定變頻螺桿空壓機組在制藥中的應用

朱菊紅 樓衛紅 趙飛松

摘要：空壓機是制藥行業中不可缺少的空氣壓縮設備，但是目前空壓機普遍采用定頻方式運行，能耗較高，不利于制藥企業的節能減排目標，采用變頻方式運行，設備投資大。本文對基于變頻、定頻聯動的空壓機組節能改造進行了一定的分析。

關鍵詞：螺桿空壓機組；節能改造；變頻技術

引言

制藥工業是當前國民經濟的重要產業之一，隨著現代醫藥工業的飛速發展，藥品的質量越來越受到人們的重視，現代化自動生產線對壓縮空氣的依賴性較大，要鎖空氣的品質對保證產品的質量至關重要。空壓機是當前應用最廣泛的空氣壓縮設備，但是空壓機在使用的過程中存在耗電量過大的問題。根據相關的統計資料顯示，空壓機的耗電量占大型工業設備耗電量的15%左右，如何降低空壓機的耗電量成為了當前制藥企業面臨的重大問題。而隨著變頻技術的發展，通過將其應用到螺桿空壓機組節能改造中，實現空壓機的變頻、定頻聯動運行，能夠實現較好的節能目的。

1.螺桿空壓機工作原理

螺桿式空氣壓縮機（螺桿空壓機）工作原理為：吸氣、密封及輸送、壓縮、排氣四個過程。當螺桿在殼體內轉動時，螺桿與殼體的齒溝相互嚙合，空氣由進氣口吸入，同時也吸入機油，由于齒溝嚙合面轉動將吸入的油氣密封并向排氣口輸送；在輸送過程中齒溝嚙合間隙逐漸變小，油氣受到壓縮；當齒溝嚙合面旋轉至殼體排氣口時，較高壓力的油氣混合氣體排出機體。（單螺桿空壓機結構原理圖見圖1）然后將混合氣體排入油氣分離機，在這里，經過壓縮后所排除的混合氣體由碰撞、攔截、轉折以及離心分離等方面的作用，大部分油介質會從空氣中分離出來，之后含有少量潤滑油的壓縮空氣進入到油精分離器中進行二次分離，從而得到含油量非常低的壓縮空氣。當空氣的壓力達到規定的壓力值時，開啟最小壓力閥，壓縮的空氣被排入到冷卻器中進行冷卻，最后送入系統進行使用。其工作原理如圖2所示[1]，。

螺桿空壓機采用變頻器可通過改變螺桿轉子轉速的方式來改變排氣量，當用氣量發生變化時，變頻器改變轉速的方式調節空壓機的排氣量，達到排氣壓力恒定不變，并節約能源的目的。

圖2螺桿空壓機的工作原理

2.變頻節能分析

2.1變頻控制原理

異步電動機的轉速公式如下[2]：

公式中的f表示電源頻率，S表示電動機轉差率，P表示電動機的極對數。當S和P的值確定后，電動機的轉速與電源頻率呈正比關系，因此，可以通過調整電源頻率來實現對電機轉速的控制，從而實現變頻調速。

2.2變頻調節的原理

空壓機在運行過程中通常屬于恒轉矩運行狀態，通過變頻技術根據實際的供氣量變化對電機的轉速進行相應的調節，可以始終保持電機的輸出功率與轉速之間成正比關系。排氣口的壓力會隨著用氣量的降低而上升，通過閉環向變頻器進行反饋，從而控制電機轉速降低，降低電機的輸出功率；而在用氣量上升之后，排氣口的壓力會相應下降，此時，通過閉環反饋，變頻控制系統控制電機轉速提升，電機的輸出功率也會相應增加。因此，變頻空壓機系統可以通過壓力閉環對供氣系統的實時負載進行動態跟蹤，并根據跟蹤結果對電機轉速進行自適應調整，使得通過電機轉速的調整，始終將排氣口的壓力保持在一個恒定的狀態，從而使壓縮機電機的運行更具經濟性。

2.3變頻控制過程

變頻調速系統主要是對空壓機壓縮空氣時的輸出壓力進行控制，變頻調速器主要由變頻器、壓力傳感器、PLC、電機等部件構成閉環恒壓控制系統[3]，其工作壓力值可以通過操作面板直接進行設置，現場壓力由傳感器采集，傳感器在采集到壓力值后，通過將壓力值數據轉換成4-20mA的電流信號反饋到變頻器，變頻器通過那只的PID對電流信號進行比較計算，從而對輸出頻率進行調節，進而將電機的轉速控制在合理的水平。由此可以看出只要對電機的轉速進行調節，就可以實現對電機軸輸出功率的調節，使空壓機的送風量與用風量相匹配，從而實現恒壓供氣與節能的目的。

3.螺桿空壓機變頻與定頻聯動

變頻空壓機與定頻空壓機聯動控制，即在同一壓縮空氣供氣站中用一臺變頻空壓機與一臺定頻空壓機組成一個供氣系統，給用氣管網提供穩定的壓縮空氣源。在供氣系統中變頻空壓機作為主機，定頻空壓機作為從機。變頻空壓機與定頻空壓機聯動運行，能避免網絡中空壓機的頻繁加卸載和啟停，避免損壞設備及減少對電網沖擊，進而達到節能環保的效果。

3.1聯動控制的網絡連接

將變頻機設為主機、定頻空壓機設為從機，同時可以允許多臺空壓機聯動運行。聯動控制網絡采用屏蔽較好的通信線路將網絡中空壓機控制器的通信端口A、B連接起來，布線過程中盡量避免強電干擾，信號線與電源線分別走不通的管道，具體網絡結構如圖3所示[4]。

圖3 空壓機聯動控制網絡結構

3.2聯動改造系統設置方法

（1）主機設置。第1步，在變頻空壓機停止狀態下，進入用戶參數，將通信方式設置為聯動，聯動狀態設置為主機；第二步，設定聯動壓力的下限、聯動壓力上限以及變頻工作的壓力。注意聯動壓力的上下限值應在單機的供氣加載壓力與單機的供氣卸載壓力值之間。變頻工作壓力值需要設置在聯動壓力值上限制及下限值范圍之間。

（2）從機設置。在定頻空壓機停止狀態下，進入用戶參數，將通信方式選項設置為聯動，聯動狀態設置為從機，從機的供氣加載壓力與供氣卸載壓力值與主機保持相同水平。

3.3聯動改造系統運行特點

（1）變頻空壓機作為主機，啟動網絡，用戶只需開啟變頻機；

（2）聯控過程中，壓力不夠時，變頻主機優先啟動，然后再啟動定頻空壓機；

（3）當主機壓力在聯控壓力上下限之間時，主機根據壓力與變頻工作壓力比較，調節運行頻率，維持壓力穩定；

（4）當壓力高于主機變頻工作壓力時，主機首先降低頻率運行，若壓力還上升，達到聯動壓力上限時，主機控制網絡中從機卸載或停機，主機按最低頻率運行，不會停機；

（5）當從機卸載或停機運行時，主機處于變頻運行狀態，壓力達到主機供氣卸載壓力，主機卸載運行，只有當主機卸載運行時間達到空車過久停機時間時，主機才會空久停機；

（6）主機空久停機后，當壓力低于聯動壓力下限時，主機優先啟動。

3.4經濟效益分析

（1）案例概況。某車間的用氣量約為20.63m3，車間的用氣設備工作壓力要求保持在0.6Mpa以上。對此，采用一臺LU75-8GPIVR的變頻空壓機（產氣量為5.7m3/min-14.2m3//min）以及一臺LU75-8GP的定頻機（產氣量是14.2m3/min）經計算總的產氣量可以達到是28.4m3/min，滿足技術要求。將變頻機設為主機，將定頻機設為從機，變頻機的壓力設定值為0.78Mpa，聯控卸載壓力設定值為0.8Mpa，聯控加載壓力設定值為0.7Mpa。

（2）聯動控制技術實踐

①各個用氣階段空壓機的工作狀態。從表1可以看出在不同的用氣量范圍內，節能效果不同，該分析可以為企業的設備選型提供一定的參考。

②狀態4是時聯控系統的工作過程。以狀態4為例，聯控系統的工作過程如下：啟動變頻機一加載運行一增頻運行（增大產氣量）一滿負荷不能到達設定的變頻壓力，控制器發出啟動定頻機的指令一定頻機滿負荷運行到達變頻壓力設定值一變頻機減頻運行（減小產氣量）一壓力降低一（達到用氣量和產氣量平衡時穩定頻率工作，流量在此區間變化時變頻空壓機會自動調節工作頻率來滿足生產的用氣需求）此用氣量區間的節能效果較好。

4.結語

在制藥行業中，螺桿空壓機是最主要的空氣壓縮設備，但是目前螺桿空壓機的定頻運行方式在運行過程中會造成大量的電能浪費，而且設備磨損較快，不利于企業的正常生產和經濟效益的提高。通過利用變頻技術對螺桿空壓機組進行改造，實現變頻空壓機與定頻空壓機的聯合運行，通過智能控制，保證設備處于最經濟的運行狀態，同時可以有效實現空壓機的自動恒壓供氣，提高設備的利用率，延長設備使用壽命，保證藥品的質量和制藥企業的經濟效益。

參考文獻：

[1]宋韌，劉淑婷.空壓機節能改造新技術應用研究[J].資源節約與環保，2012（06）：19-20.

[2]歐陽焰嘯.空壓機的節能改造方式[J].石油和化工節能，2009（05）：18-19.

[3]魯欣南.變頻技術應用于空壓機節能改造的控制策略分析[J].浙江電力，2008（05）：36-38.

[4]李強，屈寶存，葛智強.PLC和變頻器在空壓機節能改造中的應用[J].變頻器世界，2006（03）：99-100+105.