摘 要: 本文介紹了空壓機(jī)的工作原理，分析了傳統(tǒng)空壓機(jī)供氣系統(tǒng)電能浪費(fèi)的幾個方面，講述了深圳市傳動之星變頻器對聚丙烯空壓機(jī)供氣系統(tǒng)的節(jié)能改造與節(jié)能效果。
關(guān)鍵詞: 恒壓供氣 變頻器 空壓機(jī)
1、概述
空壓機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛地應(yīng)用。在名種行業(yè)中，它擔(dān)負(fù)著為工廠所有氣動元件，包括各種氣動閥門，提供氣源的職責(zé)。因此它運(yùn)行的好壞直接影響工廠生產(chǎn)工藝。空壓機(jī)的種類有很多，但其供氣控制方式幾乎都是采用加、卸載控制方式。例如臺灣復(fù)盛空壓機(jī)、德國螺霸螺桿式空壓機(jī)和尚愛中高壓活塞式空壓機(jī)都采用了這種控制方式。該供氣方式雖然原理簡單、操作方便，但存在耗電量高、進(jìn)氣閥易損壞、供氣壓力不穩(wěn)定等問題。
隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛快發(fā)展，國家越來越關(guān)注高效低耗的技術(shù)，而這種技術(shù)已受到人們的關(guān)注。在空壓機(jī)供氣領(lǐng)域能否應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，節(jié)省電能的同時也能改善空壓機(jī)性能、提高供氣品質(zhì)就成為我們關(guān)心的一個話題。
2、傳統(tǒng)空壓機(jī)供氣系統(tǒng)電能浪費(fèi)分析
2．1傳統(tǒng)空壓機(jī)供氣系統(tǒng)電能浪費(fèi)主要有如下幾個方面：
(1) 加載時的電能消耗
加載狀態(tài)是，在壓力達(dá)到最小值后，原控制方式?jīng)Q定其壓力會繼續(xù)上升直到最大壓力值。在加壓過程中,一定要向外界釋放更多的熱量，從而導(dǎo)致電能損失。另一方面，高于壓力最大值的氣體在進(jìn)入氣動元件前，其壓力需要經(jīng)過減壓閥減壓,這一過程同樣是一個耗能過程。
(2) 卸載時電能的消耗
空載狀態(tài)時，當(dāng)壓力達(dá)到壓力最大值時，空壓機(jī)通過如下方法來降壓卸載:關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調(diào)節(jié)方法要造成很大的能量浪費(fèi)。據(jù)我們測算，空壓機(jī)卸載時的能耗約占空壓機(jī)滿載運(yùn)行時的10%～25%,這還是在卸載時間所占比例不大的情況下。換而言之，該空壓機(jī)20%左右的時間處于空載狀態(tài)，在作無用功。很明顯在加卸載供氣控制方式下，空壓機(jī)電機(jī)存在很大的節(jié)能空間。
3、空壓機(jī)工作原理
如空壓機(jī)工作流程圖一所示：
螺桿壓縮機(jī)的工作原理可分為進(jìn)氣，壓縮和排氣三個過程。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，每對相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)。
?。?）． 進(jìn)氣過程：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，陰陽轉(zhuǎn)子的齒溝空間在轉(zhuǎn)至進(jìn)氣端壁開口時，其空間最大，此時轉(zhuǎn)子齒溝空間與進(jìn)氣口的相通，因在排氣時齒溝的氣體被完全排出，排氣完成時，齒溝處于真空狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)至進(jìn)氣口時，外界氣體即被吸入，沿軸向進(jìn)入陰陽轉(zhuǎn)子的齒溝內(nèi)。當(dāng)氣體充滿了整個齒溝時，轉(zhuǎn)子進(jìn)氣側(cè)端面轉(zhuǎn)離機(jī)殼進(jìn)氣口，在齒溝的氣體即被封閉。
?。?）． 壓縮過程：陰陽轉(zhuǎn)子在吸氣結(jié)束時，其陰陽轉(zhuǎn)子齒尖會與機(jī)殼封閉，此時氣體在齒溝內(nèi)不再外流。其嚙合面逐漸向排氣端移動。嚙合面與排氣口之間的齒溝空間漸漸件小，齒溝內(nèi)的氣體被壓縮壓力提高。
（3）． 排氣過程：當(dāng)轉(zhuǎn)子的嚙合端面轉(zhuǎn)到與機(jī)殼排氣口相通時，被壓縮的氣體開始排出，直至齒尖與齒溝的嚙合面移至排氣端面，此時陰陽轉(zhuǎn)子的嚙合面與機(jī)殼排氣口的齒溝空間為0，即完成排氣過程，在此同時轉(zhuǎn)子的嚙合面與機(jī)殼進(jìn)氣口之間的齒溝長度又達(dá)到最長，進(jìn)氣過程又再進(jìn)行。
從上述工作原理可以看出，螺桿壓縮機(jī)是一種工作容積作回轉(zhuǎn)運(yùn)動的容積式氣體壓縮機(jī)械。氣體的壓縮依靠容積的變化來實(shí)現(xiàn)，而容積的變化又是借助壓縮機(jī)的一對轉(zhuǎn)子在機(jī)殼內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動來達(dá)到。
4．空壓機(jī)恒壓供氣系統(tǒng)案例介紹
4．1 原供氣系統(tǒng)介紹
某煉油廠聚丙烯供氣系統(tǒng)共有三臺75KW空壓機(jī)，如下圖二，是原聚丙烯空壓機(jī)供氣系統(tǒng)工作流程圖，采用兩臺空壓機(jī)工頻供電運(yùn)行，另一臺空壓機(jī)作備用。
存在問題是由于工作空壓機(jī)是用工頻供電運(yùn)行，始終處于滿負(fù)荷運(yùn)行，趕產(chǎn)量用氣高峰時有氣壓偏低現(xiàn)象；用氣低谷時，特別是節(jié)假日休息時，供氣壓量特別大（該煉油廠聚丙烯供氣系統(tǒng)24小時運(yùn)行）。容易損壞排氣閥門或氣管爆裂，同時浪費(fèi)了電能，降低了設(shè)備使用壽命。希望恒壓供氣，三臺聚丙烯空壓機(jī)均衡工作運(yùn)行。
4．2 變頻恒壓供氣系統(tǒng)框圖
如變頻空壓機(jī)工作流程圖三所示：
針對聚丙烯空壓機(jī)系統(tǒng)供氣控制方式存在的諸多問題，我們對該廠三臺75KW聚丙烯空壓機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制。使用三臺75KW傳動之星通用型變頻器，對該供氣系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，根據(jù)廠家的要求設(shè)計了一套實(shí)用性很強(qiáng)的方案，采用一拖一帶工頻旁路，兩臺運(yùn)行一臺備用的方式。我們把聚丙烯空壓機(jī)供氣系統(tǒng)的管網(wǎng)壓力作為控制對象，用壓力變送器SP采集儲氣罐的壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒oPID自整定控制儀，與PID自整定控制儀的壓力設(shè)定值SV作比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號送變頻器，通過變頻器來控制電機(jī)的工作頻率與轉(zhuǎn)速，從而使實(shí)際壓力P始終接近設(shè)定壓力值SV。還在PID自整定控制儀上預(yù)設(shè)了報警功能，當(dāng)測量值超出上限設(shè)定值時AL1發(fā)出報警信號，當(dāng)測量值低于下限設(shè)定值時AL2發(fā)出報警信號。通過變頻器、壓力傳感器與PID自整定控制儀的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成供氣閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)空壓機(jī)的輸出壓力。使每臺空壓機(jī)的利用率均等，增加系統(tǒng)、管道壓力的穩(wěn)定性和可靠性，方便技術(shù)員控制和維護(hù)設(shè)備。
該恒壓供氣控制系統(tǒng)增加工頻與變頻切換功能，并保留原有的控制和保護(hù)系統(tǒng)，另外，采用該方案后，空壓機(jī)電機(jī)從靜止到旋轉(zhuǎn)工作可由變頻器來啟動，實(shí)現(xiàn)了軟啟動，避免了啟動沖擊電流和啟動給空壓機(jī)帶來的機(jī)械沖擊。
4．3 系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置
F0-000=1：設(shè)定為1，運(yùn)行指令由外部端子控制
F0-001=3：選擇CCI輸入模擬信號DC“4-20MA”調(diào)節(jié)頻率
F0-007=30： 加速時間設(shè)定為30S，具體數(shù)值根據(jù)工況及生產(chǎn)要求
F0-008=30： 減速時間設(shè)定為30S，具體數(shù)值根據(jù)工況及生產(chǎn)要求
F0-005=50： 最大頻率設(shè)定為50Hz (等于電機(jī)額定頻率)
F0-006=25： 下限頻率設(shè)定為25Hz
F0-024=130：電機(jī)過載保護(hù)水平:具體數(shù)值根據(jù)工況及生產(chǎn)要求
F0-019=8.5： 最大給定壓力值， PI數(shù)字給定值 (10對應(yīng)10KG)
F0-020=2： 最小給定壓力值
注：請按實(shí)際工況設(shè)置參數(shù),以上參數(shù)只能供參考。
4．4 系統(tǒng)節(jié)能改造后的節(jié)能效果
1. 空壓機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即轉(zhuǎn)矩在不同速度下相同的，但所需功率也和速度成正比關(guān)系，所以當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時所需功率也隨之下降，從而達(dá)到節(jié)能的目的。
2. 變頻空壓機(jī)的壓力設(shè)定可以是一點(diǎn)，即可以將滿足生產(chǎn)設(shè)備要求的最低壓力作為設(shè)定壓力，變頻空壓機(jī)將根據(jù)管網(wǎng)壓力上下波動的趨勢，調(diào)節(jié)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢，甚至消除了空壓機(jī)的卸載運(yùn)行，節(jié)約了電能。
3. 由于變頻空壓機(jī)使得管網(wǎng)上下壓力穩(wěn)定，可以降低甚至消除壓力的波動，從而使系統(tǒng)中所有運(yùn)行的空壓機(jī)都在一個滿足生產(chǎn)要求的較低的壓力下運(yùn)行，減少了壓力向上波動造成的功率損失。
4. 由于壓縮機(jī)不能排除在滿負(fù)載狀態(tài)下長時間運(yùn)行的可能性，所以，只能按最大需求來決定電動機(jī)的容量，故設(shè)計容量一般偏大。在實(shí)際運(yùn)行中，輕載運(yùn)行的時間所占的比例是非常高的。如采用變頻調(diào)速，可大大提高運(yùn)行時的工作效率。因此，節(jié)能潛力很大。
5. 有些調(diào)節(jié)方式（如調(diào)節(jié)閥門開度和改變?nèi)~片的角度等），即使在需求量較小的情況下，也不能減小電動機(jī)的運(yùn)行功率。采用了變頻調(diào)速后，當(dāng)需求量較小的情況下，可降低電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，減小電動機(jī)的運(yùn)行功率，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
6. 單電動機(jī)拖動系統(tǒng)大多不能根據(jù)負(fù)載的輕重連續(xù)地調(diào)節(jié)。而采用了變頻調(diào)速后，則可以十分方便地進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，能保持壓力、流量、溫度等參數(shù)的穩(wěn)定，從而大大提高壓縮機(jī)的工作性能。
5．傳動之星通用型變頻器的優(yōu)點(diǎn)
1. 可以大量節(jié)約電能；
2. 采用獨(dú)特的空間矢量（SVPWM）調(diào)制方式；
3. 操作簡單，具有鍵盤鎖定功能，防止誤操作；
4. 電機(jī)運(yùn)行噪聲大大降低；
5. 供氣壓力平穩(wěn)，提高了壓力控制精度；
6. 空壓機(jī)的加卸載次數(shù)大大減少，降低進(jìn)氣閥運(yùn)行部件的磨損；
7. 具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動保護(hù)功能及聲光報警功能；
8. 在保證潤滑的前題下，對機(jī)械方面也是大有益處，由于轉(zhuǎn)動速度大部分時間在低于原設(shè)計轉(zhuǎn)速的情況下運(yùn)行，各轉(zhuǎn)動部件的磨損大降低，空壓機(jī)的使用壽命得以延長。
6．結(jié)語
該系統(tǒng)采用變頻器調(diào)速整置實(shí)現(xiàn)恒壓供氣，使用方便，工作可靠，系統(tǒng)壓力恒定，具有較好的控制效果。最主要的是實(shí)現(xiàn)了高交節(jié)能，節(jié)能效果可達(dá)30%左右，同時由于采用變頻器對電機(jī)實(shí)行軟起動，減少了設(shè)備損耗，延長了空壓機(jī)的使用壽命。綜上所述，采用PID自整定控制儀與變頻器為核心部件構(gòu)成的變頻恒壓供氣系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，為供氣領(lǐng)域的技術(shù)革新，開辟了切實(shí)有效的途徑。
參考文獻(xiàn)：深圳市傳動之星技術(shù)手冊
（轉(zhuǎn)載）
