螺杆空压机节能改造应用案例

空压机是工厂里最重要的机器设备之一，空压机供气领域能否应用变频调速技术，在节省电能的同时改善空压机性能，提高供气品质，降低生产设备故障率，延长设备的使用寿命备受社会各界关注。为了节约能源，对企业原有的空压站进行节能减排技术改造，非常有必要。

压缩机是一种将气体压缩从而提高气体压力或输送气体的机器，螺杆式空压机的工作原理包含四个过程：1）吸气过程； 2）封闭及输送过程；3）压缩及喷油过程；4）排气过程
 

空气压缩机在出厂时配套的排气压力调节装置，多数为关闭进气管式压力调节器。其工作原理是当储气罐（风包）内空气压力超过设定的压力时，压缩机进气管上碟阀自动关闭，压缩机进入空转卸荷状态；当储气罐内的空气压力低于设定压力时，压缩机进气管碟阀自动开启，压缩机又进入到满载工作状态。空气压缩机的排气量和压力，在运转中也不是不变的，常因工况变化导致用气量变化，所以空气压缩机工作时总是在重复满载－卸荷工作方式。满载时的工作电流接近电动机的额定电流，卸荷时的空转电流约为30-50%电动机额定电流，这部分电流不是做有用功，而是机械在额定转速下的空转损耗。

这种机械式调节装置虽然也能起到压力调节作用，但是压力调节精度低，压力波动大。压缩机总是在额定转速下工作，机械磨损大，电耗高。空压机自身存在着以下几个缺点: 

(1) 当输出压力大于一定值时，自动打开泄载阀，使异步电动机空转，严重浪费能源;

 (2) 异步电动机易频繁的启动、停止，影响电机的使用寿命; 

(3) 工作条件恶劣，噪音大; 

(4) 自动化程度低，输出压力的调节是靠人为调节阀的开度来实现的，调节速度慢，波动大，不稳定，精度低;

 (5) 空压机工频启动电流大，对电网冲击大，电机轴承磨损大，设备维护量大。针对以上存在的问题，采用变频器对空压机进行调节，实现空压机恒压运行势在必行。

2.1 空压站分布情况

空压站主要工作是供应全厂压缩空气生产用气。班组生产运作为常年二二制运行。班组有两个站房轮流使用，每个站房各由三台40立方螺杆式压缩机和一台20立方螺杆式压缩机组成。

2.2 空压站现状

据调研，目前是工厂的生产淡季，空压站运转情况如下：
 

3#空压站配有压力监控设备，实时监控厂里用气情况，空压站必须保证厂内管网的压力。两个空压站的轮换使用周期为一年，2017年3月至2018年3月使用的是3站，2018年3月开始使用的是2站，如果遇到故障、检修等情况会暂时使用另一个站点。

高压站2、3、4号机，共有3台高压螺杆式空气压缩机，由于空气压缩机的拖动电机本身不能调速，因此就不能直接使用压力或流量的变动来实现降速调节输出功率的匹配，导致在用气量少的时候电机仍然要空载运行，电能浪费巨大。

2.3 压缩机出口点压力控制

目前，压缩机的出口点压力控制是操作员根据工作经验，手动控制压缩机的开启和关闭，来满足厂内用气需要。现在，一般设定压缩机出口压力不超过0.78MPa，正常运行保持在0.76MPa左右。2#站的设备带有自动卸载功能，压力到了警戒值会自动放气减压，到达0.71MPa会再次加载，这之间有0.05MPa的压差。3#站的设备的减压方式是采用自动减小进气口，来减小出口压力。另外，高峰用能时间段，设备保持在加载状态，夜班时段，设备加减载频繁。

若能采用自动控制和变频调速技术，将四台空压机实行自动控制，可以实现互为热备自动运行，稳定输出生产要求所需的稳定气压，减少机械维修工作量，延长空压机的使用寿命。另外，当流量需要量减少时，就可降低电动机的转速，从而较大幅度减小电动机的运行功率，也可以实现节能的目的。

3.1 空气压缩机变频节能原理

经常卸载和加载导致整个气网压力经常变化，不能保持恒定的工作压力延长压缩机的使用寿命。空压机的有些调节方式（如调节阀门或调节卸载等方式）即使在需要流量较小的情况下，由于电机转速不变，电机功率下降幅度比较小。根据空气压缩理论，压缩机的轴功率、排气量和轴转速符合下列公式：

N=Mr×n/9553（kW）      （1-1）

Vd1=K×Vh1×n2（m3/min）  （1-2）

式中：

N－压缩机的轴功率（kW）

Mr－压缩机输入的平均轴转矩（N.m）

n－压缩机的轴转速（r/min）

Vd1－在n2转速下的排气量（m3/min）

K－与汽缸容积、压力、温度和泄漏有关的系数

Vh1－一级缸容积（m3 ）

n2－调节后的压缩机转速（r/min）

根据上述理论分析，在空气压缩机的汽缸容积不能改变的条件下，只有调节压缩机的转速才能改变排气量；空气压缩机是恒转矩负载，压缩机轴功率与转速呈正比变化。在压缩机总排气量大于总用气量时，通过降低压缩机转速调节供风压力，是达到压缩机经济运行的有效方法。
 

3.2 可行性分析

3.2.1 编制依据

节能减排改造项目工程总投资预算123.4万元，概况如表3。

3.2.2 预计节能情况

设备用电情况，其中包括空压站3年的用电用能情况。根据企业内部成本核算，电费单价为0.8元/kWh。希望能计算出，节能改造后每月的节能量和节能费用，以便计算投资回收期。
 

依据前面分析，空压站3年平均电费2489992.3 元，改造后保守预计年节约电费21万元。

3.2.3 投资收益分析

（1）节能改造静态投资回收期=91.28/21=4.3年；

（2）工程总投资静态投资回收期=123.4/21=5.8年。

备注：

以上预算是估计值，在改造中会根据实际情况有变化。

节能中心的场地需要上电公司提供。

节能中心的装修预算将根据场地的情况再做计划，费用另计。

3.2.4 投资和收益分享

3.2.4.1 项目投资

节能减排改造项目拟采用合同能源管理模式的节能效益分享型实施，该项目投资资金甲乙双方承担如表4：
 

3.2.4.2 合同期收益

计划合同期为八年，在此期间内双方各自分享项目年节电效益，乙方通过部分分享项目的年节电效益来回收该项目的投资及合理利润。同时，由于乙方承担额外的能源检测中心建设费用，乙方分享的节能效益比例合同期内较高，如表5。

空压机采用变频调速技术进行恒压供气控制时，系统原理框图如图2所示。
 

变频器将管网压力作为控制对象，装在储气管出气口的压力变送器将储气罐的压力转变为4-20mA电信号送到变频器内部，与压力给定值进行比较，并根据差值的大小进行运算，产生控制信号去控制变频器的运行频率，从而调整电动机的转速。那么空压机输出相应的压缩空气至储气罐，使之压力变化，直到管网压力与给定压力值相同，从而使实际压力始终维持在给定压力。整个控制过程如下：用气需求↑—管路气压↓—压力设定值与返馈值的差值↑—变频器输出频率↑—空压机电机转速↑—供气流量↑—管路气压趋于稳定。

所以，保持管道中的气压恒定，就可保证该处供气能力恰好满足用气需求，这就是恒压供气系统所要达到的目的。

经过改造后，空压机电机从静止到旋转工作可由变频器来启动，实现了软启动，避免了启动冲击电流和启动给空压机带来的机械冲击，从而达到空压机省电、节能、环保、减排、降低磨损、延长寿命、安全可靠的目的。

4.1 节约能源

变频器控制压缩机与传统控制的压缩机比较，能源节约是最有实际意义的，根据空气量需求来供给的压缩机工况是经济的运行状态。

4.2 运行成本降低

传统压缩机的运行成本由三项组成：初始采购成本、维护成本和能源成本。其中能源成本和维护成本占压缩机运行成本的主要部分。通过能源成本降低，再加上变频起动后对设备的冲击减少，维护和维修量也跟随降低，所以运行成本将大大降低。

4.3 输出压力稳定

变频控制系统具有精确的压力控制能力，使空压机的空气压力输出与用户空气系统所需的气量相匹配。变频控制空压机的输出气量随着电机转速的改变而改变。由于变频控制电机速度的精度提高，所以它可以使管网的系统压力变化保持在稳定的变化范围，有效地提高了工况的质量。

4.4 延长空压机的使用寿命

变频器从0Hz起动空压机，它的起动加速时间可以调整，从而减少起动时对压缩机的电器部件和机械部件所造成的冲击，增强系统的可靠性，使压缩机的使用寿命延长。此外，变频控制能够减少机组起动时电流波动，这一波动电流会影响电网和其它设备的用电，变频器能够有效的将起动电流的峰值减少到最低程度。

4.5、降低了空压机的噪音

根据压缩机的工况要求，变频调速改造后，电机运转速度明显减慢，因此有效地降低了空压机运行时的噪音。