空壓機變頻改造節能技術的研究與應用

梁艷娟

（廣西工業職業技術學院，南寧 530001）

0 引言

空壓機是工廠里最重要的機器設備之一。空壓機供氣領域能否應用變頻調速技術，在節省電能的同時改善空壓機性能，提高供氣品質，降低生產設備的故障率，延長設備的使用壽命備受社會各界關注。只有解決節能這一全球性問題，才能提高企業的競爭力。為節約能源，對企業中原有的工頻空壓機進行技術改造，將變頻調速技術引入空壓機領域，嘗試用變頻控制取代原有控制模式，是近年來各企業爭相研究的重要課題。目前企業中工頻空壓機的運用仍非常普遍，空壓機變頻改造市場非常巨大。

1 空壓機概況

空壓機，是一種利用電動機將氣體在壓縮腔內進行壓縮并使壓縮的氣體具有一定壓力的設備，簡單地說空壓機就是一種提供壓縮空氣的機器，擔負著為工廠所有氣動部件提供氣源的職責，它在國民經濟和國防建設的許多部門中應用極廣，特別是在紡織、化工、動力等工業領域中已成為必不可少的關鍵、核心設備，尤其是螺桿式的空氣空壓機幾乎所有的工業領域都在廣泛應用，成為壓縮空氣的主流產品。

空壓機發展至今，其機械結構方面原理是成熟的，但大部分空壓機自身仍存在著明顯的技術弱點，如：傳統的空壓機供氣控制方式幾乎全部是采用加載、卸載的控制方式，由于頻繁加、減載，電動機在工頻啟動時，電機功率大，啟動電流大，對電網的沖擊大，工作條件惡劣，設備壽命短，調節速度慢，自動化程度低等。且據不完全統計，我國電能的60%是被各行各業中廣泛使用的大型工業設備(風機、水泵、鍋爐、空壓機等)所消耗，而空壓機則占了60%耗電量中的15%左右。另據權威機構調查，空氣壓縮系統在五年的總成本中，運轉能源消耗費用占約79%，壓縮系統初期購置費用僅占總成本的約12%，因而只有設法最大限度地降低空壓機高額的運轉能源消耗費用，才能從根本上降低企業的運營成本，提高企業的競爭力。

2 空氣機變頻改造的必要性

2.1 空壓機工頻運行和變頻運行的比較

空壓機電機功率一般較大，啟動方式多采用空載（卸載）星—三角啟動，加載和卸載方式都為瞬時。這使得空壓機在啟動時會有較大的啟動電流（4～7倍），加載和卸載時對設備機械沖擊較大；不光引起電源電壓波動，也會使壓縮氣源產生較大的波動；同時這種運行方式還會加速設備的磨損，降低設備的使用年限。由于一般空氣壓縮機的拖動電機本身不能調速，因此就不能直接使用壓力或流量的變動來實現降速調節輸出功率的匹配，電機不允許頻繁啟動，導致在用氣量少的時候電機仍然要空載運行，電能浪費巨大。變頻調速技術具有顯著的節電效果以及優良的調速性能，且適用性廣，安全可靠性強，足以延長設備使用壽命，如若對空壓機進行變頻改造，能夠使電機實現軟起軟停，減小啟動沖擊，延長設備使用年限；同時由于電機運行頻率可變，實現了空壓機根據用氣量的大小自動調節電機轉速，減少了電機頻繁的加載和卸載，從而較大幅度減小電動機的運行功率，使得供氣系統氣壓維持恒定，便可以實現節能的目的。

2.2 一臺空壓機五年各項費用比例

以某企業一臺 Atlas (阿特拉斯)ZR160空壓機五年費用為例，經調研得知：

空壓機五年各項費用比例大致如下：

購置費用占 12%

安裝費用占 2%

維護費用占 7%

用電費用占 79%

在以上各項費用中，用電費用占了79%，可見，只有將普通空壓機進行變頻改造，把空壓機的用電費用降下來，才能從根本上降低企業的運營成本，提高企業的競爭力。

2.3 空氣機變頻改造的優點及實際意義

空氣機經變頻改造，可節約能源，提高供氣量，降低運行成本，提高壓力控制精度，延長壓縮機的使用壽命，降低空壓機的噪音，并提高功率因數，最大限度地降低空壓機高額的運轉能源消耗費用，從根本上降低企業的運營成本，從而提高企業的競爭力。

3 空壓機變頻改造方案設計原則

根據原工況存在的問題并結合生產工藝要求，空壓機變頻改造后系統應滿足以下要求：

1）電機變頻運行狀態保持儲氣罐出口壓力穩定，壓力波動范圍不能超過±0.02Mpa。

2）系統應具有變頻和工頻兩套控制回路。如一套線路出現故障，自動切換到另一線路，不影響生產。

3）根據空壓機的工況要求，系統應保障電動機具有恒轉矩運行特性。

4）為了防止非正弦波干擾空壓機控制器，變頻器輸入端應有抑制電磁干擾的有效措施。

5）在用電氣量小的情況下，變頻器處在低頻運行時，應保障電機繞組溫度和電機的噪音不超過允許的范圍。

6）根據生產工藝要求，變頻改造后，適當降低壓縮氣供氣系統的供氣壓力，將原來的高壓變流量供氣改變為變頻恒壓變流量供氣方式。

4 空壓機變頻節能改造實例

4.1 改造前系統現狀

某公司現有二臺阿特拉斯? 科普柯 ZR160 無油空氣壓縮機，使用狀況為一用一備。

目前的用氣量為不到兩臺機的排氣量，這就使其中一臺機大部分時間處于空轉狀態，造成能量的浪費。

此兩臺機為普通空壓機，其馬達轉速始終保持在額定轉速 1485 轉/min，不具備根據耗氣量的大小自動調節轉速來改變排氣量以達到節能目的。

4.2 改造的目標與任務

通過變頻改造，使空壓機達到節能運行的目的。

4.3 變頻節能原理

4.3.1 變頻調速原理

根據交流異步電動機的轉速和電源頻率之間遵循的關系:

轉速n=60 f/p×(1-s))

式中，f為電源頻率，s為電動機轉差率，P為電動機繞組的極對數。

當P和s確定后，電動機轉速與電源頻率成正比，所以改變電源頻率即可改變電機轉速n，從而實現變頻調速。

4.3.2 變頻器節能原理

負載所需的功率和它的轉速有一定關系，電機的軸功率與電機的轉速三次方成正比，所以，電機的轉速下降，電機所需的功率也明顯下降，即達到了節能的目的。

空壓機屬于恒轉矩負載，即轉矩在不同速度下是相同的，但所需功率也和速度成正比關系，所以當轉速降低時所需功率也隨之下降，從而達到節能目的。

4.3.3 普通空壓機的電能損失

普通空壓機的工作狀態主要有兩種，一種是加載狀態，一種是空載狀態。加載狀態時，空壓機進氣閥打開，吸入自由空氣，輸出壓縮空氣，滿足生產的需要；空載狀態時，空壓機進氣閥關閉，并停止輸出壓縮空氣，空壓機處于空轉狀態。空轉時電機克服機械阻力，需消耗額定功率的 30%左右，所以一臺 160KW 的 ZR160 空壓機的空載功率為 48KW。

普通空壓機的壓力控制是上下限控制，空壓機的功率消耗和輸出壓力成正比，輸出的壓力越高消耗的功率也越大，從輸出壓力的下限到上限的1 巴的壓差將消耗總功率的 7-10%。一臺 160KW的 ZR160 空壓機就要多消耗功率約 16 千瓦。

在一個空壓系統中，如果有多臺空壓機同時運行，每臺空壓機的輸出壓力都將隨著管網的壓力波動而在上下限之間波動，所以每臺機都將多消耗 7-10%的額定功率。

4.3.4 變頻空壓機的節能原理

變頻空壓機的壓力設定可以是一個點，即可以將滿足生產設備要求的最低壓力作為設定壓力，變頻空壓機將根據管網壓力上下波動的趨勢，調節空壓機轉速的快慢，控制壓縮空氣輸出量的多少，從而達到穩定管網壓力，滿足生產要求。這樣就減少甚至消除空壓機的卸載運行，節約了電能。另：變頻空壓機本身的啟動平穩，沒有大電流的沖擊，也減少了啟動時的電能浪費。

4.4 節能改造效益

4.4.1 節電效果計算

如：經實際調研，某企業2009年度空壓機的運行時間及狀況如下：

?

空壓機的平均加載率為：64.7%

空壓機的平均空載率為：35.3%

每年節電可用下列兩公式計算：

空載消耗電能=每年運行時間×卸載功率×1.2

加載時壓力波動浪費電能 = 每年運行時間×電機功率×7%

每年按運行兩臺 ZR160 空壓機計算

空載消耗電能=(1210+2350)×48×1.2=205056 度

加載時壓力波動浪費電能 =(3510+3220)×160×7% =75376 度

總計每年節電：280432 （度）

4.4.2 實際用電計算

經調研，該企業2009年1月份到 2009年 12月份共計 12個月的實際運行記錄如下：

?

統計出該企業空壓站兩臺ZR160 空壓機實際用電總計927072（度）。

變頻改造后（企業生產情況和上年度比變化不大的情況下）

空壓站節電率可達到 280432÷927020×100%=30.25%。

若按每度電為人民幣 0.65 元計，則改造后空壓機每年節電280423度，折合人民幣：182,275.00 元。

每年平均節約電費為：182,275.00 元，每月平均節約電費為：15,190.00 元

可見變頻改造后節電效果是極為顯著的。

4.5 具體改造方案

4.5.1 空壓站達到經濟運行配置條件

如果空壓站中都是相同型號的空壓機，那么只需配置一臺變頻空壓機，也就是將一臺空壓機改造成變頻機，并同其它的普通空壓機配合使用即可達到節電的目的。當生產所需的耗氣量少于一臺機的產氣量，只需要運行變頻空壓機供氣，如果耗氣量多于一臺機的產氣量，就需要啟動普通空壓機，并使其一直加載運行，同變頻空壓機配合使用；變頻機仍將隨著耗氣量的變化來調節排氣量，達到節電的目的。

4.5.2 控制方式

將一臺空壓機改造即可以變頻方式運行，也可在變頻器出現故障時手動切換為原有方式運行。

空壓機的運行控制仍然由空壓機的本機電腦控制，原有的保護功能、加卸載方式不變。

空壓機的電機轉速，由安裝在儲氣罐上的壓力變送器將電壓信號傳送給變頻器，變頻器根據氣壓變化的趨勢改變輸出頻率控制空壓機電機的轉速。

空壓機本機電腦的控制參數的設定必須和變頻器控制參數的設定相協調，否則將達不到節電目的或節電效果不理想，還可能對空壓機的機械方面造成不利影響。

另兩臺機可自動根據管網壓力變化決定是否啟動運行，啟動方式保持原有人工啟動方式。

4.5.3 操作方式

改造后的空壓機操作，仍然保持在本機電腦上操作，開機、停機以及各種運行參數的查看都在本機電腦上。

如果要修改設定的工作壓力，則必須在本機電腦和變頻器上同時修改。

如果要將變頻空壓機切換回原有方式運行，則需人工手動的方式在控制電柜上進行切換。

4.6 改造具體項目

為了減少變頻器的協波對電源及設備的影響需加裝輸入及輸出濾波器。

用 atlas copco 的專用變頻機軟件修改現有電腦控制程序，并增加主電機的溫度保護及反轉保護功能。

主電機的過載保護改由變頻器擔當。

改裝主電機冷卻風扇，以保持電機良好的冷卻，使電機線圈溫度不超過 95℃， 電機表面溫度不超過 80℃。

選用矢量型變頻器，并且能夠和 atlas copco的變頻空壓機電腦軟件配合。

根據空壓機目前的加載率，變頻器的輸出頻率可設定在最高 50Hz 最低 25 Hz。

5 結束語

綜上所述，變頻調速技術在應用中所取得的節能效果是顯而易見的。變頻調速技術以其顯著的節電效果、優良的調速性能以及廣泛的適用性、系統的安全性和延長設備使用壽命等優點已成為現代技術的一個主要發展方向，變頻節能系統的應用是社會生產發展的必然趨勢，它有著早改造、早受益、早使用、早發展的特點。國家經貿委已將變頻調速列入重點實施的10項資源節約綜合利用技術改造工程之一。《中華人民共和國節約能源法》明文規定，將變頻調速列入通用節能技術加以推廣。因此，利用變頻調速技術是解決目前缺電問題的最佳手段。通過對普通空壓機進行變頻改造，變頻節能系統的推廣應用，必將為企業節省大量能源，創造更大效益。

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