基于双永磁变频两级压缩技术的空压机节能改造

杨银初，何海岗，王志艺，余琳玲

（广东豪美铝业股份有限公司，广东清远 511540）

0 前言

能源短缺已经成为当前制约经济社会可持续发展的突出问题和矛盾，节约能源、提高能源利用效率是解决能源问题的有效途径。在2007年修改的《中华人民共和国节约能源法》里，将节约资源确定为基本国策，明确国家实施节约与开发并举、把节约放在首位的能源发展战略[1]。压缩空气是我国各行业气动设备和工艺设备的主要动力源，据统计，空压机的耗电量占工业设备用电量的10%以上[2]，所以空压机的节能改造势在必行。目前空压机节能改造比较容易实施和比较见效的措施有：空压机系统节能改造和减少车间压缩空气泄漏。其中，采用更低单位能效的空压机替代较高单位能耗的空压机来进行空压机系统节能改造，能够直接地减少用气企业的用电使用量。随着永磁同步电机技术的成熟、变频器调速技术的普遍使用、空压机两级压缩加中间冷却技术的推广以及用气企业工作压力的合理设定，为空压机系统节能改造提供了完善的基础条件。因此提出采用双永磁变频两级压缩技术进行空压机系统节能改造。

1 单级喷油螺杆式空压机运行分析

1.1 单级喷油螺杆式空压机运行原理

普通螺杆空压机大多为单级喷油螺杆式空压机，由一对相互平行啮合的阴阳转子在机体内做相对高速旋转运动，使阴阳转子齿槽和机体之间形成的呈“V”字形的一对齿间容积随转子的回转不断地产生周期性的容积变化，空气则沿着转子轴线方向由吸入端输送至输出端，实现螺杆空压机的吸气、压缩和排气的全过程[3]。其运行的原理图见图1。单级喷油螺杆式空压机的典型配置特点为：其受电的电动机为异步电动机，控制异步电动机的电控部分为采用接触器进行转换的星-△控制方式；单级喷油螺杆式空压机的机头为单级螺杆压缩机，将常温常压的空气通过单级双螺杆一次性压缩成用气单位需求的压力；给定压力是一个有变动范围的压力，是用户向空压机输入的需求指令；最终，单级喷油螺杆式空压机提供给用户的供气压力为波动的压力，为了减少压力波动的范围，用户一般使用增加压缩空气管网上的储气罐数量的方式，或使用增大储气罐容积的方式。

图1 单级喷油螺杆式空压机运行原理图

1.2 异步电动机能耗分析

根据GB 18613-2012《中小型异步电动机能效限定值及能效等级》的新版能效标准的实施，各等级的电机在输出功率下的效率和功率因素都有所提高，异步电动机的效率曲线和功率因数曲线见图2和图3。从图2、3中可看到，除了异步电动机工作在额定功率附近以外的其他区域，其效率和功率因素都是比较低，而异步电动机的无功功率较高，所以作为恒转矩负载的空压机设备，只要运行于额定功率以外的区域，就一定存在节能的空间。

图2 异步电动机η--(P2/Pn)曲线

图3 异步电动机cosψ--(P2/Pn)曲线

1.3 单级压缩能耗分析

根据工程热力学理论，空气压缩机在压缩过程中定温压缩最省功，从图4中可以看出，面积0—3—2T—1—0为定温压缩所需要的功耗，面积0—3—2m—1—0为单级喷油螺杆式空压机实际压缩过程所需要的功耗。从图4中可看到，定温压缩所需要的功耗要小于单级压缩所需要的功耗，因而从功率消耗的角度来看，定温压缩最为有利，它不但可减少消耗的功率，还可降低压缩后气体的温度。对于定温压缩，要使气体热量随时与外界交换，气体温度与外界相等实际工况中是不可能实现的，这只是空压机制造厂家在产品设计生产中努力的方向。为了降低压缩后的气体温度和提高空压机的效率，尽可能向定温压缩过程靠近，这使得空压机的使用材料更加宽广和经济，同时使得空压机的运行更加可靠，经过测算，定温压缩比普通螺杆空压机的单级压缩至少节省功耗15%以上。

图4 定温压缩和单级压缩P-V示功图

1.4 加载—卸载运行模式分析

为降低能耗，当用气管网压力升至某一值时，空压机的电脑控制器将令压缩机停机，然后当气管网压力降至某一值时，再令压缩机自动重新启动。为避免频繁启动给电机造成损害，如果预计的卸载时间较短，电脑控制器将令压缩机卸载运行而不停机，采用空载运行的方式运行，如图5所示。当空压机运行时，空压机的输出压力从加载压力ps上升到卸载压力ps+Δp阶段，空压机的功率也从P1上升到P1+ΔP，在这个阶段，空压机的输出压力和功率都是线性运行状态。一旦压力达到ps+Δp，如果空压机管网的用气量比较大，空压机将不会停机，而采用空载运行的方式，此时空压机的功率维持在一个恒定的P2值（如图5中3—3’、6—6’和9-9’）。一旦管网的压力由卸载压力ps+Δp下降至加载压力ps时，又开始另一个循环的加载—卸载工作。

图5 单级喷油螺杆式空压机运行时序图

一般情况下，浮动压力Δp≥ps×10%，相应地，浮动功率ΔP≥P1×10%。由图5可知，单级喷油螺杆式空压机采用加载—卸载运行状态下，运行一个周期的功耗为0—P1—1—3—3’—t2—0所围成的面积。如果采用恒定压力供气时，空压机的输出压力会一直维持在ps，空压机的输出功率也会一直维持在P1上，此时，单级喷油螺杆式空压机运行时序一个周期的功耗为0—P1—2’—t2—0所围成的面积。根据经验计算，0—P1—1—3—3’ —t2—0所围成的面积会比0—P2—2’ —t2—0所围成的面积大5%以上，实际上，单级喷油式螺杆式空压机在无外加变频器的情况下是无法做到恒压供气的。

从以上对单级喷油螺杆式空压机运行分析可知：由于单级喷油螺杆式空压机采用异步电动机、采用单级压缩、波动压力供气，使其运行综合能耗大大升高。在此种情况下，亟需采用更加节能的方法对普通螺杆式空压机系统进行节能技术的改造，采用双永磁变频两级压缩技术的空压机改造是一种可行的方法。

2 分析、讨论和对比

2.1 双永磁变频两级螺杆空压机运行分析

图6是双永磁变频两级螺杆空压机的运行原理图。双永磁变频两级螺杆空压机仍然是喷油螺杆式空压机，但它是两级压缩，使用两个压缩机机头，由两台永磁同步电机带动，永磁同步电机的调速控制由各自的变频器完成，在实际的运行中最终形成恒定压力给定，恒定压力供气的模式。

2.2 永磁同步电动机运行分析

图6 双永磁变频两级螺杆空压机运行原理图

永磁同步电动机中，转子的直流励磁绕组被永磁体取代。这样做的优点是消除了励磁铜耗，使功率密度更高，转子惯性更低和转子结构更加坚固[4]。图7和图8是永磁同步电机和异步电动机的效率曲线和功率因素曲线图。从图中可以看出，永磁同步电机无论是在额定负载附近还是在其他的运行区域，其效率和功率因素都比较接近1，无功功率较低。因此，永磁同步电机比异步电动机能效更高。

图7 永磁同步电机和异步电动机η--(P2/Pn)曲线

图8 永磁同步电机和异步电动机cosψ--(P2/Pn)曲线

2.3 两级压缩加中间冷却

现在的空压机改造方式由原来的单级压缩改为两级压缩，并增加了中间冷却，第一级压缩后经过中间冷却，使进入到第二级的压缩空气温度等于或接近于第一级的进气温度，这样才能降低排气温度和功耗。从初压到终压，分的级数和中间冷却过程越多，就越接近定温压缩，但分级过多将增加气体流动的阻力，而且空压机制造成本也大大增加，因此分级必须合理，两级压缩是应用最多的分级方法。而中间冷却最常用的方法是向压缩腔内喷油冷却，将循环冷却的少量冷却油喷成雾状与气体一起进入压缩腔内，喷入的油雾吸收了压缩空气在压缩过程中产生的大量热量，然后与空气一起排出空压机壳体，经油气分离后循环使用。图9是两级压缩加中间冷却的P—V示功图，图中的阴影部分的面积即为所节省的功耗（图中2m’—2T’—2m’’—2m—2m’）。由于二级进气温度被冷却到一级进气温度，经过测试，两级压缩加中间冷却所节省的功耗（图中阴影部分）比单级压缩所需的功耗节省10%以上。

图9 两级压缩加中间冷却的P-V示功图

2.4 变频器调速

对机械负载经常变化的电气传动系统，应采用调速运行的方式加以调节。调速运行方式的选择，应根据系统的特点和条件，通过安全、技术、经济、运行维护等方面综合经济分析比较后确定[5]。由于单级喷油螺杆式空压机标准配置是无变频器的，机械负载变化较大，因而其压力波动较大，采用间歇运行或加载—卸载控制方式运行时根本无法实现恒压供气，而双永磁变频两级螺杆空压机中加入了变频器调速，从而使压缩空气管网的压力更加稳定，其压力曲线几乎为一条直线。根据测试，加入变频器后的恒压供气运行模式比加载—卸载运行模式节能率大大提高。

2.5 空压机节能量对比

公司挤压车间的用气量比较集中，采用新改造使用的双永磁变频两级螺杆空压机替代单级喷油螺杆式空压机，经过能量测试，双永磁变频两级螺杆空压机比单级喷油螺杆式空压机节能率为20.59%，见表1。

3 结论

目前我国的工矿企业运行着大量的单级喷油螺杆式空气压缩机，这类空压机的电动机运行效率和功率因素低、压缩机为单级螺杆式，大部分采用的是自动加卸载控制方式[6]，从而造成大量电能的浪费；这类空压机的供气方式为波动供气，给用户供气造成不稳定，用气企业为了减少压力的波动从而增加了大量额外的储气罐，增加了设备和资金的投入。而双永磁变频两级螺杆空压机可以完全替代单级喷油螺杆式空压机，经过多台空压机的测试分析，采用双永磁变频两级螺杆空压机而进行的空压机系统节能改造，节能量达到20%～40%之间，空压机用电量从改造前占全公司用电量的9.8%，到改造后下降至占全公司用电量的8.0%左右，节能效果相当明显。因此，采用双永磁变频两级螺杆空压机进行空压机系统节能改造是一项非常有前景的技术改造。

表1 单级喷油螺杆式空压机和双永磁变频两级螺杆空压机节能量测试表

参考文献：

［1］广东省节能培训教材编写组.合理用电基础与技术［M］.北京：中国电力出版社，2013.

［2］邹江，张霞，王涛.螺杆式空压机变频节能改造［J］.机械制造与自动化，2015，44（6）：88-90.

［3］邓定国，束鹏程.回转式压缩机［M］.北京：机械工业出版社，1989.

［4］闻邦椿.机械设计手册：第5卷［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［5］GB/T 3485-1998.评价企业合理用电技术导则［S］.

［6］付跃军.卷烟厂空压机的节能改造［J］.节能，2014，382（7）：74-76.