變頻技術在螺桿壓縮機上的應用

1 概況

在全球金融危機的影響下，中國將可能面臨一到兩年的蕭條時期。異常激烈的市場競爭已滲透到各行各業的每個角落中。面對危機形勢，生產型企業怎樣才能有效地提高生產效率、工藝，在達到節能降耗從而降低生產成本的同時，保住產品優勢已成為各廠家發展中的首要問題。我們要積極應對市場變化，加快技術改造、降本增效。全國范圍內的節約能源已成為一個刻不容緩的問題，這也是關系到我國經濟可持續發展戰略的一個重要因素。據不完全統計我國電能的60%是被各行各業中廣泛使用的風機、水泵等通用設備所消耗，而螺桿壓縮機則占了60%中的20%左右，足見其年消耗能量有多大。

2 螺桿壓縮機的節能潛能

由于螺桿壓縮機是結構復雜的通用設備，運轉時間長，配備電機功率較大，因而降低螺桿壓縮機的功耗，提高螺桿壓縮機的運行效率，對節能具有一定意義。盡管我們加強日常運行管理，減少泄漏、合理潤滑、定期維護和預知維修等，但是其蘊藏的節能潛力仍遠未被挖掘出來。

通常使用的螺桿式壓縮機的工作原理是，螺桿在氣缸內作旋轉運行，周期性地改變缸內的體積，從而使氣缸內氣體體積發生變化，并與氣缸內氣閥作相應的開閉動作配合，通過吸氣、壓縮、排氣等動作，將無壓或低壓氣體升壓，并輸出到儲壓罐內。

2.1 輸入電流(功率)與排氣壓力分析

螺桿壓縮機的驅動軸上所需要的軸功率，與排氣壓力、螺桿壓縮機轉速有直接的關系，也就是說，在實際運行中，由于壓縮空氣的使用隨時在變化，螺桿壓縮機并不經常在額定工況下運行，而螺桿壓縮機排氣壓力的高低則直接影響到實際軸功率的大小。排氣壓力越高，所需軸功率也越大。試驗證明滿負載時，螺桿壓縮機的輸入電流(功率)與排氣壓力的關系符合圖1 曲線與關系式(1)。

2.2 傳統運行模式弊端

為滿足用氣量隨時變化的要求，儲氣罐內氣體必須保持一定的壓力，某冷飲廠生產線運行壓力為0.65~0.80 MPa，目前大多數螺桿壓縮機均采用切斷進氣的調節方式來改變排至儲氣罐的氣量。對于螺桿壓縮機氣量的供求關系表現為排氣壓力的變化，螺桿壓縮機排氣量正好滿足生產用氣量要求時，儲氣壓力保持不變，若能維持這種狀態當然最佳，但實際上用氣量是隨時變化的，而且設計冗余量較大，所以螺桿壓縮機排氣量都要大于用氣量。如果螺桿壓縮機仍恒速運轉，則儲氣罐內的氣體越積越多，當罐內壓力上升達到設定壓力時，一般采用兩種辦法：一種是螺桿壓縮機卸荷運行，不產生壓縮氣體，電動機處于空載運轉，其用電量為滿負載的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運行，這樣似乎螺桿壓縮機空轉或不斷放空所浪費的電能被消除了，但是若無體積較大的儲氣罐，將會帶來電動機的頻繁啟動，螺桿壓縮機的空載啟動電流大約是額定電流的5耀7 倍，對電網及其它用電設備沖擊較大，同時也會使螺桿壓縮機的使用壽命縮短。

2.3 變頻運行的優勢

由于螺桿壓縮機可以在保證生產所需要的最低壓力下運行，這樣會使電機輸入功率大大下降。

如圖2 所示，輔以壓力閉環控制，就可實現螺桿壓縮機的供氣壓力—轉速的動態匹配，從而減少電機的實際輸入功率，達到節能目的。也即電機的轉速由供氣壓力來控制，壓縮機需要多大的功率，電機就輸出多大的功率，而不必做無用功，從而取得良好的節能效果，節能的另一方面是螺桿壓縮機停止了空轉，所以電機不存在輕載運行，這部分能量也很可觀。

相應帶來的其它好處是：供氣壓力穩定。通過壓力調節器，可使螺桿壓縮機保持在設定的壓力值下工作，壓力穩定可靠性高，而且壓力可以無級設定，隨時可調。電機實現軟啟動，壓縮機的使用壽命及檢修周期都將得到大大延長。螺桿壓縮機排氣量由螺桿壓縮機的轉速來控制，氣缸內氣閥片不再反復地開啟和關閉，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與沖擊，使維修工作量減少。

3 實例

以下為某冷飲廠生產線上的螺桿壓縮機的變頻運行狀況。

3.1 螺桿壓縮機變頻節能實際分析

冷飲廠的每日供氣量隨季節的變化而不同，一日中每時的供氣量也隨時間晝夜而有別，冷飲廠的供氣量始終處于動態的變化之中，冷飲生產線的運行數量也在不斷地改變。該冷飲廠生產線總數為6，進氣閘板、排氣閘板與出氣蝶閥都采用氣動控制，以源臺螺桿壓縮機(兩用兩備)組成的空壓站供給氣源。生產線空壓站變頻調速匹配圖如圖3所示。以下是節能效果的實際測算，其中螺桿壓縮機配用電機參數分別為Pe=11 kW，Ie=22.3 A，Ue=380 V。

1)只運行—條或兩條冷飲生產線只開啟一臺螺桿壓縮機，卸荷時運行電流為11 A，電壓為400 V，功率因數約為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-卸荷時間比為8:6，那么一年一臺螺桿壓縮機卸荷運行所需電能為：W越P伊24伊365伊6衣14越24 319.06 kW·h

2)3 條冷飲生產線全部投運只開啟一臺螺桿壓縮機，這時螺桿壓縮機不再有卸荷運行，儲氣罐壓力為0.65 MPa，輸入電流為20 A，沒有做無用功。

3)6條冷飲生產線全部運行必須將兩臺螺桿壓縮機全部投入運行，這種狀況下的運行情況與2)類似。

3.2 螺桿壓縮機變頻調速的實現方案

根據現場情況，目前控制生產線氣動閥共有4臺(兩用兩備)螺桿壓縮機，型號相同。選用1臺歐姆龍變頻器輪換去驅動兩臺螺桿壓縮機，這樣兩臺螺桿壓縮機在運行時，一臺調速運行一臺定速運行;再輔以適當的控制功能，即可實現整個空壓站的恒壓自動控制。該系統可以根據儲氣罐壓力的變化，自動調節螺桿壓縮機的轉速和螺桿壓縮機的運轉臺數。

該系統自動化程度高，運行方式合理，不到一年時間就能收回投資。當然，螺桿壓縮機采用了變頻調速后，應該注意對螺桿壓縮機正常運行有無影響，首先是潤滑問題，其實螺桿壓縮機轉速越低，吸、排氣壓力差越小，潤滑油耗量也就越小，即所謂“低轉速，低潤滑”。

3.3 變頻器性能要求

1)由于螺桿壓縮機同時具備了變轉矩負載和恒轉矩負載的特性。所以我們選用了德國原裝的毆姆龍系列變頻器，它的過載特性最高可達電機額定電流的200%，IGBT 的極限電流為額定電流的6倍。全面的電機保護功能保證螺桿壓縮機的長期無故障運行。且由于其唯一的出廠24個月保質期，最大限度地保護了用戶利益。

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

3)變頻器內置PID 功能，可以直接輸入壓力信號便于壓力閉環控制。

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

4 結語

變頻器在各行各業中，特別是在節能降耗方面已逐漸得到廣泛的應用，以上案例僅為拋磚引玉。這次全球金融危機不同以往，其影響深度、廣度和持續時間難以預料，對此我們企業一定要練好內功，精細管理，作好節能降耗工作。