空壓機節(jié)電系統(tǒng)

一、應用背景:

空氣壓縮機作為一種重要的動力形式，被廣泛應用于生活生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。其廣泛應用于機械，冶金，電子電力，醫(yī)藥，包裝，化工，食品，采礦，紡織，交通等眾多工業(yè)領域?？諌簷C組是很多企業(yè)的必備動力設備，一般在設計空壓機的裝機容量時，由于不能排除空壓機在滿負荷狀態(tài)下長時間運行的可能性，所以只能按******需要來決定壓縮機的容量，設計余量一般偏大。

二、工作原理

目前市場上空壓機主要分為螺桿空壓機、活塞空壓機和離心式空壓機等，離心式空壓機主要應用于用氣量很大的場合，般企業(yè)應用很少?；钊娇諌簷C設備投資低，以往很多企業(yè)都采用，但是產(chǎn)氣效率較差，正連步被螺桿式空壓機所取代，螺桿式空壓機設備產(chǎn)氣效率高，主要分為有油和無油兩種，其中無油式空壓機應用在紡織、醫(yī)藥等特殊場合。下面我們就蝶桿式和活塞式分別作一下簡要介紹:

1、螺桿式空壓機原理

(1)吸氣過程:

螺桿式的進氣側(cè)吸氣口.在設計時必項使壓縮室可以充分吸氣.而螺桿式壓縮機并無進氣與排“閩組，進氣只靠調(diào)節(jié)周的開啟，關團調(diào)節(jié)， 當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，主副轉(zhuǎn) 子的齒溝空間在轉(zhuǎn)至進氣端味開口時，其空間******，此時轉(zhuǎn)子的內(nèi)溝空間與進中之自山空相通，因在排氣時齒溝之空氣被全數(shù)排出。排氣結(jié)束時，內(nèi)溝乃處于真寧狀態(tài):當轉(zhuǎn)到進氣口時，外界空氣即坡吸入沿軸向流入主麗轉(zhuǎn)了的費溝內(nèi)當空氣無滿蝦個由溝時，轉(zhuǎn)子之進氣側(cè)湖面轉(zhuǎn)離了機光之進"n，在內(nèi)溝向的空氣即被封閉。

(2)封閉及輸送過程:

主副兩轉(zhuǎn)子在吸氣結(jié)束時，其主副轉(zhuǎn)子齒峰會與機殼封閉，此時空氣在齒溝內(nèi)封閉不再外流，即[封閉過程].兩轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，其齒峰與齒溝在吸氣端吻合，吻合面逐漸向排氣端移動。

(3)壓縮及噴油過程:

在輸送過程中，嚙合面逐漸向排氣端移動，亦即嚙合面與排氣口間的齒溝間漸漸減小，齒溝內(nèi)之氣體逐漸被壓縮，壓力提高，此即[壓縮過程]。而壓縮同時潤滑油亦因壓力差的作用而噴入壓縮室內(nèi)與室氣混合。

(4)排氣過程:

當轉(zhuǎn)子的嚙合端面轉(zhuǎn)到與機殼排氣相通時，(此時壓縮氣體之壓力******)被壓縮之氣體開始排出，直至齒峰與齒溝的嚙合面移至排氣端面，此時兩轉(zhuǎn)子嚙合面與機殼排氣口這齒溝空間為零，即完成(排氣過程)，在此同時轉(zhuǎn)子嚙合面與機殼進氣口之間的齒溝長度又達到最長，其吸氣過程又在進行

2、活塞空氣壓縮機工作原理

在氣缸內(nèi)作往復運動的活塞向右移動時，氣缸內(nèi)活塞左腔的壓力低于大氣壓力p,吸氣閥開啟，外界空氣吸入缸內(nèi)，這個過程稱為壓縮過程。當缸內(nèi)壓力高于輸出空氣管道內(nèi)壓力p后，排氣閥打開。壓縮空氣送至輸氣管內(nèi)，這個過程稱為排氣過程?；钊耐鶑瓦\動是由電動機帶動的曲柄滑塊機構(gòu)形成的。曲柄的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為滑動活塞的往復運動?；钊娇諌簷C有多種結(jié)構(gòu)形式。按氣缸的配置方式分有立式、臥式、角度式、對稱平衡式和對置式幾種。按壓縮級數(shù)可分為單級式、雙級式和多級式三種。按設置方式可分為移動式和固定式兩種。按控制方式可分為卸荷式和壓力開關式兩種。其中，卸荷式控制方式是指當貯氣罐內(nèi)的壓力達到調(diào)定值時，空壓機不停止運轉(zhuǎn)而通過打開安全閥進行不壓縮運轉(zhuǎn)。這種空轉(zhuǎn)狀態(tài)稱為卸荷運轉(zhuǎn)。而壓力開

關式控制方式是推當貯氣罐內(nèi)的壓力達到調(diào)定值時，空壓機自動停止運轉(zhuǎn)?；罴问娇諌簷C的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，并且容易實現(xiàn)大容量和高壓輸出。缺點是振動大，噪聲大且因為排氣為斷續(xù)進行，輸出有脈沖，需要貯氣罐。

三、存在問題

1、能耗分析

我們知道加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在Pmin-Pmax之間來回變化。Pmin是最低工作壓力值，即能夠保證用戶正常工作的最低壓力。-股情況下，Pmax、Pmin之間關系可以用下式來表示:

Pmax=(1+ 5 )Pmin

8是一個百分數(shù)，其數(shù)值大致在10%~25%之間。

而若采用變頻調(diào)速技術可連續(xù)調(diào)節(jié)供氣量的話，則可將管網(wǎng)壓力始終維持在能滿足最低工作壓力上，即Pmin附近。

由此可知，在加、卸載供氣控制方式下的空壓機較之變頻系統(tǒng)控制下的空壓機，所浪費的能量主要在2個部分:

a、 壓縮空氣壓力超過Pmin所消耗的能量

b、在壓力達到 Pmin后，原控制方式?jīng)Q定其壓力會繼續(xù)上升(直到Pmax).這一過程中必將會向外界釋放更多的熱量，從而導致能量損失。另一方面，高于Pmin的氣體在進入氣動元件前，其壓力需要經(jīng)過減壓潤減壓至接近Pmin.這過程同樣是一個耗能過程。

2、卸載時調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量

通常情況下，當壓力達到Pmax時，空壓機通過如下方法來降壓卸載:關閉進氣閥使電機處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空間放空。這種調(diào)節(jié)方法要造成很大的能量浪費。關閉進氣閥使電機空轉(zhuǎn)雖然可以使空壓機不需要再壓縮氣體作功，但空壓機在空轉(zhuǎn)中還是要帶動螺桿或者活塞做回轉(zhuǎn)運動，據(jù)我們測算，空壓機卸栽時的能耗約占空壓機滿載運行時的10%~ 15%(這還是在卸載時間所占比例不大的情況下)。換言之.該空壓機10%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，空壓機電機存在很大的節(jié)能空間。

3、其它不足之處

(1)靠機械方式調(diào)節(jié)進氣閥，使供氣量無法連續(xù)調(diào)節(jié)，當用氣量不斷變化時，供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動。用氣精度達不到工藝要求。再加上頻繁調(diào)節(jié)進氣閥，會加速進氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。

(2)頻繁采用打開和關閉放氣閥，放氣閥的耐用性得不到保障。一般的工礦企業(yè)空壓機-直都是全速運行,正常情況空壓機設計時將這部分多余的能星通過溢壓閥放掉了溢壓閥放的能量越多，那么浪費的電能就越多:新型的空壓機雖已采用自動控制當氣樂到達設定值時通過調(diào)節(jié)進氣量來調(diào)整做功量，當?shù)竭_******設定值時關閉進氣閥讓電機空轉(zhuǎn),這樣雖可節(jié)約一部分電能,但據(jù)我們實測，空轉(zhuǎn)時的電流只是降到打壓時的一半電流(如一臺55KW空壓機打壓時電流為100A到120A,空轉(zhuǎn)時電流也有60A左右) ,都存在電能的巨大浪費。

四、改造方案

空氣壓縮機恒壓供氣智能控制系統(tǒng)是由變頻器、壓力傳感器、智能控制器控制單元、軟件控制單元等組成。此控制系統(tǒng)根據(jù)壓力傳感器檢測到的空壓機出口的壓力值，通過智能控制器進行計算，然后輸出信號調(diào)整變頻器輸出頻率，進而控制壓縮機轉(zhuǎn)速，在精確地控制空壓機出口的壓力的同時，延長壓縮機系統(tǒng)的使用壽命，并大幅度地節(jié)約電能。

我們可以把管網(wǎng)壓力作為控制對象，壓力變送器YB將儲氣罐的壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒oPID智能儀表，與壓力設定值P0作比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產(chǎn)生控制信號送變頻調(diào)速器VVVF,通過變頻器控制電機的工作頻率與轉(zhuǎn)速，從而使實際壓力P始終接近設定壓力PO:同時，該方案可增加工頻與變頻切換功能，并保留原有的控制和保護系統(tǒng)，另外，采用該方案后，空壓機電機從牌止到旋轉(zhuǎn)工作可由變頻器來啟動，實現(xiàn)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。

由于用氣量的不斷變化，氣罐里的壓力也會變化頻繁。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)用調(diào)整電機轉(zhuǎn)速的方法來調(diào)整壓縮機的供氣量。使氣罐內(nèi)的氣壓始終保持在理想的狀態(tài)下，由于空壓機基本上屬于恒轉(zhuǎn)矩負載，用變頻調(diào)速的方法調(diào)整供氣量能使電機的輸出功率基本與轉(zhuǎn)速(供氣量)成正比關系，達到很好的節(jié)電效果。由于空壓機在啟動時，內(nèi)部有少量的滯留氣壓，啟動和加減速運行時要求變頻器反應快速，因此，調(diào)節(jié)方式采用閉環(huán)自動調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)根據(jù)壓力傳感器檢測到空壓機出口的壓力信號值，經(jīng)過A/D模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元的信號轉(zhuǎn)換后，通過智能控制器和變頻器調(diào)整壓縮機電機的轉(zhuǎn)速，保證電機以最小的功率輸出。

空壓機節(jié)電控制系統(tǒng)與空壓機原控制系統(tǒng)互為備用，兩套系統(tǒng)之間存在互鎖關系，以確?？諌簷C正常、安全運行

五、節(jié)電原理

我們知道，用調(diào)整電機轉(zhuǎn)速的方法同樣可以調(diào)整供氣量。由于空壓機基本上屬于恒轉(zhuǎn)矩負載，用變頻調(diào)速的方法調(diào)整供氣量能使電機的輸出功率基本與轉(zhuǎn)速(供氣量)成正比關系，達到很好的節(jié)電效果。

我們采用具有矢量控制功能的富士變頻器(或由用戶指定品牌的變頻器)，可使電機在低速時也能提供滿足負載需要的轉(zhuǎn)矩。同時，富士變頻器的自動節(jié)電模式，可使電機在滿足負載轉(zhuǎn)矩要求下以最小電流運行，達到更好的節(jié)電效果。

進氣口調(diào)節(jié)方式耗用

變頻調(diào)速耗用功率

Q (流量)

50% 100%圖6功率-流量曲線圖

總之，采用空壓機節(jié)電控制系統(tǒng)后，不但可節(jié)約15 35%的電 力費用，延長壓縮機的使用壽俞，并可實現(xiàn)“恒壓供氣”的目的，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

六、改造后性能1、節(jié)約能源:

變頻器控制壓縮機與傳統(tǒng)控制的壓縮機比較，能源節(jié)的是最有實際意義的。根據(jù)壓縮空氣雷求量來供給的壓縮機工作是經(jīng)濟的運行狀態(tài)，節(jié)省電費約15 -35%2間，運行成本降低

傳統(tǒng)壓縮機的運行成本由三項組點:初始采購成本、維護點本和能要成本。其中能源成本大約占壓縮機運行成本的77%.通過能源成本降低25%，再加上變領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。

3、提高壓力控制精度:

變頻控制系統(tǒng)具有精確的壓力控制能力。使壓縮機的空氣壓力輸出與用戶空氣系統(tǒng)所需的氣盤相匹配。變頻控制壓縮機的輸出氣量隨著電機轉(zhuǎn)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(wǎng)的系統(tǒng)壓力變化保持在3pisg變化范圍也就是0.Zbar范圍內(nèi)有效地提高了工況的質(zhì)量。

4、延長壓縮機的使用壽命:

變頻器從0Hz起動壓縮機，它的起動加速時間可以調(diào)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(tǒng)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-波動電流會影響電網(wǎng)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。

5、降低了空壓機的噪音:

根據(jù)壓縮機的工況要求，變頻調(diào)速改造后，電機運轉(zhuǎn)速度明顯減慢，因此有效地降了空壓機運行時的噪音?，F(xiàn)場測定表明，噪音與原系統(tǒng)比較下降約3至7分貝。

6、系統(tǒng)穩(wěn)定性能更強:

保存原軟啟動系統(tǒng)，本控制系統(tǒng)的變頻-工頻切換功能可以使變頻控制系統(tǒng)發(fā)生故障時將壓縮機電機切換到原軟啟動系統(tǒng)工頻工作，以確保壓縮機組可以正常工作。

空壓機主機節(jié)電已經(jīng)被很多工業(yè)企業(yè)所采用。節(jié)電效果一般在15%~35%，節(jié)電率高并提高供氣質(zhì)量。但是由于它特殊的力矩特性及復雜的電路系統(tǒng)，只有少數(shù)技術公司才能完全掌握。