空壓機(jī)節(jié)電系統(tǒng)

一、應(yīng)用背景:

空氣壓縮機(jī)作為一種重要的動力形式，被廣泛應(yīng)用于生活生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。其廣泛應(yīng)用于機(jī)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(lǐng)域。空壓機(jī)組是很多企業(yè)的必備動力設(shè)備，一般在設(shè)計空壓機(jī)的裝機(jī)容量時，由于不能排除空壓機(jī)在滿負(fù)荷狀態(tài)下長時間運(yùn)行的可能性，所以只能按******需要來決定壓縮機(jī)的容量，設(shè)計余量一般偏大。

二、工作原理

目前市場上空壓機(jī)主要分為螺桿空壓機(jī)、活塞空壓機(jī)和離心式空壓機(jī)等，離心式空壓機(jī)主要應(yīng)用于用氣量很大的場合，般企業(yè)應(yīng)用很少?；钊娇諌簷C(jī)設(shè)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(jī)所取代，螺桿式空壓機(jī)設(shè)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(jī)應(yīng)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(jī)原理

(1)吸氣過程:

螺桿式的進(jìn)氣側(cè)吸氣口.在設(shè)計時必項(xiàng)使壓縮室可以充分吸氣.而螺桿式壓縮機(jī)并無進(jìn)氣與排“閩組，進(jìn)氣只靠調(diào)節(jié)周的開啟，關(guān)團(tuán)調(diào)節(jié)， 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，主副轉(zhuǎn) 子的齒溝空間在轉(zhuǎn)至進(jìn)氣端味開口時，其空間******，此時轉(zhuǎn)子的內(nèi)溝空間與進(jìn)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(dāng)轉(zhuǎn)到進(jìn)氣口時，外界空氣即坡吸入沿軸向流入主麗轉(zhuǎn)了的費(fèi)溝內(nèi)當(dāng)空氣無滿蝦個由溝時，轉(zhuǎn)子之進(jìn)氣側(cè)湖面轉(zhuǎn)離了機(jī)光之進(jìn)"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(jī)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(dāng)轉(zhuǎn)子的嚙合端面轉(zhuǎn)到與機(jī)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(jī)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(jī)殼進(jìn)氣口之間的齒溝長度又達(dá)到最長，其吸氣過程又在進(jìn)行

2、活塞空氣壓縮機(jī)工作原理

在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)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(dāng)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?fù)運(yùn)動是由電動機(jī)帶動的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)形成的。曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為滑動活塞的往復(fù)運(yùn)動。活塞式空壓機(jī)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(shè)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(guān)式兩種。其中，卸荷式控制方式是指當(dāng)貯氣罐內(nèi)的壓力達(dá)到調(diào)定值時，空壓機(jī)不停止運(yùn)轉(zhuǎn)而通過打開安全閥進(jìn)行不壓縮運(yùn)轉(zhuǎn)。這種空轉(zhuǎn)狀態(tài)稱為卸荷運(yùn)轉(zhuǎn)。而壓力開

關(guān)式控制方式是推當(dāng)貯氣罐內(nèi)的壓力達(dá)到調(diào)定值時，空壓機(jī)自動停止運(yùn)轉(zhuǎn)?；罴问娇諌簷C(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，并且容易實(shí)現(xiàn)大容量和高壓輸出。缺點(diǎn)是振動大，噪聲大且因?yàn)榕艢鉃閿嗬m(xù)進(jìn)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(guān)系可以用下式來表示:

Pmax=(1+ 5 )Pmin

8是一個百分?jǐn)?shù)，其數(shù)值大致在10%~25%之間。

而若采用變頻調(diào)速技術(shù)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(jī)較之變頻系統(tǒng)控制下的空壓機(jī)，所浪費(fèi)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(dá)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(dǎo)致能量損失。另一方面，高于Pmin的氣體在進(jìn)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(dāng)壓力達(dá)到Pmax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間放空。這種調(diào)節(jié)方法要造成很大的能量浪費(fèi)。關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)空轉(zhuǎn)雖然可以使空壓機(jī)不需要再壓縮氣體作功，但空壓機(jī)在空轉(zhuǎn)中還是要帶動螺桿或者活塞做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，據(jù)我們測算，空壓機(jī)卸栽時的能耗約占空壓機(jī)滿載運(yùn)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(jī)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(jī)電機(jī)存在很大的節(jié)能空間。

3、其它不足之處

(1)靠機(jī)械方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，使供氣量無法連續(xù)調(diào)節(jié)，當(dāng)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(dá)不到工藝要求。再加上頻繁調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，會加速進(jìn)氣閥的磨損，增加維修量和維修成本。

(2)頻繁采用打開和關(guān)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(jī)-直都是全速運(yùn)行,正常情況空壓機(jī)設(shè)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(fèi)的電能就越多:新型的空壓機(jī)雖已采用自動控制當(dāng)氣樂到達(dá)設(shè)定值時通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣量來調(diào)整做功量，當(dāng)?shù)竭_(dá)******設(shè)定值時關(guān)閉進(jìn)氣閥讓電機(jī)空轉(zhuǎn),這樣雖可節(jié)約一部分電能,但據(jù)我們實(shí)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(jī)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(fèi)。

四、改造方案

空氣壓縮機(jī)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(jī)出口的壓力值，通過智能控制器進(jìn)行計算，然后輸出信號調(diào)整變頻器輸出頻率，進(jìn)而控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，在精確地控制空壓機(jī)出口的壓力的同時，延長壓縮機(jī)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(shè)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(jìn)行運(yùn)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(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(hù)系統(tǒng)，另外，采用該方案后，空壓機(jī)電機(jī)從牌止到旋轉(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。

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(jī)轉(zhuǎn)速的方法來調(diào)整壓縮機(jī)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(jī)基本上屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，用變頻調(diào)速的方法調(diào)整供氣量能使電機(jī)的輸出功率基本與轉(zhuǎn)速(供氣量)成正比關(guān)系，達(dá)到很好的節(jié)電效果。由于空壓機(jī)在啟動時，內(nèi)部有少量的滯留氣壓，啟動和加減速運(yùn)行時要求變頻器反應(yīng)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(jī)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(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證電機(jī)以最小的功率輸出。

空壓機(jī)節(jié)電控制系統(tǒng)與空壓機(jī)原控制系統(tǒng)互為備用，兩套系統(tǒng)之間存在互鎖關(guān)系，以確保空壓機(jī)正常、安全運(yùn)行

五、節(jié)電原理

我們知道，用調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法同樣可以調(diào)整供氣量。由于空壓機(jī)基本上屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，用變頻調(diào)速的方法調(diào)整供氣量能使電機(jī)的輸出功率基本與轉(zhuǎn)速(供氣量)成正比關(guān)系，達(dá)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(jī)在低速時也能提供滿足負(fù)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(jī)在滿足負(fù)載轉(zhuǎn)矩要求下以最小電流運(yùn)行，達(dá)到更好的節(jié)電效果。

進(jìn)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(jī)節(jié)電控制系統(tǒng)后，不但可節(jié)約15 35%的電 力費(fèi)用，延長壓縮機(jī)的使用壽俞，并可實(shí)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(jī)與傳統(tǒng)控制的壓縮機(jī)比較，能源節(jié)的是最有實(shí)際意義的。根據(jù)壓縮空氣雷求量來供給的壓縮機(jī)工作是經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)省電費(fèi)約15 -35%2間，運(yùn)行成本降低

傳統(tǒng)壓縮機(jī)的運(yùn)行成本由三項(xiàng)組點(diǎn):初始采購成本、維護(hù)點(diǎn)本和能要成本。其中能源成本大約占壓縮機(jī)運(yùn)行成本的77%.通過能源成本降低25%，再加上變領(lǐng)起動后對設(shè)備的沖擊減少。維護(hù)和維修量也跟隨降低，所以運(yùn)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(jī)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(jī)的輸出氣量隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變。由于變頻控制電機(jī)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(jī)的使用壽命:

變頻器從0Hz起動壓縮機(jī)，它的起動加速時間可以調(diào)整，從而減少起動時對壓縮機(jī)的電器部件和機(jī)械部件所造成的沖擊，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，使壓縮機(jī)的使用壽命延長。此外，變頻控制能夠減少機(jī)組起動時電流波動，這-波動電流會影響電網(wǎng)和其它設(shè)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(jī)的噪音:

根據(jù)壓縮機(jī)的工況要求，變頻調(diào)速改造后，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度明顯減慢，因此有效地降了空壓機(jī)運(yùn)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(qiáng):

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(jī)電機(jī)切換到原軟啟動系統(tǒng)工頻工作，以確保壓縮機(jī)組可以正常工作。

空壓機(jī)主機(jī)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(fù)雜的電路系統(tǒng)，只有少數(shù)技術(shù)公司才能完全掌握。