空壓機散熱器風冷系統變頻節能改造技術

孫潤喜

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2104-5640-5079

摘? 要：本文首先介紹了空壓機基本結構，其次分析了空壓機油潤滑冷卻系統中散熱器上的兩臺風扇耗能情況，提出了對2臺以上大型空壓機群組散熱器風冷系統改造，風扇冷卻系統工藝進行升級改造，增加循環水冷卻系統，以ABB變頻器控制循環泵為主體，西門子200SMART可編程控制器為核心，配套觸摸屏人機界面和溫度傳感器及壓力傳感器，實現冷卻系統的恒溫控制，最終達到節能的效果。

關鍵詞：空壓機? 空氣壓縮原理? 變頻器? 觸摸屏? 可編程邏輯控制器? 無人值守? 節能

中圖分類號：U216.66? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）05（a）-0086-05

Frequency Conversion Energy-Saving Retrofit Technology for Air-Cooling System of Air Compressor Radiator

SUN Runxi

（Shaanxi Rongcheng Intelligent Control Electromechanical Technology Co.， Ltd.， Xi'an， Shaanxi Province， 710043? China）

Abstract： This paper firstly introduces the basic structure of the air compressor， and then analyzes the energy consumption of two fans on the radiator in the air compressor oil lubrication cooling system， and proposes to dissipate heat for a group of more than 2 large air compressors. The air-cooling system of the device is transformed， the fan cooling system technology is upgraded， and the circulating water cooling system is added. The circulating pump is controlled by the ABB frequency converter as the main body， the Siemens 200SMART programmable controller is the core， and the touch screen man-machine interface， temperature sensor and pressure sensor are provided. ， Realize the constant temperature control of the cooling system， and finally achieve the effect of energy saving.

Key Words： Air compressor; Air compression principle; Frequency converter; Touch screen; Programmable logic controller; Unattended; Energy saving

隨著制造業工業化水平的不斷提高，氣源的需求不斷增加。分析氣源系統的能耗，研究壓縮空氣設備使用的工況，制定行之有效的氣源設備節能措施，對氣源節能非常重要。

1? 空壓機原理介紹

能源是人類賴以生存和發展的物質條件基礎，也是實現我國經濟社會發展的動力來源[1]，壓縮空氣是現代工業生產中應用廣泛的能源。典型的空氣壓縮系統是由壓縮生產、儲罐儲備、輸送管網、設備消耗4個環節組成。如圖1所示，空氣經過濾器后進入壓縮機，與壓縮機內潤滑油混合并被壓縮產生高溫高壓的氣體，隨后經過油氣分離器，被分離出來的壓縮空氣通過后散熱器冷卻進入儲氣罐，進而被打入用氣管網供末端使用[2]。

螺桿壓縮機是容積式的壓縮機，依據安裝在壓縮機體腔內2組平行齒輪轉子的齒槽間空間體積變化形成空氣壓縮。齒輪轉子的齒槽在體腔內轉動時，轉子齒槽之間的氣體由于容積逐漸變小被壓縮，并由進氣側移送到排氣側，完成吸氣、空氣壓縮、排氣循環過程。空壓機的動力來源于三相異步電動機，通過電動機帶動主機工作，安裝在體腔內的噴油嘴在壓力作用下噴出經過散熱器冷卻后的潤滑油，對工作部件進行冷卻和潤滑，在體腔內形成油氣混合物，排出體腔后經過粗細兩道分離過程，最終將油氣混合物中的潤滑油分離出來，形成較潔凈的壓縮氣體。

螺桿空壓機作為連續運行機械設備，各個部件之間相互協作的集成系統，在精密機械零件的機械結構設計及其與傳感器和控制系統集成，以達到系統性能最佳[3]。在電動機帶動下，壓縮機體腔在進氣側形成負壓真空區，吸入空氣進到齒槽間，轉子繼續旋轉，齒槽間隙縮小，空氣不壓縮，溫度升高，經過噴油嘴區域時，噴入潤滑油，形成油氣混合物，齒槽間隙繼續縮小，油氣混合物繼續被壓縮，在排氣側附近形成高壓區，到達排氣口排出。潤滑油附著在主機體腔內各個部件表面，形成油膜，有效地保護工作部件及腔體的磨損，同時也達到密封和降溫的效果。分離出來的熱油經過散熱器風冷降溫后循環使用。空壓機工作流程如圖2所示。

2? 空氣壓縮原理

2.1 吸氣過程

螺桿式的進氣側吸氣口，可以使壓縮室充分的吸氣，在齒槽間隙經過進氣口時，其容積最大，形成負壓真空帶，在壓力作用下完成吸氣過程。

2.2 密封及送氣過程

齒槽間隙轉過進氣口后，空氣被密封在齒溝內。隨著齒輪的繼續轉動，齒槽間隙空間縮小，空氣被壓縮并推向排氣側，從而完成由“密封”到“送氣”過程。

2.3 壓縮油氣混合物形成過程

轉子齒輪繼續旋轉過程中，齒槽間隙逐漸縮小，密封的空氣逐漸被壓縮，壓力增大，溫度升高，經過噴油嘴區域時，潤滑油系統噴油，形成油氣混合物。

2.4 排氣過程

齒槽間隙旋轉到排氣側時，形成的高壓油氣混合氣體，經過排氣口時在壓力作用下，排出空壓機體腔，完成排氣過程。

2.5 連續準備過程

排氣完成時齒槽間隙空間最小，轉子齒輪繼續旋轉，帶動齒槽間隙轉過排氣口后，齒槽間隙開始逐漸增大，容積逐漸變大的密封空間，壓力就會下降，最終形成負壓真空帶，為吸氣過程做好準備。

3? 空壓機電機的工作方式

3.1 固定轉速方式

采用星三角啟動或降壓啟動，工頻運行，壓力傳感器配合加載和卸載閥來控制空壓機的供氣。

3.2 變頻運行方式

采用變頻器啟動變頻運行、壓力傳感器恒壓控制，減少加載和卸載動作，變頻節能運行供氣。

4? 螺桿空壓機的散熱器冷卻系統

此系統主要有兩種方式：軸流風機冷卻方式和水循環冷卻方式。

4.1 軸流風機冷卻方式

安裝在散熱器上的軸流風機旋轉，帶動空氣吹向散熱片，熱的潤滑油經過散熱器時，熱量傳遞到散熱片上，被快速流動空氣帶走，達到散熱降溫的效果。

4.2 水循環冷卻方式

水循環冷卻系統關鍵是冷卻水溫的控制，循環水溫要控制在空壓機能夠穩定工作狀態的溫度，對水質要進行軟化處理。冷卻塔、循環泵、冷卻系統管網及散熱器等須定期進行維護清理，使水循環冷卻系統工作安全可靠。冬季機組停機后，注意排水，防止散熱器凍裂;夏季水循環冷卻系統在持續工作時要防止缺水。

4.3 兩種冷卻方式不足

軸流風機冷卻方式受散熱器上散熱片導熱及透氣性影響，如果散熱片長期沒有清理維護，透氣性能下降或者周圍空氣流動性很差，導致散熱效果不好，會使潤滑油溫度過高而頻繁報警，嚴重時會自動停機。因此應定期對散熱片進行維護清理，保持散熱器散熱表面清潔，改善散熱片周圍空氣流動方向，使散熱片的散熱效果達到最佳狀態。水循環冷卻方式對水溫的要求非常嚴格，同時受季節變化影響，夏季要加強循環水的降溫措施;冬季要防止水溫過低導致潤滑油過涼而變得粘稠，不利于空壓機的潤滑冷卻。油冷卻系統出了問題會導致油溫過高潤滑效果降低，滑油品質下降，空壓機工況惡化，排氣量減少等問題，嚴重時會造成空壓機缸體和轉子齒輪磨損甚至損壞。

5? 空壓機潤滑油的散熱器軸流風機冷卻方式能耗測算

螺桿空壓機潤滑油的散熱器軸流風機冷卻方式中冷卻風扇一般為2組/臺，以阿特拉斯160kW空壓機為例，散熱器配2組7.5kW三相風扇，開機工頻持續運行，能耗測算如下：

每小時耗電量計算：

每年按310d計算年總耗電量：

這只是1臺小型空壓機軸流風機冷卻方式的能耗測算，如果是空壓機群組，則能耗累計相當可觀。如果能對空壓機潤滑油的散熱器風冷方式工藝進行改進，降低風扇的運行時間或者風扇只是備用狀態，則可以達到節電降耗，增收節能的效果。

6? 空壓機潤滑油的散熱器軸流風機冷卻方式系統升級改造

6.1 用戶現狀

西安市進出口加工區某外資企業生產車間配阿特拉斯GA160系列螺桿空壓機6臺，每臺潤滑油的散熱器配2臺AC380V 7.5kW冷卻風扇，開機工頻持續運行。整個車間還有阿特拉斯GA110系列螺桿空壓機2臺，GA132系列螺桿空壓機1臺，GA315系列螺桿空壓機4臺。由于13臺空壓機群組，集中安裝在一個廠房內，導致車間溫度高、噪音大，不利于空壓機持續有效工作，特別是夏季高溫天氣，空壓機冷卻效果很差，空壓機故障率很高，嚴重影響生產，車間提出對設備進行升級改造，原則是對現有的空壓機進行節能節電改造，提高空壓機性能，降低空壓機故障率。

6.2 改造方案

針對車間提出的要求，結合空壓機車間的實際工況，給用戶提出了改造方案：

（1）前期先對6臺GA160系列螺桿空壓機的風扇冷卻進行改造，在原來的每臺散熱器中再串接一組新散熱器，新散熱器是循環水冷卻，6組新散熱器出口的熱水，通過1臺7.5kW循環泵輸送到室外冷卻塔進行噴淋和風機雙冷卻后，經過冷卻塔出口回到新散熱器進口，完成冷卻系統的循環過程。

（2）改造后，原散熱器風扇只是備用狀態，在極端天氣下水冷卻效果達不到要求時偶爾啟用;這樣6臺空壓機散熱器風扇7.5kW共計2×6=12臺。

每小時節省電能：

每年工作310d年總節省電能：

（3）7.5kW循環泵一用一備，依據水泵變頻調速運行的經濟分析[4]，以及變頻恒壓控制系統的原理[5]，采用ABB變頻器控制，循環管道出水口和進水口分別安裝溫度傳感器，以出水口的水溫為依據，進行恒溫變頻節能控制運行。實際運行情況是，夏天極端天氣下變頻器運行在42Hz左右，冬天極端天氣下變頻器運行在12Hz左右。

（4）系統配有壓力傳感器，監視水循環系統的壓力。

（5）冷卻塔選用FZP-70B干濕兩用冷卻塔2臺，一用一備。每臺冷卻塔配2.2kW風扇2臺，一用一備;1.5kW噴淋泵2臺，一用一備。工作方式是夏季以噴淋工作為主，風扇備用;冬季以風扇工作為主，噴淋備用。實際運行中：夏季2臺噴淋完全滿足冷卻效果，冬季1臺風扇都可以滿足冷卻效果。冷卻塔能耗計算如下：

噴淋泵和風扇平均功耗：

每小時耗電量：

每年工作310d年總耗電量：

（6）自動控制的基本方式[6]：整套冷卻水循環系統以可編程控制器PLC為核心，PLC技術也可以輸入和輸出程序模塊，并與相關接口建立相對應的聯系關系，從而加強對于機械電氣設備的控制[7]。應用全閉環控制系統[8]中的負溫度反饋原理，進行恒溫控制;通過PID自動調節更能夠實現精細化控制;觸摸屏人機界面友好，自動化程度更高，可以實現無人值守控制及遠程監控[5]。

（7）系統效果如下：

①每年工作310d年總節約電能：

WJD=W總-（WB+Wpf）

=669600-（30132+27528）=611940（kw h）

②空壓機的故障率及設備維修維護頻次明顯下降。

③空壓機車間溫度及環境有了明顯改善。

④改造后6臺空壓機運行更穩定，散熱器上的2臺風扇不用工作，噪音明顯減少。

7? 空壓機冷卻循環變頻控制系統

7.1 系統介紹

空壓機冷卻循環控制系統是陜西榮成智控機電科技有限公司節能降耗和清潔環保系列產品之一，主要適用于空壓機冷卻循環風冷控制系統。整個系統主要硬件組成由昆侖通態10寸觸摸屏、西門子200SMART可編程邏輯控制器及模擬量模塊、ABB變頻器、現場溫度傳感器和壓力傳感器組成，預留遠程以太網通訊接口。針對系統的特點，采用數字PID控制算法[9]及恒溫控制工藝技術，不僅可以達到循環冷卻的目的，而且有效降低了能耗和工人勞動強度，提高了生產管理水平。冷卻循環變頻控制系統工藝技術的特點是，對冷卻塔出口溫度進行判斷，調整循環泵變頻運行，使冷卻系統溫度穩定在設定值。同時有“本柜”或“屏控”啟停方式，“手動”或“自動”無擾動自由切換模式，“工頻”和“變頻”運行方式，功能齊全，性能穩定，操作方便靈活，安全可靠，具有無人值守自動運