螺桿式空壓機變頻控制與余熱回收改造

李　強

(安徽金安礦業有限公司)

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螺桿式空壓機變頻控制與余熱回收改造

李強

(安徽金安礦業有限公司)

摘要針對礦用螺桿式空壓機的工作特點和能耗現狀，介紹了變頻節能改造技術與余熱回收利用技術在螺桿式空壓機中的應用。通過金安礦業磨選車間4臺螺桿式空壓機組的應用，分析了兩項節能改造帶來的經濟效益。

關鍵詞螺桿式空壓機變頻控制余熱回收節能

空氣壓縮機是將電動機的機械能轉換成氣體壓力能的裝置，在礦山、冶金、機械制造等行業主要用作風動設備、風動工具、氣力輸送和吹掃等。螺桿式空壓機結構緊湊、工作可靠、使用壽命長，在各工況企業的應用最為廣泛。根據螺桿空壓機使用調查，發現大功率的能耗系統實際運行效率普遍較低，能量浪費現象嚴重，主要體現在空壓機的空轉運行和機械做功產生熱量的浪費。因此，開展螺桿式空壓機變頻節能和循環利用改造，將有助于提高空壓機的使用效率，使企業節能減耗與降本增效。

1變頻節能改造

1.1變頻原理

普通螺桿空壓機的工作分為吸氣、壓縮、輸送與噴油、排氣4個過程，進氣控制閥用于控制空壓機的吸氣量。由于用氣設備的工作周期或生產工藝的需求，實際生產過程中的用氣量經常發生波動，造成空壓機頻繁加載、卸載運行，而空壓機電機則一直處于恒速的工頻運轉狀態，導致空壓機經常處于空載、部分負載的低效率運行狀態[1]，造成大量的能源浪費，且加劇設備的機械磨損。變頻控制的原理則是通過改變電動機的轉速，控制空壓機單位時間內的排氣量，進而控制管路壓力，實現節能的目的。

螺桿式空壓機排氣量與電動機轉速成正比：

(1)

式中，Qf為變頻狀態下的排氣量；Qe為額定狀態下的排氣量；nf為變頻狀態下的轉速；ne為額定狀態下的轉速。

根據交流異步電動機的轉速和電源頻率之間的關系式：

(2)

式中，n為電機轉速；s為電機轉差率；f為電源頻率；p為電機繞組的極對數。

在交流異步電動機中，p為定值，s基本不變，電動機轉速和電源頻率成正比，改變電源頻率就可改變電機的轉速，進而改變空壓機的排氣量，實現變頻調速。

1.2變頻控制方法

根據電磁感應原理，單位時間內的磁通量變化會引起電動勢的變化，電動機主磁通

(3)

式中，U為電機定子輸入電壓，即變頻器的輸出電壓;f為電源頻率；N為定子繞組匝數，為常數。

如果保持U/f恒定，即可保證磁通Φm不變,改變電機定子的輸入電壓，就可調節電動機的頻率，實現對電機轉速的調節，這種控制方式為恒壓頻比控制方式，也可稱為恒磁通控制方式[2]。螺桿式空壓機變頻調速技術的控制系統原理如圖1所示。

圖1　恒壓頻比變頻控制系統

在實際操作中，變頻調速系統將空壓機排氣壓力作為控制對象，在儲氣罐的壓縮空氣入口處引出一條支路，安裝壓力變送器，用于實時測定系統的壓力值。測定的壓力值被反饋到PID調節器，將其與系統的壓力設定值比較，得出兩者的壓力差值，變頻器根據壓力差值輸出相應頻率和電壓幅值的交流電，在電動機上實現相應的轉速。為了預防變頻控制系統發生故障，一般還需配置一套工頻系統，在應急模式下采用。變頻、工頻兩套控制系統可實現自由切換，以保證空壓機的正常運行。

1.3變頻改造的效果

普通螺桿式空壓機變頻節能改造后，即可按照實際生產所需要的排氣壓力決定電動機轉速，電機輸出功率得到有效調節，無需再做無用功，同時消除了空壓機的空載能耗，達到節能的目的。從實際的改造效果來看，改造后的節電率普通提高20%以上。以磨選車間4臺75 kW并聯螺桿空壓機組為例，每天工作20 h，每年工作300 d，電費為 0.8元/kWh，假設改造后節電率為20%，則年節約電費為28.8萬元，1 a即可收回投資改造費用。另外，空壓機變頻改造后還具有提高壓縮空氣品質、延長空壓機使用壽命、降低噪音，改善運行環境等效果。

2空壓機余熱回收

2.1余熱來源

據不完全統計，全國用電量的10%以上都用于空壓機的能源輸入，普通螺桿式空壓機輸入電能的有用功部分(用作壓縮空氣勢能的增加)僅占總能量的20%左右，無用功部分(機械做功產生的熱能)占到總能量80%以上[3]。根據工程熱力學分析，空壓機工作產生的熱量主要分布于以下幾個部分，如表1所示[4]。

表1螺桿式空壓機運行熱量分布

%

由表1可見，空壓機熱能的大部分都是可利用

的，只是為保證空壓機的正常運行，將其通過油冷卻器和氣冷卻器散發到周圍的環境中去。該部分熱量稱之為余熱，如果能將這部分余熱回收利用，如工人洗澡等生活用水、廠房采暖等生產用水的加熱，既可提高能源利用率，又可以有效減少燃煤等燃料的供給，具有良好的經濟、環境效益。

2.2余熱回收

螺桿式空壓機的工作流程為：空壓機通過空氣濾清器吸入空氣并濾除灰塵和雜質，經進氣控制閥進入到主機中。主、副螺桿通過合運動改變與主機的封閉容積，完成空氣壓縮過程，壓縮過程中封閉腔內不斷噴油，用于潤滑和冷卻螺桿，由此產生了高溫高壓油氣混合物。油氣混合物通過排氣閥進入到油氣分離器。由于機器工作溫度環境的要求，高溫高壓油氣混合物需被輸送到各自的冷卻器，其中壓縮空氣經氣冷卻器后被送到工作系統中，潤滑油經油冷卻器后返回到油路中循環利用。絕大多數熱量均是通過油、氣冷卻器被揮發到周圍空氣中。

利用熱能轉換原理，對空壓機的內部油、氣冷卻系統進行改造，并通過換熱器將余熱回收。高溫高壓油氣溫度為80～95 ℃[5]，經油氣分離器后，潤滑油經油熱交換器將熱量傳遞給內部水源，壓縮空氣經氣熱交換器將熱量傳遞給內部水源，熱量回收率為85%。把空壓機散發的熱量通過換熱器回收轉換到水容器中，常溫水吸收熱量后，水溫升高，同時降低空壓機的運行溫度，不僅提高了空壓機的運行效率，延長其使用壽命，回收的熱水還可用于生活、生產及其他需要的地方，余熱回收方案如圖2所示。

圖2　空壓機余熱回收系統

2.3經濟效益計算

以磨選車間4臺75 kW、額定壓力0.8 MPa并聯螺桿空壓機機組為例，每天工作20 h，平均排氣壓力0.65 MPa。

(1)每天回收的總熱量。

Q1=860PNnηηFh=16 675 501kJ，

(4)

式中，Q1為可回收熱量，kJ；PN為空壓機額定功率，kW；η為熱交換器回收效率；ηF為空壓機的負載率；h為工作時間，h。

(2)每天產生的熱水量。按水溫20 ℃，熱水使用溫度50 ℃計算，每天可生產的熱水量為：

(5)

式中，T為產生的熱水量，t；Q為回收的熱量，kJ；Δt為加熱溫差，℃；ηh為換熱效率，%。

(3)節能費用。每天將120 t水加熱30 ℃所需的標煤量為：

(6)

式中，Qb為標煤發熱量，kJ/kg；η為燃煤鍋爐熱效率。

標煤價格按850元/t，每年按300個工作日計算，每年所需的標煤費用為242 250元。

與此同時，空壓機余熱回收系統還大幅減少了鍋爐運行費用、減少CO2排放量等有益效果。

3結語

螺桿式空壓機變頻控制技術不僅節約了電能，還有效提高了設備的運行效率，延長了設備使用壽命；余熱回收利用改造在改善空壓機本身性能的同時，還可以變廢為寶，節省能源消耗，減少熱污染物的排放。以上兩種節能改造效果明顯，具有良好的經濟社會效益，值得實施和推廣。

參考文獻

[1]聶書奎，黃光亮.淺析空氣壓縮機綜合節能技術在煤礦的應用[J].礦山機械，2012(11):125-126.

[2]杜金城.電氣變頻調速設計技術[M].北京:中國電力出版社，2001.

[3]陳鵬高，高寶華，任廷榮.空壓機的節能改造[J].壓縮機技術，2013(4):99-104.

[4]張武平.礦山空壓機設備的經濟運行[J].煤炭技術，2007(6):16-18.

[5]陸愛軍，陳慈平，錢進.空壓機余熱應用實例[J].上海節能，2011(8):27-30.

(收稿日期2015-10-27)

李強(1969—)，男，工程師，237000 安徽省六安市霍邱縣范橋鎮。