雙級永磁螺桿式空氣壓縮機(jī)的節(jié)能原理與應(yīng)用

曹美恒

摘? 要：研究一種全新的雙級永磁螺桿式空氣壓縮機(jī)，介紹了該新型空氣壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了雙級永磁螺桿式空氣壓縮機(jī)的節(jié)能原理。結(jié)合工程應(yīng)用實例，驗證了雙級永磁螺桿式空氣壓縮機(jī)的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：空氣壓縮機(jī);雙級永磁螺桿式;永磁同步電機(jī);節(jié)能原理

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）15-0183-02

Abstract： A new two-stage permanent magnet screw air compressor is studied， the structure and working principle of the new air compressor are introduced， and the energy-saving principle of the two-stage permanent magnet screw air compressor is analyzed. Based on examples of engineering application， the energy-saving effect of two-stage permanent magnet screw air compressor is verified.

Keywords： air compressor; two-stage permanent magnet screw; permanent magnet synchronous motor; energy saving principle

1 概述

空氣壓縮機(jī)是將動能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w壓力能、并輸出壓力氣體的機(jī)械[1]。空氣壓縮機(jī)是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的機(jī)電通用設(shè)備，其耗能占工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備耗能的10%-40%[2]。因此，空氣壓縮機(jī)節(jié)能改造，實現(xiàn)其節(jié)能降耗的空間很大。螺桿式空氣壓縮機(jī)就是近些年在國內(nèi)流行起來的新型空氣壓縮機(jī)，目前，約占市場60%的份額[3]。本文主要研究一種全新的雙級永磁螺桿式空氣壓縮機(jī)，在介紹該新型空氣壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，分析了雙級永磁螺桿式空氣壓縮機(jī)的節(jié)能原理，并結(jié)合工程實踐，驗證了該新型空氣壓縮機(jī)的節(jié)能效果。

2 雙極永磁螺桿式空氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1，雙級永磁螺桿壓縮機(jī)的主機(jī)打破傳統(tǒng)螺桿主機(jī)的結(jié)構(gòu)[4]，是由一個輸入軸帶兩對螺桿轉(zhuǎn)子，兩對轉(zhuǎn)子的直徑長短和轉(zhuǎn)速均不同，其工作原理和單級壓縮類似。

3 永磁同步電機(jī)節(jié)能原理

雙級永磁空氣壓縮機(jī)的節(jié)能分為兩個方面，第一個方面是永磁同步電機(jī)，其具備以下突出優(yōu)點(diǎn)：

3.1 效率高

永磁同步電機(jī)磁場部分由永磁體產(chǎn)生，減少了勵磁電流損耗。另外，永磁同步電動機(jī)的高效區(qū)很寬，特別是低速運(yùn)行時就有很高的效率，這是Y系列異步電動機(jī)不能比的。永磁同步電動機(jī)與Y系列異步電動機(jī)的效率-轉(zhuǎn)速曲線對比如圖2所示。可見，盡管他們的最高效率接近，但永磁同步電動機(jī)在（30-100）%nN范圍的效率都接近最高效率，而Y系列異步電動機(jī)的高效區(qū)近在額定轉(zhuǎn)速（N）左右。而實際運(yùn)行中，空氣壓縮機(jī)負(fù)荷變動時主要運(yùn)行在（30-100）%nN的轉(zhuǎn)速范圍。此時，Y系列異步電動機(jī)的效率只有（50-70）%左右，所以Y系異步電動機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速在75-100%，效率較好，而永磁同步電動機(jī)5-100%的效率都接近最高效率，節(jié)能效果十分明顯（如圖2）。

3.2 功率因數(shù)不隨極數(shù)變化，因而功率因數(shù)高

由于永磁同步電機(jī)不需要勵磁來建立磁場，沒有無功損耗，因此功率因數(shù)很高，額定功率因數(shù)cos？覬可達(dá)到0.95以上，而且多極、低速運(yùn)行時能保證高功率因素不變。而Y系列異步電動機(jī)的額定功率因素一般只有0.9左右，而且，其功率因數(shù)會隨著極數(shù)增加而降低，也會隨運(yùn)行轉(zhuǎn)速降低而降低。這一點(diǎn)對低速運(yùn)行的空氣壓縮機(jī)而言是很不利的。

3.3 起動轉(zhuǎn)矩高

永磁同步電機(jī)起動力矩與額定力矩之比可達(dá)3倍以上，而一般Y系列異步電動機(jī)僅有1.6倍。非常適合如抽油機(jī)、空氣壓縮機(jī)等需要重載啟動的負(fù)載。

3.4 其它優(yōu)點(diǎn)

精度高，響應(yīng)快;體積小，通常都會小一個機(jī)座號;重量輕。

4 雙級永磁螺桿式壓縮機(jī)節(jié)能原理

傳統(tǒng)的單級噴油螺桿式壓縮機(jī)顧名思義是有一對轉(zhuǎn)子，而雙級壓縮機(jī)是有兩對轉(zhuǎn)子，相對單級壓縮，雙級壓縮機(jī)有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。

4.1 雙級壓縮降低了每一級的壓縮比，提高了容積效率

相對單級來說雙級壓縮的每一級壓縮比的降低，提高了容積效率，降低了每一級的內(nèi)外泄露。舉例單級壓縮螺桿機(jī)轉(zhuǎn)子：進(jìn)氣端壓力為大氣壓力約1bar，經(jīng)轉(zhuǎn)子壓縮至出口壓力8bar，該壓縮過程的壓縮比為8/1，即單級空壓機(jī)壓縮比為8。而雙級進(jìn)氣端壓力為大氣壓力約1bar，經(jīng)一級轉(zhuǎn)子壓縮至出口壓力3bar左右，再進(jìn)入二級轉(zhuǎn)子壓縮提升壓力至所需要的8bar出口壓力。一級低壓轉(zhuǎn)子的壓縮比約為3，二級高壓轉(zhuǎn)子端的壓縮比為8/3≈2.67，即二級端的壓縮比大約為2.67。雙級壓縮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的最高壓縮比為3左右。

4.2 等溫壓縮，提高了壓縮機(jī)的能效

等溫壓縮是油氣混合物在一級排氣進(jìn)入二級吸氣之前，可充分混合，起到級間冷卻的作用，這一較為充分混合的油氣混合物進(jìn)入壓縮機(jī)的第二級進(jìn)行壓縮，也使得第二級的壓縮過程更為接近等溫過程，提高了壓縮機(jī)的能效。將一級壓縮轉(zhuǎn)子和二級壓縮轉(zhuǎn)子組合在一個機(jī)殼內(nèi)，并分別通過斜齒輪直接傳動，使每級轉(zhuǎn)子都能獲得最佳線速度，壓縮傳遞效率最高。

4.3 兩級的壓縮過程

自然空氣通過空氣過濾器進(jìn)入第一級壓縮，在壓縮腔與少量潤滑油混合，同時將混合氣體壓縮到級間壓力。壓縮后的氣體進(jìn)入冷卻通道，與大量油霧接觸，從而大大降低了溫度。降溫后的壓縮氣體進(jìn)入第二級轉(zhuǎn)子，進(jìn)行二次壓縮，被壓縮到最終排氣壓力。最后通過排氣法蘭排出壓縮機(jī)，完成整個壓縮過程。（如圖5）

所以說雙級壓縮的主機(jī)在同等功率的條件下比單級壓縮的噴油螺桿壓縮機(jī)排氣量多10-20%，也可以說在同等氣量條件下雙級壓縮的空壓機(jī)比單級壓縮的空壓機(jī)節(jié)能10-20%。雙級永磁空壓機(jī)是節(jié)能的永磁同步電機(jī)和節(jié)能的雙級壓縮主機(jī)組合而成的，成為壓縮機(jī)節(jié)能產(chǎn)品的又一款利器。

5 成功案列及分析

安徽銅陵某科技有限公司，主要生產(chǎn)印刷電路板。壓縮空氣主要用途是氣動控制鉆床，給覆銅電路板鉆孔用和吹掃使用，是該科技公司的主要動力輸出設(shè)備。原采用多個品牌的多臺單級空氣壓縮機(jī)，各單級空氣壓縮機(jī)參數(shù)如表1所示。

原有空氣壓縮機(jī)共四臺，三用一備。實際運(yùn)行需要開機(jī)功率：225kW，排氣量：29.5m3/s，平均工作壓力0.5Mpa。由于設(shè)備陳舊老化，2019年9月使用新型雙級永磁螺桿空氣壓縮機(jī)替代。替代時僅用1臺單機(jī)功率160kW新型空氣壓縮機(jī)，因為，其排氣量達(dá)到33m3/s，滿足排氣量：29.5m3/s的要求。空氣壓縮機(jī)更新前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對比見表2。

表2數(shù)據(jù)可見，一臺新型雙級永磁螺桿空氣壓縮機(jī)的排氣量達(dá)到33m3/s，大于原來三臺空氣壓縮機(jī)運(yùn)行時的排氣量29.5m3/s，滿足企業(yè)運(yùn)行需求。而新舊設(shè)備的功率比為：160/225=71%，即采用新設(shè)備后，空氣壓縮機(jī)年耗電減少了29%，年節(jié)約電費(fèi)達(dá)到520000度。按工業(yè)企業(yè)用電0.79元/度計算，年節(jié)約開支410800元，18個月即可收回設(shè)備更新改造投資。可見新型雙級永磁螺桿空氣壓縮機(jī)的節(jié)能效果是十分明顯的。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫鐵源.壓縮空氣系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀與節(jié)能改造[J].機(jī)床與液壓，

2010，38（13）：110-110.

[2]王步來.高效節(jié)能永磁同步電機(jī)設(shè)計研究[J].電機(jī)技術(shù)，2006（2）：3-6.

[3]劉乾業(yè)，施明燦.我國電工節(jié)能技術(shù)熱點(diǎn)[J].電世界，2006，6：4-6.

[4]郁永章，姜培正，孫嗣螢.壓縮機(jī)工程手冊[M].北京：中國石化出版社，2012.