基于余隙無級調節理論的壓縮機節能技術

林高潔，漆磊，陳奕好，廖聆宇，吳逸凡，伍虹霖，吳雪健

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

0 引言

空壓機是提供氣源動力的現代化基礎機械，其消耗的電能超過整個裝置耗電量的30%。導致其高耗能的一個重要原因是設計排氣量負荷大于工藝生產裝置所需氣量，設備需減荷運行，能量被直接消耗。目前多數空壓機在生產過程中，均設定設備以最大需氣量運行，但多數場合下應降低壓縮機的排氣量以滿足實際需要。在此情況下，對空壓機進行節能降耗改造，成為了用戶的重要需求[1]。

目前針對空壓機排氣量的傳統的氣量調節方式主要包括旁路回流調節、轉速調節、卸荷調節以及余隙調節，但均存在一定缺陷。

表1 傳統壓縮機氣量調節方式對比

為實現活塞式壓縮機氣量的自適應調節，同時避免傳統氣量調節方式的缺陷，本項目創新性地設計了一種活塞式壓縮機綜合節能裝置，有效結合了壓縮機余隙無級調節技術以及電機變頻調節技術，可實現壓縮機氣量的自適應調節，達到減少壓縮機使用功耗、降低維護成本和提高壓縮機壽命的目的。同時，本裝置可在不改變壓縮機主體結構的情況下，直接更換自主設計的氣閥處余隙調節裝置和控制系統，設備的改裝與維護簡單、額外成本低，具有良好的節能效益及廣闊的應用前景[2]。

1 控制方案設計

1.1 控制系統整體設計

基于余隙無級調節理論的壓縮機節能技術主要由余隙容積調節部分、電機變頻調節部分、電液控制部分組成。余隙容積調節部分能夠控制壓縮機出氣閥位置進行軸向微動，使該處余隙容積契合當前工況，在滿足當前工程所需效率的前提下，減小壓縮機功率。為進一步擴大調節范圍，本裝置再結合電機變頻控制原理，設計了電機變頻調節單元實現轉速控制，兩種調節方式結合，可實現壓縮機氣量在25%-100%的范圍的無級調節[3]。

與傳統的壓縮機氣量調節方式相比，本作品的設計優勢體現在：（1）通過余隙調節和電機變頻調節結合，擴大氣量調節范圍，可根據空壓機運行情況自動調節；（2）余隙調節裝置對壓縮機軸向余隙進行調節，不改變壓縮機主體結構，適應性強；（3）集成化的控制系統能根據空壓機工況實時調節余隙，運行過程耗能少，維護成本較低。

1.2 余隙容積調節

余隙無級調節是在固定余隙調節的基礎上，將固定余隙改變成余隙容積連續可調的調節方法，取消控制輔助余隙腔與氣缸之間連接的余隙閥，可調余隙缸與外側氣缸直接相通，進出余隙缸的氣體幾乎沒有阻力損失[4]。

圖1 余隙調節原理示意圖

圖中，橫坐標V表示氣缸容積變化，縱坐標P表示氣缸壓力變化，P1、P2分別是進、排氣壓力。在圖中，1-2-3-4表示存在余隙容積Vc時全排氣量的循環圖。其中3-4過程為余隙部分氣體膨脹過程，4-1過程為壓縮機吸氣過程，1-2過程為氣體壓縮過程，2-3過程為壓縮機排氣過程。通過四個過程P-V所圍成的面積為壓縮機指示功。若增加余隙容積到Vc’，此時功率循環圖為1-2’-3-4’。氣體的膨脹過程增長，氣體對壓縮機活塞做功，減輕了曲軸連桿的負載；進氣量由全進氣量相應的線段長度4-1減少到線段長度4’-1，進氣量減少，入口壓力得以提高；壓縮過程按1-2’進行。壓縮過程活塞力的增加速率小于余隙容積為Vc時的速率，提高壓縮機運行的平穩性，減少震動和噪聲；排氣量由相應的全排氣量線段2-3減少到線段2’-3[5]。

1.3 電機變頻調節

電機變頻調節主要通過變壓調速器與220交流電源實。變頻調速器使用正弦PWM脈寬調制電路，將由控制器輸出的信號輸出為相應的頻率信號。空氣壓縮機轉速n為：

式中f——輸入頻率；s——電機轉差率；p——為電機磁極對數。

由此公式可知，通過該變頻器改變電機輸入頻率，可使電機轉速發生變化。空氣壓縮機理論排氣量Q為：

式中D——氣缸內壁直徑；S——活塞行程；n——電機轉速；——λi壓縮機相關系數。

空氣壓縮機轉速的變化可直接改變空壓機當前排氣量，故可通過變頻調速實現氣量的調節。使用變頻器理論上可實現電機轉速在0～100%范圍內的調節，但電機低速運載，會導致效率大幅下降，影響變頻器及電機的使用壽命。因此設定的調速范圍不宜超過額定轉速的40%～50%。為保證電機較長的工作時間和較高的效率，設定變頻調節范圍的最低值為額定轉速的60%。同時為了避免電機轉速頻繁改變，對電機主軸造成損害，故將變頻調節作為氣量的粗調節，采取設置轉速檔位的方式，根據當前壓縮機工況，直接選取檔位來調節壓縮機氣量。

1.4 電液控制系統

電液控制系統采用閉環控制，由控制系統和液壓系統組成。壓縮機內置了測量溫度、壓力等數據的傳感器，在工作過程中能實時獲取壓縮機內的氣體壓力、溫度等，并發送給上位機。上位機能處理這部分參量，計算出余隙活塞桿的位移量以及變頻器的調速范圍，進而得出電磁閥導通方向及時間。PLC與上位機通信，獲取上位機的控制信號，分別控制電磁閥執行動作實現余隙活塞的直線運動，變頻器對電機轉速進行調節，同時位移傳感器反饋當前余隙活塞桿位移量給上位機，實現閉環反饋，并為后續通訊提供控制依據。最終實現壓縮機排氣量和級間壓縮比的控制。

圖2 控制流程圖

2 控制系統調節

2.1 控制系統

控制系統由PLC與上位機構成，其中上位機用于分析壓縮機工況以及人機交互。該控制系統將儲氣罐內氣體壓力作為系統的主控參量，當用戶需氣量與供氣量不平衡時，儲氣罐中氣體壓力發生變化，上位機通過傳感器獲取當前氣罐氣壓，計算出壓力變化范圍并采用不同的調節策略，輸出相應的控制指令給PLC。

另一方面，上位機連接顯示屏，并將當前進氣壓力、出氣壓力、氣體溫度以及余隙容積大小繪制成曲線圖反映到用戶界面上，直觀地向使用者反映調節過程以及當工況。

PLC控制系統主要由S7-200系列 PLC、位移傳感器以及電磁換向閥組成。位移傳感器可實時監測余隙活塞桿的位移，并通過PLC反饋到上位機；電磁換向閥接入PLC的繼電器輸出口，用于控制余隙調節活塞的移動方向；PLC與電機的變頻器相連，可對電機轉速進行變頻調節。在實際工作中，PLC在接收到上位機的控制信號后，及時控制電磁閥及變頻器，對壓縮機氣量進行調節[6]。

圖3 PLC工作流程

圖4 用戶界面

2.2 調節策略案例分析

以當前城鎮天然氣運輸管道次高壓燃氣管道為例，其管內壓力一般為0.4＜P≤0.8MPa。我們通過氣壓傳感器實時監測管內壓力，并以0.5MPa作為設定的管內標準氣壓，由于壓縮機額定負載要大于實際需求量，因此設定額定轉速的90%為正常轉速，余隙大小20mm為正常余隙容積。

當監測中的管內氣壓小于0.5MPa時，即當前時段用戶用氣量大于壓縮機輸氣量，將轉速調節為當前額定轉速，并通過PLC系統控制電磁閥逐步減小余隙容積，直至管內氣壓恢復至標準氣壓；當監測中的管內氣壓大于0.5MPa，即當前時段用戶用氣量小于壓縮機輸氣量，根據當前管內氣壓偏離標準氣壓的程度，將轉速調至預設檔位，并逐步增大余隙容積，兩者相結合，減小壓縮機輸氣量，直至管內氣壓恢復至標準氣壓。根據理論公式，本項目利用MATLAB軟件建立起數學模型，以此來確定相應氣壓下最為合適的余隙容積和電機轉速調節量，圖示為壓縮機輸氣量隨轉速及余隙容積大小變化的曲線圖[7]。

圖5 裝置氣量調節圖

3 實驗測試

以某省五年間冬夏兩季的天然氣消費數據為例，每季度按90天（2160小時）計算。

以K101A/B/C壓縮機為實驗樣機，具體參數如表2所示，數量為500臺。

已知空氣壓縮機理論排氣量Q為：

根據式2計算出各種氣量調節方式的排氣量，如表2所示。

表2 K101A/B/C壓縮機參數

為使壓縮機能夠在以上工況獲得優化余隙調節方案，對壓縮機主要參數軸功率、當量流量、進出口壓力、溫度系數等進行分析。

獲取壓縮機當量流量Q及軸功率N的計算公式：

其中，v為壓縮機體積流量，由壓縮機型號確定v=2.1；

λ為負荷率，與余隙調節量有關，固定余隙狀態下λ=1；

P1、P2為壓縮機吸氣、排氣壓力；

k為氣體絕熱指數，k=1.32；

σ的為相對壓力損失，σ=5%；

?為壓縮機效率，?=85%；

α為溫度系數，α=（t+273）/273。

經過計算整理，各種調節方式的工況如表3所示。

表3 各種調節方式工況及電量消耗

從表中可知，相較于旁路回流調節、卸荷調節，本調節技術能夠較大程度的改變出氣量，減少能量的損耗；相較于轉速調節、端蓋余隙調節，本技術能提供更大的氣量變化范圍，降低功率。同時考慮到空壓機本身的使用壽命、改裝成本等因素，本技術具有較大的優勢。綜合分析下，本技術具有較好的節能減排效益。

4 結語

本項目針對當前大型空壓機中占比較多的活塞式空壓機進行節能化改造，創新性地設計出對氣閥處余隙容積進行無級調節的執行機構，并結合電機變頻技術進一步擴大氣量調節范圍。通過PLC與上位機實時監測用戶需氣量，并對空壓機輸氣量進行動態調節，節能效果良好。本項目積極響應國家對工業大功率用電設備節電的號召，立足市場需求，有利于行業多元發展。同時，與現有同類產品對比，本裝置調節范圍更廣，裝置適應性更強，后期維護成本較低，有利于大范圍推廣。