雙級永磁變頻空壓機節能技術研究與應用

李谞

0 引言

壓縮空氣是啤酒生產中不可缺少的動力源。在啤酒的生產過程中，壓縮空氣系統擔負著為啤酒工藝、生產設備以及各種氣動元件提供氣源的職責。然而，壓縮空氣系統的高能耗問題也一直是啤酒生產企業關注的重點，據統計，壓縮空氣系統的用電能耗占啤酒生產企業用電總量的15%左右[1]；其中，空氣壓縮機（簡稱“空壓機”）作為壓縮空氣系統中的核心設備，其能耗約占整個壓縮空氣系統的70%以上[2]。由此可見，對壓縮空氣系統進行節能改造，關鍵在于有效地降低空壓機的能耗水平。近年來，面對日益嚴峻的外部環境以及啤酒市場競爭的加劇，對壓縮空氣系統進行節能技術改造，尤其是采用更低單位能耗的空壓機替代較高單位能耗的空壓機進行節能改造具有一定的可行性，其不僅有利于壓縮空氣系統的節能降耗，提高設備的使用壽命，還能實現啤酒生產企業降本增效的目標，為今后落實國家“碳達峰”及“碳中和”的相關政策邁出重要一步。

1 啤酒行業空壓機現狀分析

當前，受企業規模、產能和資金等因素的影響，不少中小型啤酒生產企業的空壓機普遍為工頻螺桿式空壓機。其在運行過程中依據排氣口壓力以及管網用氣的動態變化進行調節；當用氣量不斷變化時，空壓機就會不斷地在啟動、加載、保壓、卸載、停機之間往復循環以穩定氣壓。空壓機頻繁地加、卸載不僅使空壓機的運行效率低下，造成嚴重的能源損耗的同時，也會進一步地降低空壓機的使用壽命，使空壓機的維護成本隨著運行時間的增加而逐年升高[3]；此外，空壓機“高壓低用”、匹配不合理以及壓力帶設置過寬等也是目前啤酒生產企業壓縮空氣系統中空壓機使用普遍存在的問題。

隨著各地對節能減排的要求越來越嚴格以及企業對低能耗節能的需求越來越急迫，一些大型啤酒生產企業開始逐步使用雙級永磁變頻螺桿空壓機替代傳統的工頻螺桿式空壓機，以此推進企業的降本增效工作，從而達到節能減排的目標。

2 雙級永磁變頻螺桿空壓機運行分析

2.1 雙級永磁變頻螺桿空壓機的電動機分析

一般而言，雙級永磁變頻螺桿空壓機電動機為永磁同步電動機。永磁同步電機無勵磁線圈，轉子的直流勵磁繞組被永磁體取代，顯著提高了功率因素，降低定子電流和銅耗；同時，轉子永磁體和定子旋轉磁場同步運行，不產生轉子感應電流，降低了轉子損耗[4]。圖1 為永磁同步電動機與工頻Y 系列異步電動機的效率-轉速曲線對比圖，由圖1 可知，相比Y 系列異步電動機，永磁同步電動機在轉速的初始階段已接近與最大效率ηmax。由此可見，永磁同步電動機在節能效果上相較于工頻電動機具有更大的節能優勢。

圖1. Y 系列異步電動和永磁同步電機的轉速n-效率η 曲線圖[5]

此外，永磁同步電機配合變頻驅動器（Variable Frequency Drive,VFD）的永磁變頻啟動方式相比軟啟動更加平穩、啟動電流更小、能量消耗更低，啟動時完全避免了電流峰值，進而有效提高了空壓機整機的可靠性和穩定性，并徹底杜絕了工頻啟動對電網和設備的沖擊（圖2 所示）。當機組在變頻的狀態下運行時，永磁同步電機將保持極高的效率運行，使電機的轉速、扭矩以及運行特性適應空壓機的負載，在滿負荷的情況下充分發揮峰值效率和功率因數。

圖2. 不同啟動方式下的電流趨勢圖

相比工頻螺桿式空壓機頻繁的加、卸載，雙級永磁變頻螺桿空壓機啟動運行至額定壓力后，其變頻器能夠通過實時用氣量來調整電機轉速，并進行無級變速跟蹤產氣，在保持壓力不變的狀況下控制空壓機輸出實際需要的氣量。如圖3 所示，普通工頻螺桿空壓機運行時，其壓力一直在額定壓力的上下0.07MPa 范圍內波動，而搭配VFD 的雙級永磁變頻空壓機的壓力可以穩定在額定壓力上下0.01MPa 范圍內，實現了恒壓供氣，不僅有效降低空壓機的能耗，也提高了機組及用氣設備的可靠性和使用壽命。

圖3. 雙級永磁變頻空壓機（紅線）和普通工頻螺桿空壓機（藍線）的壓力趨勢圖

2.2 雙級永磁變頻螺桿空壓機的壓縮技術分析

工頻螺桿式空壓機大多為單級螺桿空壓機，主要以一組相互平行嚙合的陰陽轉子在機體內進行相對旋轉。根據工程熱力學理論，空壓機在壓縮過程中進行等溫壓縮最省功[4,5]。圖4 為等溫壓縮和單級壓縮在壓縮過程中氣體的壓力P 與體積V 的關系圖,其中，面積0-1-2’-3-0為等溫壓縮所需要的功耗，面積0-1-2-3-0 為單級壓縮所需要消耗的功。由圖4 可知，等溫壓縮的功耗相比單級壓縮的功耗更小，空壓機進行等溫壓縮不僅有利于降低消耗的功率，還能降低壓縮后氣體的溫度。因此，對于空壓機來說，在壓縮過程中實現等溫壓縮，是空壓機最理想的壓縮過程。然而，空壓機進行等溫壓縮在實際運行中幾乎難以實現，這是由于壓縮后氣體的溫度無法完全實現與外界的溫度相等。因此，為了降低壓縮后的氣體溫度以及提高空壓機的效率，空壓機的壓縮過程應盡可能向等溫壓縮靠近。

圖4. 等溫壓縮和單級壓縮氣體的壓力P 與體積V 關系圖

圖5. 兩級壓縮的壓力P 與體積V 關系圖

3節能改造案例

雙級永磁變頻螺桿空壓機則是采用了兩組同樣相互平行嚙合的陰陽螺桿轉子，通過雙級壓縮實現合理的壓力分配，降低了每次壓縮的壓縮比。此外，通過增加中間冷卻的方式，對經過一級壓縮后的壓縮氣體進行冷卻處理。空壓機里的冷卻劑會通過機體上的多個噴射孔，形成霧狀噴射簾，對熱的壓縮空氣進行近乎完美的冷卻，大大降低了進入二級壓縮階段前的壓縮空氣溫度，起到接近了等溫壓縮過程、節約壓縮所需能量的效果。圖5為兩級壓縮的壓力P 與體積V 關系圖，由上文可知，面積0-1-2’-3-0 和面積0-1-2-3-0 分別為等溫壓縮和單級壓縮所需要消耗的功； 當采用兩級壓縮，則壓縮過程中所消耗的功為0-1-4-5-0 和5-4’-2’’-3-5 所包含區域之和。通過對比單級壓縮所消耗的功（0-1-2-3-0），則可知兩級壓縮對比單級壓縮所節省的功耗為面積4’-4-2-2’’-4’，由此可知兩級壓縮相比單級壓縮具有更好的節能優勢[5,6]。

某啤酒生產企業三條糖化出糟工段采用壓縮空氣管道吹糟方式進行（圖6 所示）。其中，一線排糟壓縮空氣的流量需求為17.1m3/min，日平均使用9 小時；二線排糟壓縮空氣的流量需求為16.91m3/min，日平均使用6小時；三線排糟壓縮空氣的流量需求為18.8m3/min，日平均使用4 小時。排糟的壓縮空氣使用量占全廠總用氣量的43.55%。

圖6. 壓縮空氣管道吹氣排糟

當前，該啤酒生產企業配備了三臺工頻螺桿式空壓機用于管道吹氣排糟（表1-1 所示）。由表1-1 可知，三臺空壓機分別為兩臺額定壓力為0.7MPa，流量10m3/min 及一臺額定壓力為0.8MPa，流量20m3/min 的微油空壓機，而管道吹氣排糟實際只需3.5-4.5bar，存在空壓機“大馬拉小車”的現象。

表1-1 糖化出糟工段空壓機使用情況

對現場實施節能改造，采用三臺排氣量為18m3/min、 壓 力4bar、 比 功 率4.5kwh/(m3/min) 的 雙 級永磁變頻螺桿空壓機替代原來的三臺工頻螺桿式空壓機。 改造前，三臺工頻螺桿式空壓機年均流量約為16350596m3，年均用電量為1791208kwh；改造后，三臺雙級永磁變頻螺桿空壓機年用電量約為1226295kwh，相比改造前的1791208kwh，節約電量約為564913kwh，節能率達到了31.5%，按0.7 元的電價計算，可節約金額為395439 元，與改造前采用工頻螺桿式空壓機相比，采用雙級永磁變頻空壓機具有非常明顯的節能優勢。

4 結束語

隨著我國啤酒企業規模的不斷擴大，設備節能效果的重要性將愈發凸顯。作為壓縮空氣系統的新型節能設備，雙級永磁變頻螺桿空壓機近幾年得到了大力發展，并已在其他傳統工業得到了廣泛的應用。然而，不少啤酒行業中小型啤酒生產企業出于資金成本考慮，更傾向于采用工頻螺桿式空壓機，雙級永磁變頻螺桿空壓機的普及率仍然較低。近年來，隨著國家《“十四五”節能減排綜合工作方案》逐步的細化落實，工業設備的節能技術改造將是國家未來實現“碳達峰”及“碳中和”目標的關鍵支撐，采用更低單位能耗的雙級永磁變頻螺桿空壓機替代較高單位能耗的工頻螺桿式空壓機有利于節能降耗，提高空壓設備使用壽命，具有一定的可行性。