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永磁變頻兩級(jí)壓縮螺桿空壓機(jī)比單級(jí)噴油螺桿空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能效果明顯
來源: | 作者:羅德康普動(dòng)力 | 發(fā)布時(shí)間: 2020-11-13 | 4451 次瀏覽 | 分享到:
永磁節(jié)能空壓機(jī)
從技術(shù)上比較了單級(jí)噴油螺桿空壓機(jī)和永磁變頻兩級(jí)螺桿空壓機(jī)的運(yùn)行原理、狀況和特點(diǎn)，并實(shí)地檢測(cè)了兩種系統(tǒng)的能量消耗數(shù)據(jù)，從而證明永磁變頻兩級(jí)螺桿空壓機(jī)系統(tǒng)比單級(jí)噴油螺桿式空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能效果明顯。

能源短缺已經(jīng)成為當(dāng)前制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的突出問題和矛盾，節(jié)約能源、提高能源利用效率是解決能源問題的有效途徑。在2007年修改的《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》里，將節(jié)約資源確定為基本國(guó)策，明確國(guó)家實(shí)施節(jié)約與開發(fā)并舉、把節(jié)約放在首位的能源發(fā)展戰(zhàn)略。

壓縮空氣是我國(guó)各行業(yè)氣動(dòng)設(shè)備和工藝設(shè)備的主要?jiǎng)恿υ矗瑩?jù)統(tǒng)計(jì)，空壓機(jī)的耗電量約占工業(yè)設(shè)備用電量的20%，所以空壓機(jī)的節(jié)能改造勢(shì)在必行。

目前空壓機(jī)節(jié)能改造比較容易實(shí)施和比較見效的措施有：空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造和減少車間壓縮空氣泄漏。其中，采用更低單位能效的空壓機(jī)替代較高單位能耗的空壓機(jī)來進(jìn)行空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造，能夠直接地減少用氣企業(yè)的用電使用量。

隨著永磁同步電機(jī)技術(shù)的成熟、變頻器調(diào)速技術(shù)的普遍使用、空壓機(jī)兩級(jí)壓縮加中間冷卻技術(shù)的推廣以及用氣企業(yè)工作壓力的合理設(shè)定，為空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造提供了完善的基礎(chǔ)條件。因此提出采用永磁變頻兩級(jí)壓縮技術(shù)進(jìn)行空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造。

1、單級(jí)噴油螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行分析

1.1 單級(jí)噴油螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行原理

普通螺桿空壓機(jī)大多為單級(jí)噴油螺桿式空壓機(jī)，由一對(duì)相互平行嚙合的陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子在機(jī)體內(nèi)做相對(duì)高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒槽和機(jī)體之間形成的呈“V”字形的一對(duì)齒間容積隨轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，空氣則沿著轉(zhuǎn)子軸線方向由吸入端輸送至輸出端，實(shí)現(xiàn)螺桿空壓機(jī)的吸氣、壓縮和排氣的全過程。

其運(yùn)行的原理圖見圖1：
單級(jí)噴油螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行原理
單級(jí)噴油螺桿式空壓機(jī)的典型配置特點(diǎn)為：其受電的電動(dòng)機(jī)為異步電動(dòng)機(jī)，控制異步電動(dòng)機(jī)的電控部分為采用接觸器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的Y-△控制方式。

單級(jí)噴油螺桿式空壓機(jī)的機(jī)頭為單級(jí)螺桿壓縮機(jī)，將常溫常壓的空氣通過單級(jí)雙螺桿一次性壓縮成用氣單位需求的壓力；給定壓力是一個(gè)有變動(dòng)范圍的壓力，是用戶向空壓機(jī)輸入的需求指令；最終，單級(jí)噴油螺桿式空壓機(jī)提供給用戶的供氣壓力為波動(dòng)的壓力，為了減少壓力波動(dòng)的范圍，用戶一般使用增加壓縮空氣管網(wǎng)上的儲(chǔ)氣罐數(shù)量的方式，或使用增大儲(chǔ)氣罐容積的方式。

1.2異步電動(dòng)機(jī)能耗分析

根據(jù)GB18613-2012《中小型異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》的新版能效標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，各等級(jí)的電機(jī)在輸出功率下的效率和功率因素都有所提高，異步電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)曲線見圖2和圖3。

從圖2、3中可看到，除了異步電動(dòng)機(jī)工作在額定功率附近以外的其他區(qū)域，其效率和功率因素都是比較低，而異步電動(dòng)機(jī)的無功功率較高，所以作為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的空壓機(jī)設(shè)備，只要運(yùn)行于額定功率以外的區(qū)域，就一定存在節(jié)能的空間。1.3 單級(jí)壓縮能耗分析

根據(jù)工程熱力學(xué)理論，空氣壓縮機(jī)在壓縮過程中定溫壓縮最省功，從圖4中可以看出，面積0—3—2T—1—0為定溫壓縮所需要的功耗，面積0—3—2m—1—0為單級(jí)螺桿空壓機(jī)實(shí)際壓縮過程所需要的功耗。

從圖4中可看到，定溫壓縮所需要的功耗要小于單級(jí)壓縮所需要的功耗，因而從功率消耗的角度來看，定溫壓縮最為有利，它不但可減少消耗的功率，還可降低壓縮后氣體的溫度。
定溫壓縮，要使氣體熱量隨時(shí)與外界交換，氣體溫度與外界相等，在實(shí)際工況中是不可能實(shí)現(xiàn)的，這只是制造廠家在產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)中努力的方向。
為了降低壓縮后的氣體溫度和提高空壓機(jī)的效率，盡可能向定溫壓縮過程靠近，這使得空壓機(jī)的使用材料更加寬廣和經(jīng)濟(jì)，同時(shí)使得空壓機(jī)的運(yùn)行更加可靠，經(jīng)過測(cè)算，定溫壓縮比普通螺桿空壓機(jī)單級(jí)壓縮至少節(jié)省功耗15%以上。

1.4 加載/卸載運(yùn)行模式分析

為降低能耗，當(dāng)用氣管網(wǎng)壓力升至某一值時(shí)，空壓機(jī)的電腦控制器將令壓縮機(jī)停機(jī)，然后當(dāng)氣管網(wǎng)壓力降至某一值時(shí)，再令壓縮機(jī)自動(dòng)重新啟動(dòng)。為避免頻繁啟動(dòng)給電機(jī)造成損害，如果預(yù)計(jì)的卸載時(shí)間較短，電腦控制器將令壓縮機(jī)卸載運(yùn)行而不停機(jī)，采用空載運(yùn)行的方式運(yùn)行。

如圖5所示。當(dāng)空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)，空壓機(jī)的輸出壓力從加載壓力ps上升到卸載壓力ps+Δp 階段，空壓機(jī)的功率也從P1上升到P1+ΔP，在這個(gè)階段，空壓機(jī)的輸出壓力和功率都是線性運(yùn)行狀態(tài)。
一旦壓力達(dá)到ps+Δp，如果空壓機(jī)管網(wǎng)的用氣量比較大，空壓機(jī)將不會(huì)停機(jī)，而采用空載運(yùn)行的方式，此時(shí)空壓機(jī)的功率維持在一個(gè)恒定的P2值（如圖5中3—3’、6—6’和9-9’）。一旦管網(wǎng)的壓力由卸載壓力ps+Δp 下降至加載壓力ps時(shí)，又開始另一個(gè)循環(huán)的加載—卸載工作。

一般情況下，浮動(dòng)壓力Δp≥ps×10%，相應(yīng)地，浮動(dòng)功率ΔP≥P1×10%。由圖5可知，單級(jí)噴油螺桿式空壓機(jī)采用加載—卸載運(yùn)行狀態(tài)下，運(yùn)行一個(gè)周期的功耗為0—P1—1—3—3’—t2—0所圍成的面積。
如果采用恒定壓力供氣時(shí)，空壓機(jī)的輸出壓力會(huì)一直維持在ps，空壓機(jī)的輸出功率也會(huì)一直維持在P1上，此時(shí)，單級(jí)噴油螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)序一個(gè)周期的功耗為0—P1—2’—t2—0所圍成的面積。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，0—P1—1—3—3’ —t2—0 所圍成的面積會(huì)比0—P2—2’ —t2—0所圍成的面積大5%以上，實(shí)際上，單級(jí)噴油式螺桿式空壓機(jī)在無外加變頻器的情況下是無法做到恒壓供氣的。
從以上對(duì)單級(jí)噴油螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行分析可知：由于單級(jí)噴油螺桿式空壓機(jī)采用異步電動(dòng)機(jī)、采用單級(jí)壓縮、波動(dòng)壓力供氣，使其運(yùn)行能耗大大升高。

在此種情況下，亟需采用更加節(jié)能的方法對(duì)普通螺桿式空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，采用永磁變頻兩級(jí)壓縮技術(shù)的空壓機(jī)改造是一種可行的方法。

2、分析、討論和對(duì)比

2.1雙永磁變頻兩級(jí)螺桿空壓機(jī)運(yùn)行分析

圖6是雙永磁變頻兩級(jí)螺桿空壓機(jī)的運(yùn)行原理圖。雙永磁變頻兩級(jí)螺桿空壓機(jī)仍然是噴油螺桿式空壓機(jī)，但它是兩級(jí)壓縮，使用兩個(gè)壓縮機(jī)機(jī)頭，由兩臺(tái)永磁同步電機(jī)帶動(dòng)，永磁同步電機(jī)的調(diào)速控制由各自的變頻器完成，在實(shí)際的運(yùn)行中最終形成恒定壓力給定，恒定壓力供氣的模式。
雙永磁變頻兩級(jí)螺桿空壓機(jī)的運(yùn)行原理圖
2.2永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行分析

永磁同步電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子的直流勵(lì)磁繞組被永磁體取代。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是消除了勵(lì)磁銅耗，使功率密度更高，轉(zhuǎn)子慣性更低和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固。

圖7和圖8是永磁同步電機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的效率曲線和功率因素曲線圖。從圖中可以看出，永磁同步電機(jī)無論是在額定負(fù)載附近還是在其他的運(yùn)行區(qū)域，其效率和功率因素都比較接近1，無功功率較低。因此，永磁同步電機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)能效更高。

2.3兩級(jí)壓縮加中間冷卻
現(xiàn)在的空壓機(jī)改造方式由原來的單級(jí)壓縮改造為兩級(jí)壓縮，第一級(jí)壓縮后經(jīng)過中間冷卻，使進(jìn)入到第二級(jí)的壓縮空氣溫度等于或接近于第一級(jí)的進(jìn)氣溫度，這樣才能降低排氣溫度和功耗。
從初壓到終壓，分的級(jí)數(shù)和中間冷卻過程越多，就越接近定溫壓縮，但分級(jí)過多將增加氣體流動(dòng)的阻力，而且空壓機(jī)制造成本也大大增加，因此分級(jí)必須合理，兩級(jí)壓縮是應(yīng)用最多的分級(jí)方法。
而中間冷卻最常用的方法是向壓縮腔內(nèi)噴油冷卻，將循環(huán)冷卻的少量冷卻油噴成霧狀與氣體一起進(jìn)入壓縮腔內(nèi)，噴入的油霧吸收了壓縮空氣在壓縮過程中產(chǎn)生的大量熱量，然后與空氣一起排出空壓機(jī)殼體，經(jīng)油氣分離后循環(huán)使用。

圖9是兩級(jí)壓縮加中間冷卻的P—V 示功圖，圖中的陰影部分的面積即為所節(jié)省的功耗（圖中2m’—2T’—2m’’—2m—2m’）。
由于二級(jí)進(jìn)氣溫度被冷卻到一級(jí)進(jìn)氣溫度，經(jīng)過測(cè)試，兩級(jí)壓縮加中間冷卻所節(jié)省的功耗（圖中陰影部分） 比單級(jí)壓縮所需的功耗節(jié)省10%以上。

2.4變頻器調(diào)速

對(duì)機(jī)械負(fù)載經(jīng)常變化的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，采用調(diào)速運(yùn)行的方式加以調(diào)節(jié)。由于單級(jí)噴油螺桿式空壓機(jī)負(fù)載變化較大，因而其壓力波動(dòng)較大，采用間歇運(yùn)行或加載/卸載控制方式運(yùn)行時(shí)無法實(shí)現(xiàn)恒壓供氣。
永磁變頻兩級(jí)螺桿空壓機(jī)中加入變頻器調(diào)速，從而使壓縮空氣管網(wǎng)的壓力更加穩(wěn)定，其壓力曲線幾乎為一條直線。根據(jù)測(cè)試，加入變頻器后的恒壓供氣運(yùn)行模式比加載/卸載運(yùn)行模式節(jié)能率大大提高。

2.5空壓機(jī)節(jié)能量對(duì)比
用氣量比較集中，采用新改造使用的永磁變頻兩級(jí)螺桿空壓機(jī)替代單級(jí)噴油螺桿式空壓機(jī)，經(jīng)過測(cè)試，永磁變頻兩級(jí)螺桿空壓機(jī)比單級(jí)噴油螺桿式空壓機(jī)節(jié)能率為20.59%，見表1：
永磁變頻兩級(jí)螺桿空壓機(jī)比單級(jí)噴油螺桿式空壓機(jī)節(jié)能率
空壓機(jī)遠(yuǎn)程聯(lián)控，空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控，空壓機(jī)監(jiān)控，空壓機(jī)聯(lián)控，空壓機(jī)聯(lián)網(wǎng)，禾必斯特壓縮機(jī)，冷卻器堵塞，冷卻器清洗，空壓機(jī)故障，空壓機(jī)漏氣，空壓機(jī)停機(jī)，空壓機(jī)不打氣，空壓機(jī)高溫，空壓機(jī)抱死，主機(jī)抱死，空壓機(jī)結(jié)焦，電動(dòng)機(jī)額外發(fā)熱，電動(dòng)機(jī)效率降低，輸出功率減小，過濾器堵塞，空壓機(jī)溫控閥，空壓機(jī)顯示屏不顯示，空壓機(jī)不加載，但凡您有空壓機(jī)方面的問題，可以隨時(shí)咨詢。我們將不遺余力為空壓機(jī)用戶提供我們最真誠(chéng)最專業(yè)的服務(wù)！免費(fèi)咨詢電話：13661530297 13918092362 13661552078 13916285293 021-64130070

3、結(jié)論

目前我國(guó)的工礦企業(yè)運(yùn)行著大量的單級(jí)噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)，這類空壓機(jī)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率和功率因素低，大部分采用的是自動(dòng)加卸載控制方式，從而造成大量電能的浪費(fèi)。這類空壓機(jī)的供氣方式為波動(dòng)供氣，給用戶供氣造成不穩(wěn)定，用氣企業(yè)為了減少壓力的波動(dòng)從而增加了大量額外的儲(chǔ)氣罐，增加了設(shè)備和資金的投入。

而永磁變頻兩級(jí)螺桿空壓機(jī)可以完全替代單級(jí)噴油螺桿式空壓機(jī)，經(jīng)過多臺(tái)空壓機(jī)的測(cè)試分析，采用永磁變頻兩級(jí)螺桿空壓機(jī)而進(jìn)行的空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造，節(jié)能量可達(dá)20%~40%之間，空壓機(jī)用電量從改造前占全公司用電量的9.8%，到改造后下降至占全公司用電量的8.0%左右，節(jié)能效果相當(dāng)明顯。

因此，采用雙永磁變頻兩級(jí)螺桿空壓機(jī)進(jìn)行空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造是一項(xiàng)非常有前景的技術(shù)改造。

參考文獻(xiàn)：
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