【壓縮機網(wǎng)】引言
長(cháng)期以來(lái)，空氣壓縮機（以下簡(jiǎn)稱(chēng)空壓機）一直采用降壓?jiǎn)?dòng)，以工頻恒轉速運行模式進(jìn)行工作，因選擇空壓機時(shí)是根據壓縮空氣最大需要量來(lái)確定的。為保證用氣壓力在一定范圍內，空壓機要根據用氣需求量經(jīng)常改變運行方式。常見(jiàn)的有采用進(jìn)氣閥門(mén)控制的方法，即當管路壓力達到設定壓力上限時(shí)，進(jìn)氣閥門(mén)關(guān)閉，空壓機處于空載運行，雖然在電動(dòng)機帶動(dòng)下運轉，但不輸出壓縮空氣，管路壓力不再上升；當管路壓力達到設定下限時(shí)，進(jìn)氣閥打開(kāi)，輸出壓縮空氣，管路壓力上升。如此往復，整個(gè)運行過(guò)程電動(dòng)機保持運行，但空壓機不時(shí)地進(jìn)入空載運行，出現頻繁起動(dòng)，造成能源浪費。由于設計時(shí)空壓機不能排除在滿(mǎn)負荷狀態(tài)下長(cháng)時(shí)間運行的可能性。所以，只能按最大需求來(lái)選擇電動(dòng)機，故電動(dòng)機容量一般較大。在實(shí)際運行中，輕載運行的時(shí)間往往所占的比例是非常高的，這就造成較大的能源浪費。本文就空壓機系統節能降耗的一些具體途徑進(jìn)行了探討。
一、優(yōu)化空氣壓縮系統的設計
實(shí)行空壓站集中供氣，不僅便于管理，節約投資，還可以提高設備的利用率，更方便地調節供氣壓力和供氣量，滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要。設計時(shí)，首先要根據用氣裝置的分布情況，各裝置用氣時(shí)間和用氣壓力的情況，盡可能地避免輸送管道過(guò)長(cháng)而引起的較大的阻力損失和泄漏損失，而設計一個(gè)或兩個(gè)甚至更多的空壓站，實(shí)行分片供氣或分片聯(lián)網(wǎng)供氣，同時(shí)空壓站的位置應該位于該片供氣系統的中心，并盡量離用氣量多的或用氣壓力高的裝置近一些。其次，對輸送管道的設計也要認真對待，盡量做好在沒(méi)有障礙物的情況下，管道越短越好；為盡量降低泄漏率，管道鋪設設計時(shí)優(yōu)先采用輻射狀而少采用樹(shù)枝狀方式輸送壓縮空氣；優(yōu)化保障重點(diǎn)裝置的供氣壓力和供氣量。最后，設計時(shí)還應考慮空壓機的運行環(huán)境，盡可能降低吸氣溫度，保障吸氣清潔度，并配備良好的冷卻系統。
二、變頻調速方式
1、變頻調速的工作原理
變頻調速技術(shù)是一種以改變電機頻率和改變電壓來(lái)達到點(diǎn)擊調速目的的技術(shù)，空壓機所使用的電動(dòng)機通常為交流異步電動(dòng)機，其輸出轉速為：
n=60f (1-s)/p ……………………… (1)
n—電動(dòng)機的轉速
f—電源的頻率，Hz
p—電動(dòng)機的極對數
s—電動(dòng)機的轉差率，（0-6%）
由交流異步電動(dòng)機的轉速公式(1)可知，只要設法改變三相交流電動(dòng)機的供電頻率f，就能十分方便地改變電動(dòng)機轉速n。而當轉差率s變化不大時(shí)，交流電動(dòng)機的轉速n基本與f 基本成正比，即當調節供電頻率時(shí)便可調節異步電機的轉速，這是變頻的理論基礎。因此采用變頻調速器來(lái)改變電動(dòng)機的供電頻率，也就改變了電動(dòng)機轉速，同時(shí)也改變了空壓機氣缸的運動(dòng)頻率，進(jìn)而改變了空壓機輸出的氣體壓力，達到調節空壓機輸出氣體壓力的目的。根據電磁感應原理，在變頻調速時(shí)，只要磁通Φ保持不變，則電源頻率f 就與電機定子電壓成正比，那么電機的轉速和輸出功率就隨著(zhù)電源頻率的變化而變化。當電源頻率減小時(shí)，電機的轉速也隨之減小，改變定子側的輸入電壓，即可調節電動(dòng)機的頻率，這就是恒壓頻比（v／f）的控制方式。該方法實(shí)現起來(lái)簡(jiǎn)單，便于控制在調速性能要求不是很高的場(chǎng)合，也是目前廣泛采用的一種調速方法。
空氣壓縮機采用變頻調速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制時(shí)，系統原理如圖1所示。
該系統的說(shuō)明：它以輸出壓力為控制對象，由壓力變送器取出的反饋信號接到本身具有PID調節功能的變頻器上，與預設的壓力給定信號進(jìn)行比較，經(jīng)PID調節后綜合信號接到變頻器的輸入給定端，從而按壓力的變動(dòng)量決定電機M的工作頻率和轉速的大小，實(shí)現變頻調節的方式。
2、變頻調速節能分析
?。?）恒轉矩負載類(lèi)應用
恒轉矩負載即不管轉速如何變化，負載轉矩是恒定的。其公式如下:
P=K×T×n……………………………… (2)
式中：P為軸功率，K為系數，T為負載轉矩， n為轉速。
從公式(2)可以看到，軸功率與電機的轉速成正比。應用變頻調速技術(shù)后，如當由于工藝的需要而降低電機轉速n至額定轉速的80％時(shí)，相應的電能消耗降低為原來(lái)的80％。
?。?）變轉矩負載類(lèi)應用
通過(guò)流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機、泵類(lèi)、壓縮機設備均屬變轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n，H∝n2， P∝n3；也就是說(shuō)，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。當電機轉速稍有下降時(shí)，軸功率將大幅下降。如當流量為額定流量的80％時(shí)，Pn僅為0.51Pe，即電機軸功率僅為額定功率的51％，下降近一半。因而當變頻器應用于風(fēng)機、水泵、壓縮機等負載，當流量有變化時(shí)就能夠節能，且節能效果非常顯著(zhù)。
三、余熱回收原理
對于空壓機來(lái)說(shuō)，其輸入能源的80％左右將轉化為熱能，如果根據相應類(lèi)型空壓機的結構和原理，適當地進(jìn)行改造，將其熱量回收，就可以變廢為寶，將原本排入環(huán)境的熱量收集利用，減少用于其他用途加熱的燃料消耗量。熱回收原理如圖2所示。
基于余熱回收的原理，我們通過(guò)在空壓機的油路中增加換熱器及相應的控制裝置，將全部或部分原本由油冷卻器排風(fēng)扇帶走的熱量收集起來(lái)，對冷水進(jìn)行加熱，從而減少了原先加熱所需的能源。冷卻器進(jìn)口油溫大概為85～100℃，通過(guò)安裝相應的換熱器，使用逆流換熱和合適的油溫和水溫控制措施，將出口水溫提高到65～80℃，同時(shí)保證壓縮機的正常運行。具體的熱回收系統流程如圖3所示。
四、提高空壓機的運行效率
提高空壓機運行效益的關(guān)鍵，是提高空壓機的排氣量。影響空壓機排氣量的因素很多，通過(guò)運行實(shí)踐，可以從下面幾方面著(zhù)手，取得很明顯的效果。
1.保證良好的吸氣環(huán)境和冷卻條件。加強吸氣點(diǎn)的通風(fēng)，定期清洗更換吸氣過(guò)濾網(wǎng)，既能減少阻力又能有效地阻止大氣中的粉塵進(jìn)入氣缸，防止粉塵加劇活塞環(huán)與氣缸的磨損和破壞氣閥的氣密性而造成的內漏。因為任何一級的吸氣溫度提高1℃，排氣量就減少2％左右，而功率并不減少，所以冷卻水最好采用經(jīng)加氯、加藥處理的循環(huán)水或軟化水，保證熱交換器的冷卻效果，并確?？諌簷C所需的冷卻水量和水壓。
2.搞好維護保養，合理確定維修周期，嚴格要求維修質(zhì)量。定期清洗空氣過(guò)濾網(wǎng)、空壓機冷卻系統，定期修理或更換氣閥、活塞環(huán)和填料環(huán)；并由專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行維修質(zhì)量檢查，確檢修后氣缸余隙容積控制在合理范圍內，確?；钊h(huán)的裝配質(zhì)量和氣閥的維修質(zhì)量。
3.加強運行管理，將檢查落實(shí)到實(shí)處。操作人員要求對各級冷凝器、各輔助設備及時(shí)排水、排油和排塵，確保各吹除閥不漏氣；要及時(shí)檢查和調節冷卻水水壓和水量，保證冷卻水進(jìn)出水溫差大于10℃，中間冷卻器出口氣溫小于40℃；要仔細檢查各氣閥工作狀態(tài)，發(fā)現問(wèn)題及時(shí)處理或匯報。
空氣壓縮系統的節能降耗，直接影響企業(yè)的生產(chǎn)成本和投資效益，通過(guò)優(yōu)化空氣壓縮系統設計，采用變頻調速技術(shù)和余熱回收技術(shù)，加強對空氣壓縮系統運行管理，提高空壓機的運行效益和加強對空壓機的維護保養等措施，我們可以取得十分明顯的節能效果。
參考文獻
[1]李鋒,許全錄,孫敬榮.變頻調速技術(shù)在空壓機上的應用[J].煤礦安全,2000(5):14-15.
[2]王應來(lái),張利平,尤磊.變頻調速技術(shù)在往復式壓縮機上的應用[J].煤氣與熱力,2000(11): 426-427.
[3]歐陽(yáng)焰嘯.關(guān)于空壓機節能方法的探索[J]. 環(huán)境保護,2009(5):58-60.
[4]李文華,李蕊蕊,張益祥.改善空壓機運行的節能技術(shù)[J].煤礦機械,2007,28(8):173-l74.
[5]洪天星.空壓機的變頻調節技術(shù)[J].壓縮機技術(shù),2006,( 8):27-29.
[6]陳宏鈞.活塞式壓縮機使用技術(shù)手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1992.
長(cháng)期以來(lái)，空氣壓縮機（以下簡(jiǎn)稱(chēng)空壓機）一直采用降壓?jiǎn)?dòng)，以工頻恒轉速運行模式進(jìn)行工作，因選擇空壓機時(shí)是根據壓縮空氣最大需要量來(lái)確定的。為保證用氣壓力在一定范圍內，空壓機要根據用氣需求量經(jīng)常改變運行方式。常見(jiàn)的有采用進(jìn)氣閥門(mén)控制的方法，即當管路壓力達到設定壓力上限時(shí)，進(jìn)氣閥門(mén)關(guān)閉，空壓機處于空載運行，雖然在電動(dòng)機帶動(dòng)下運轉，但不輸出壓縮空氣，管路壓力不再上升；當管路壓力達到設定下限時(shí)，進(jìn)氣閥打開(kāi)，輸出壓縮空氣，管路壓力上升。如此往復，整個(gè)運行過(guò)程電動(dòng)機保持運行，但空壓機不時(shí)地進(jìn)入空載運行，出現頻繁起動(dòng)，造成能源浪費。由于設計時(shí)空壓機不能排除在滿(mǎn)負荷狀態(tài)下長(cháng)時(shí)間運行的可能性。所以，只能按最大需求來(lái)選擇電動(dòng)機，故電動(dòng)機容量一般較大。在實(shí)際運行中，輕載運行的時(shí)間往往所占的比例是非常高的，這就造成較大的能源浪費。本文就空壓機系統節能降耗的一些具體途徑進(jìn)行了探討。
一、優(yōu)化空氣壓縮系統的設計
實(shí)行空壓站集中供氣，不僅便于管理，節約投資，還可以提高設備的利用率，更方便地調節供氣壓力和供氣量，滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要。設計時(shí)，首先要根據用氣裝置的分布情況，各裝置用氣時(shí)間和用氣壓力的情況，盡可能地避免輸送管道過(guò)長(cháng)而引起的較大的阻力損失和泄漏損失，而設計一個(gè)或兩個(gè)甚至更多的空壓站，實(shí)行分片供氣或分片聯(lián)網(wǎng)供氣，同時(shí)空壓站的位置應該位于該片供氣系統的中心，并盡量離用氣量多的或用氣壓力高的裝置近一些。其次，對輸送管道的設計也要認真對待，盡量做好在沒(méi)有障礙物的情況下，管道越短越好；為盡量降低泄漏率，管道鋪設設計時(shí)優(yōu)先采用輻射狀而少采用樹(shù)枝狀方式輸送壓縮空氣；優(yōu)化保障重點(diǎn)裝置的供氣壓力和供氣量。最后，設計時(shí)還應考慮空壓機的運行環(huán)境，盡可能降低吸氣溫度，保障吸氣清潔度，并配備良好的冷卻系統。
二、變頻調速方式
1、變頻調速的工作原理
變頻調速技術(shù)是一種以改變電機頻率和改變電壓來(lái)達到點(diǎn)擊調速目的的技術(shù)，空壓機所使用的電動(dòng)機通常為交流異步電動(dòng)機，其輸出轉速為：
n=60f (1-s)/p ……………………… (1)
n—電動(dòng)機的轉速
f—電源的頻率，Hz
p—電動(dòng)機的極對數
s—電動(dòng)機的轉差率，（0-6%）
由交流異步電動(dòng)機的轉速公式(1)可知，只要設法改變三相交流電動(dòng)機的供電頻率f，就能十分方便地改變電動(dòng)機轉速n。而當轉差率s變化不大時(shí)，交流電動(dòng)機的轉速n基本與f 基本成正比，即當調節供電頻率時(shí)便可調節異步電機的轉速，這是變頻的理論基礎。因此采用變頻調速器來(lái)改變電動(dòng)機的供電頻率，也就改變了電動(dòng)機轉速，同時(shí)也改變了空壓機氣缸的運動(dòng)頻率，進(jìn)而改變了空壓機輸出的氣體壓力，達到調節空壓機輸出氣體壓力的目的。根據電磁感應原理，在變頻調速時(shí)，只要磁通Φ保持不變，則電源頻率f 就與電機定子電壓成正比，那么電機的轉速和輸出功率就隨著(zhù)電源頻率的變化而變化。當電源頻率減小時(shí)，電機的轉速也隨之減小，改變定子側的輸入電壓，即可調節電動(dòng)機的頻率，這就是恒壓頻比（v／f）的控制方式。該方法實(shí)現起來(lái)簡(jiǎn)單，便于控制在調速性能要求不是很高的場(chǎng)合，也是目前廣泛采用的一種調速方法。
空氣壓縮機采用變頻調速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制時(shí)，系統原理如圖1所示。
該系統的說(shuō)明：它以輸出壓力為控制對象，由壓力變送器取出的反饋信號接到本身具有PID調節功能的變頻器上，與預設的壓力給定信號進(jìn)行比較，經(jīng)PID調節后綜合信號接到變頻器的輸入給定端，從而按壓力的變動(dòng)量決定電機M的工作頻率和轉速的大小，實(shí)現變頻調節的方式。
2、變頻調速節能分析
?。?）恒轉矩負載類(lèi)應用
恒轉矩負載即不管轉速如何變化，負載轉矩是恒定的。其公式如下:
P=K×T×n……………………………… (2)
式中：P為軸功率，K為系數，T為負載轉矩， n為轉速。
從公式(2)可以看到，軸功率與電機的轉速成正比。應用變頻調速技術(shù)后，如當由于工藝的需要而降低電機轉速n至額定轉速的80％時(shí)，相應的電能消耗降低為原來(lái)的80％。
?。?）變轉矩負載類(lèi)應用
通過(guò)流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機、泵類(lèi)、壓縮機設備均屬變轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n，H∝n2， P∝n3；也就是說(shuō)，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。當電機轉速稍有下降時(shí)，軸功率將大幅下降。如當流量為額定流量的80％時(shí)，Pn僅為0.51Pe，即電機軸功率僅為額定功率的51％，下降近一半。因而當變頻器應用于風(fēng)機、水泵、壓縮機等負載，當流量有變化時(shí)就能夠節能，且節能效果非常顯著(zhù)。
三、余熱回收原理
對于空壓機來(lái)說(shuō)，其輸入能源的80％左右將轉化為熱能，如果根據相應類(lèi)型空壓機的結構和原理，適當地進(jìn)行改造，將其熱量回收，就可以變廢為寶，將原本排入環(huán)境的熱量收集利用，減少用于其他用途加熱的燃料消耗量。熱回收原理如圖2所示。
基于余熱回收的原理，我們通過(guò)在空壓機的油路中增加換熱器及相應的控制裝置，將全部或部分原本由油冷卻器排風(fēng)扇帶走的熱量收集起來(lái)，對冷水進(jìn)行加熱，從而減少了原先加熱所需的能源。冷卻器進(jìn)口油溫大概為85～100℃，通過(guò)安裝相應的換熱器，使用逆流換熱和合適的油溫和水溫控制措施，將出口水溫提高到65～80℃，同時(shí)保證壓縮機的正常運行。具體的熱回收系統流程如圖3所示。
四、提高空壓機的運行效率
提高空壓機運行效益的關(guān)鍵，是提高空壓機的排氣量。影響空壓機排氣量的因素很多，通過(guò)運行實(shí)踐，可以從下面幾方面著(zhù)手，取得很明顯的效果。
1.保證良好的吸氣環(huán)境和冷卻條件。加強吸氣點(diǎn)的通風(fēng)，定期清洗更換吸氣過(guò)濾網(wǎng)，既能減少阻力又能有效地阻止大氣中的粉塵進(jìn)入氣缸，防止粉塵加劇活塞環(huán)與氣缸的磨損和破壞氣閥的氣密性而造成的內漏。因為任何一級的吸氣溫度提高1℃，排氣量就減少2％左右，而功率并不減少，所以冷卻水最好采用經(jīng)加氯、加藥處理的循環(huán)水或軟化水，保證熱交換器的冷卻效果，并確?？諌簷C所需的冷卻水量和水壓。
2.搞好維護保養，合理確定維修周期，嚴格要求維修質(zhì)量。定期清洗空氣過(guò)濾網(wǎng)、空壓機冷卻系統，定期修理或更換氣閥、活塞環(huán)和填料環(huán)；并由專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行維修質(zhì)量檢查，確檢修后氣缸余隙容積控制在合理范圍內，確?；钊h(huán)的裝配質(zhì)量和氣閥的維修質(zhì)量。
3.加強運行管理，將檢查落實(shí)到實(shí)處。操作人員要求對各級冷凝器、各輔助設備及時(shí)排水、排油和排塵，確保各吹除閥不漏氣；要及時(shí)檢查和調節冷卻水水壓和水量，保證冷卻水進(jìn)出水溫差大于10℃，中間冷卻器出口氣溫小于40℃；要仔細檢查各氣閥工作狀態(tài)，發(fā)現問(wèn)題及時(shí)處理或匯報。
空氣壓縮系統的節能降耗，直接影響企業(yè)的生產(chǎn)成本和投資效益，通過(guò)優(yōu)化空氣壓縮系統設計，采用變頻調速技術(shù)和余熱回收技術(shù)，加強對空氣壓縮系統運行管理，提高空壓機的運行效益和加強對空壓機的維護保養等措施，我們可以取得十分明顯的節能效果。
參考文獻
[1]李鋒,許全錄,孫敬榮.變頻調速技術(shù)在空壓機上的應用[J].煤礦安全,2000(5):14-15.
[2]王應來(lái),張利平,尤磊.變頻調速技術(shù)在往復式壓縮機上的應用[J].煤氣與熱力,2000(11): 426-427.
[3]歐陽(yáng)焰嘯.關(guān)于空壓機節能方法的探索[J]. 環(huán)境保護,2009(5):58-60.
[4]李文華,李蕊蕊,張益祥.改善空壓機運行的節能技術(shù)[J].煤礦機械,2007,28(8):173-l74.
[5]洪天星.空壓機的變頻調節技術(shù)[J].壓縮機技術(shù),2006,( 8):27-29.
[6]陳宏鈞.活塞式壓縮機使用技術(shù)手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1992.
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