壓縮機(jī)均采用切斷進(jìn)氣的調(diào)節(jié)方式來(lái)改變排至儲(chǔ)氣罐的氣量。對(duì)于螺桿壓縮機(jī)氣量的供求關(guān)系表現(xiàn)為排氣壓力的變化，螺桿壓縮機(jī)排氣量正好滿足生產(chǎn)用氣量要求時(shí)，儲(chǔ)氣壓力保持不變，若能維持這種狀態(tài)當(dāng)然最佳，但實(shí)際上用氣量是隨時(shí)變化的，而且設(shè)計(jì)冗余量較大，所以螺桿壓縮機(jī)排氣量都要大于用氣量。如果螺桿壓縮機(jī)仍恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，則儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體越積越多，當(dāng)罐內(nèi)壓力上升達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，一般采用兩種辦法：一種是螺桿壓縮機(jī)卸荷運(yùn)行，不產(chǎn)生壓縮氣體，電動(dòng)機(jī)處于空載運(yùn)轉(zhuǎn)，其用電量為滿負(fù)載的30豫耀60%，這部分電能被白白浪廢掉。另外一種辦法是停止螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行，這樣似乎螺桿壓縮機(jī)空轉(zhuǎn)或不斷放空所浪費(fèi)的電能被消除了，但是若無(wú)體積較大的儲(chǔ)氣罐，將會(huì)帶來(lái)電動(dòng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)，螺桿壓縮機(jī)的空載啟動(dòng)電流大約是額定電流的5耀7 倍，對(duì)電網(wǎng)及其它用電設(shè)備沖擊較大，同時(shí)也會(huì)使螺桿壓縮機(jī)的使用壽命縮短。

2.3 變頻運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)

由于螺桿壓縮機(jī)可以在保證生產(chǎn)所需要的最低壓力下運(yùn)行，這樣會(huì)使電機(jī)輸入功率大大下降。

如圖2 所示，輔以壓力閉環(huán)控制，就可實(shí)現(xiàn)螺桿壓縮機(jī)的供氣壓力—轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)匹配，從而減少電機(jī)的實(shí)際輸入功率，達(dá)到節(jié)能目的。也即電機(jī)的轉(zhuǎn)速由供氣壓力來(lái)控制，壓縮機(jī)需要多大的功率，電機(jī)就輸出多大的功率，而不必做無(wú)用功，從而取得良好的節(jié)能效果，節(jié)能的另一方面是螺桿壓縮機(jī)停止了空轉(zhuǎn)，所以電機(jī)不存在輕載運(yùn)行，這部分能量也很可觀。

相應(yīng)帶來(lái)的其它好處是：供氣壓力穩(wěn)定。通過(guò)壓力調(diào)節(jié)器，可使螺桿壓縮機(jī)保持在設(shè)定的壓力值下工作，壓力穩(wěn)定可靠性高，而且壓力可以無(wú)級(jí)設(shè)定，隨時(shí)可調(diào)。電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，壓縮機(jī)的使用壽命及檢修周期都將得到大大延長(zhǎng)。螺桿壓縮機(jī)排氣量由螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制，氣缸內(nèi)氣閥片不再反復(fù)地開(kāi)啟和關(guān)閉，閥座、彈簧等工作條件大大改善，避免了高溫、高壓氣體急劇的流動(dòng)與沖擊，使維修工作量減少。

3 實(shí)例

以下為某冷飲廠生產(chǎn)線上的螺桿壓縮機(jī)的變頻運(yùn)行狀況。

3.1 螺桿壓縮機(jī)變頻節(jié)能實(shí)際分析

冷飲廠的每日供氣量隨季節(jié)的變化而不同，一日中每時(shí)的供氣量也隨時(shí)間晝夜而有別，冷飲廠的供氣量始終處于動(dòng)態(tài)的變化之中，冷飲生產(chǎn)線的運(yùn)行數(shù)量也在不斷地改變。該冷飲廠生產(chǎn)線總數(shù)為6，進(jìn)氣閘板、排氣閘板與出氣蝶閥都采用氣動(dòng)控制，以源臺(tái)螺桿壓縮機(jī)(兩用兩備)組成的空壓站供給氣源。生產(chǎn)線空壓站變頻調(diào)速匹配圖如圖3所示。以下是節(jié)能效果的實(shí)際測(cè)算，其中螺桿壓縮機(jī)配用電機(jī)參數(shù)分別為Pe=11 kW，Ie=22.3 A，Ue=380 V。

1)只運(yùn)行—條或兩條冷飲生產(chǎn)線只開(kāi)啟一臺(tái)螺桿壓縮機(jī)，卸荷時(shí)運(yùn)行電流為11 A，電壓為400 V，功率因數(shù)約為0.85，消耗有功功率為P越3伊400伊11伊0.85越6 477.68 W越6.4 777 kW。

載荷-卸荷時(shí)間比為8:6，那么一年一臺(tái)螺桿壓縮機(jī)卸荷運(yùn)行所需電能為：W越P伊24伊365伊6衣14越24 319.06 kW·h

2)3 條冷飲生產(chǎn)線全部投運(yùn)只開(kāi)啟一臺(tái)螺桿壓縮機(jī)，這時(shí)螺桿壓縮機(jī)不再有卸荷運(yùn)行，儲(chǔ)氣罐壓力為0.65 MPa，輸入電流為20 A，沒(méi)有做無(wú)用功。

3)6條冷飲生產(chǎn)線全部運(yùn)行必須將兩臺(tái)螺桿壓縮機(jī)全部投入運(yùn)行，這種狀況下的運(yùn)行情況與2)類似。

3.2 螺桿壓縮機(jī)變頻調(diào)速的實(shí)現(xiàn)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，目前控制生產(chǎn)線氣動(dòng)閥共有4臺(tái)(兩用兩備)螺桿壓縮機(jī)，型號(hào)相同。選用1臺(tái)歐姆龍變頻器輪換去驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)螺桿壓縮機(jī)，這樣兩臺(tái)螺桿壓縮機(jī)在運(yùn)行時(shí)，一臺(tái)調(diào)速運(yùn)行一臺(tái)定速運(yùn)行;再輔以適當(dāng)?shù)目刂乒δ?，即可?shí)現(xiàn)整個(gè)空壓站的恒壓自動(dòng)控制。該系統(tǒng)可以根據(jù)儲(chǔ)氣罐壓力的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和螺桿壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)。

該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，運(yùn)行方式合理，不到一年時(shí)間就能收回投資。當(dāng)然，螺桿壓縮機(jī)采用了變頻調(diào)速后，應(yīng)該注意對(duì)螺桿壓縮機(jī)正常運(yùn)行有無(wú)影響，首先是潤(rùn)滑問(wèn)題，其實(shí)螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越低，吸、排氣壓力差越小，潤(rùn)滑油耗量也就越小，即所謂“低轉(zhuǎn)速，低潤(rùn)滑”。

3.3 變頻器性能要求

1)由于螺桿壓縮機(jī)同時(shí)具備了變轉(zhuǎn)矩負(fù)載和恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特性。所以我們選用了德國(guó)原裝的毆姆龍系列變頻器，它的過(guò)載特性最高可達(dá)電機(jī)額定電流的200%，IGBT 的極限電流為額定電流的6倍。全面的電機(jī)保護(hù)功能保證螺桿壓縮機(jī)的長(zhǎng)期無(wú)故障運(yùn)行。且由于其唯一的出廠24個(gè)月保質(zhì)期，最大限度地保護(hù)了用戶利益。

2)變頻器采用多種控制模式，包括磁場(chǎng)定向矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等，可以保證變頻器足夠的轉(zhuǎn)矩輸出。

3)變頻器內(nèi)置PID 功能，可以直接輸入壓力信號(hào)便于壓力閉環(huán)控制。

4)變頻器可以在-20益耀65益的環(huán)境溫度中無(wú)障礙運(yùn)行(一般螺桿壓縮機(jī)安裝場(chǎng)合溫度較高);甚至可以在海拔4 000 m 的高原地區(qū)正常使用;可在320 V到528 V之間，寬電壓運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

變頻器在各行各業(yè)中，特別是在節(jié)能降耗方面已逐漸得到廣泛的應(yīng)用，以上案例僅為拋磚引玉。這次全球金融危機(jī)不同以往，其影響深度、廣度和持續(xù)時(shí)間難以預(yù)料，對(duì)此我們企業(yè)一定要練好內(nèi)功，精細(xì)管理，作好節(jié)能降耗工作。