空壓機是工廠里重要的機器設備之一，空壓機供氣領域能否應用變頻調速技術，在節(jié)省電能的同時改善空壓機性能，提高供氣品質，降低生產設備故障率，延長設備的使用壽命備受社會各界關注。為了節(jié)約能源，對企業(yè)原有的空壓站進行節(jié)能減排技術改造，非常有必要。

    一、空壓機工作原理

    壓縮機是一種將氣體壓縮從而提高氣體壓力或輸送氣體的機器，螺桿式空壓機的工作原理包含四個過程：1）吸氣過程； 2）封閉及輸送過程；3）壓縮及噴油過程；4）排氣過程

    空氣壓縮機在出廠時配套的排氣壓力調節(jié)裝置，多數(shù)為關閉進氣管式壓力調節(jié)器。其工作原理是當儲氣罐（風包）內空氣壓力超過設定的壓力時，壓縮機進氣管上碟閥自動關閉，壓縮機進入空轉卸荷狀態(tài)；當儲氣罐內的空氣壓力低于設定壓力時，壓縮機進氣管碟閥自動開啟，壓縮機又進入到滿載工作狀態(tài)?？諝鈮嚎s機的排氣量和壓力，在運轉中也不是不變的，常因工況變化導致用氣量變化，所以空氣壓縮機工作時總是在重復滿載-卸荷工作方式。滿載時的工作電流接近電動機的額定電流，卸荷時的空轉電流約為30-50%電動機額定電流，這部分電流不是做有用功，而是機械在額定轉速下的空轉損耗。

    這種機械式調節(jié)裝置雖然也能起到壓力調節(jié)作用，但是壓力調節(jié)精度低，壓力波動大。壓縮機總是在額定轉速下工作，機械磨損大，電耗高?？諌簷C自身存在著以下幾個缺點：

    （1） 當輸出壓力大于一定值時，自動打開泄載閥，使異步電動機空轉，嚴重浪費能源；

    （2） 異步電動機易頻繁的啟動、停止，影響電機的使用壽命；

    （3） 工作條件惡劣，噪音大；

    （4） 自動化程度低，輸出壓力的調節(jié)是靠人為調節(jié)閥的開度來實現(xiàn)的，調節(jié)速度慢，波動大，不穩(wěn)定，精度低；

    （5） 空壓機工頻啟動電流大，對電網(wǎng)沖擊大，電機軸承磨損大，設備維護量大。針對以上存在的問題，采用變頻器對空壓機進行調節(jié)，實現(xiàn)空壓機恒壓運行勢在必行。

    二、公司螺桿式空壓機現(xiàn)狀

    2.1 空壓站分布情況

    空壓站主要工作是供應全廠壓縮空氣生產用氣。班組生產運作為常年二二制運行。班組有兩個站房輪流使用，每個站房各由三臺40立方螺桿式壓縮機和一臺20立方螺桿式壓縮機組成。

    2.2 空壓站現(xiàn)狀

    據(jù)調研，目前是工廠的生產淡季，空壓站運轉情況如下：

    3#空壓站配有壓力監(jiān)控設備，實時監(jiān)控廠里用氣情況，空壓站必須保證廠內管網(wǎng)的壓力。兩個空壓站的輪換使用周期為一年，2017年3月至2018年3月使用的是3站，2018年3月開始使用的是2站，如果遇到故障、檢修等情況會暫時使用另一個站點。

    高壓站2、3、4號機，共有3臺高壓螺桿式空氣壓縮機，由于空氣壓縮機的拖動電機本身不能調速，因此就不能直接使用壓力或流量的變動來實現(xiàn)降速調節(jié)輸出功率的匹配，導致在用氣量少的時候電機仍然要空載運行，電能浪費巨大。

    2.3 壓縮機出口點壓力控制

    目前，壓縮機的出口點壓力控制是操作員根據(jù)工作經(jīng)驗，手動控制壓縮機的開啟和關閉，來滿足廠內用氣需要。現(xiàn)在，一般設定壓縮機出口壓力不超過0.78MPa,正常運行保持在0.76MPa左右。2#站的設備帶有自動卸載功能，壓力到了警戒值會自動放氣減壓，到達0.71MPa會再次加載，這之間有0.05MPa的壓差。3#站的設備的減壓方式是采用自動減小進氣口，來減小出口壓力。另外，高峰用能時間段，設備保持在加載狀態(tài)，夜班時段，設備加減載頻繁。

    若能采用自動控制和變頻調速技術，將四臺空壓機實行自動控制，可以實現(xiàn)互為熱備自動運行，穩(wěn)定輸出生產要求所需的穩(wěn)定氣壓，減少機械維修工作量，延長空壓機的使用壽命。另外，當流量需要量減少時，就可降低電動機的轉速，從而較大幅度減小電動機的運行功率，也可以實現(xiàn)節(jié)能的目的。

    三、變頻改造的嘗試

    3.1 空氣壓縮機變頻節(jié)能原理

    經(jīng)常卸載和加載導致整個氣網(wǎng)壓力經(jīng)常變化，不能保持恒定的工作壓力延長壓縮機的使用壽命?？諌簷C的有些調節(jié)方式（如調節(jié)閥門或調節(jié)卸載等方式）即使在需要流量較小的情況下，由于電機轉速不變，電機功率下降幅度比較小。根據(jù)空氣壓縮理論，壓縮機的軸功率、排氣量和軸轉速符合下列公式：

    N=Mr×n/9553（kW）      （1-1）

    Vd1=K×Vh1×n2（m3/min）  （1-2）

    式中：

    N-壓縮機的軸功率（kW）

    Mr-壓縮機輸入的平均軸轉矩（N.m）

    n-壓縮機的軸轉速（r/min）

    Vd1-在n2轉速下的排氣量（m3/min）

    K-與汽缸容積、壓力、溫度和泄漏有關的系數(shù)

    Vh1-一級缸容積（m3 ）

    n2-調節(jié)后的壓縮機轉速（r/min）

    根據(jù)上述理論分析，在空氣壓縮機的汽缸容積不能改變的條件下，只有調節(jié)壓縮機的轉速才能改變排氣量；空氣壓縮機是恒轉矩負載，壓縮機軸功率與轉速呈正比變化。在壓縮機總排氣量大于總用氣量時，通過降低壓縮機轉速調節(jié)供風壓力，是達到壓縮機經(jīng)濟運行的有效方法。

    3.2 可行性分析

    3.2.1 編制依據(jù)

    節(jié)能減排改造項目工程總投資預算123.4萬元，概況如表3.

    3.2.2 預計節(jié)能情況

    設備用電情況，其中包括空壓站3年的用電用能情況。根據(jù)企業(yè)內部成本核算，電費單價為0.8元/kWh.希望能計算出，節(jié)能改造后每月的節(jié)能量和節(jié)能費用，以便計算投資回收期。

    依據(jù)前面分析，空壓站3年平均電費2489992.3 元，改造后保守預計年節(jié)約電費21萬元。

    3.2.3 投資收益分析

    （1）節(jié)能改造靜態(tài)投資回收期=91.28/21=4.3年；

    （2）工程總投資靜態(tài)投資回收期=123.4/21=5.8年。

    備注：

    以上預算是估計值，在改造中會根據(jù)實際情況有變化。

    節(jié)能中心的場地需要上電公司提供。

    節(jié)能中心的裝修預算將根據(jù)場地的情況再做計劃，費用另計。

    3.2.4 投資和收益分享

    3.2.4.1 項目投資

    節(jié)能減排改造項目擬采用合同能源管理模式的節(jié)能效益分享型實施，該項目投資資金甲乙雙方承擔如表4:

    3.2.4.2 合同期收益

    計劃合同期為八年，在此期間內雙方各自分享項目年節(jié)電效益，乙方通過部分分享項目的年節(jié)電效益來回收該項目的投資及合理利潤。同時，由于乙方承擔額外的能源檢測中心建設費用，乙方分享的節(jié)能效益比例合同期內較高，如表5.

    四、改造方案實施

    空壓機采用變頻調速技術進行恒壓供氣控制時，系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

    變頻器將管網(wǎng)壓力作為控制對象，裝在儲氣管出氣口的壓力變送器將儲氣罐的壓力轉變?yōu)?-20mA電信號送到變頻器內部，與壓力給定值進行比較，并根據(jù)差值的大小進行運算，產生控制信號去控制變頻器的運行頻率，從而調整電動機的轉速。那么空壓機輸出相應的壓縮空氣至儲氣罐，使之壓力變化，直到管網(wǎng)壓力與給定壓力值相同，從而使實際壓力始終維持在給定壓力。整個控制過程如下：用氣需求↑—管路氣壓↓—壓力設定值與返饋值的差值↑—變頻器輸出頻率↑—空壓機電機轉速↑—供氣流量↑—管路氣壓趨于穩(wěn)定。

    所以，保持管道中的氣壓恒定，就可保證該處供氣能力恰好滿足用氣需求，這就是恒壓供氣系統(tǒng)所要達到的目的。

    五、空壓機變頻改造總結的分析

    經(jīng)過改造后，空壓機電機從靜止到旋轉工作可由變頻器來啟動，實現(xiàn)了軟啟動，避免了啟動沖擊電流和啟動給空壓機帶來的機械沖擊，從而達到空壓機省電、節(jié)能、環(huán)保、減排、降低磨損、延長壽命、安全可靠的目的。

    4.1 節(jié)約能源

    變頻器控制壓縮機與傳統(tǒng)控制的壓縮機比較，能源節(jié)約是有實際意義的，根據(jù)空氣量需求來供給的壓縮機工況是經(jīng)濟的運行狀態(tài)。

    4.2 運行成本降低

    傳統(tǒng)壓縮機的運行成本由三項組成：初始采購成本、維護成本和能源成本。其中能源成本和維護成本占壓縮機運行成本的主要部分。通過能源成本降低，再加上變頻起動后對設備的沖擊減少，維護和維修量也跟隨降低，所以運行成本將大大降低。

    4.3 輸出壓力穩(wěn)定

    變頻控制系統(tǒng)具有精確的壓力控制能力，使空壓機的空氣壓力輸出與用戶空氣系統(tǒng)所需的氣量相匹配。變頻控制空壓機的輸出氣量隨著電機轉速的改變而改變。由于變頻控制電機速度的精度提高，所以它可以使管網(wǎng)的系統(tǒng)壓力變化保持在穩(wěn)定的變化范圍，有效地提高了工況的質量。

    4.4 延長空壓機的使用壽命

    變頻器從0Hz起動空壓機，它的起動加速時間可以調整，從而減少起動時對壓縮機的電器部件和機械部件所造成的沖擊，增強系統(tǒng)的可靠性，使壓縮機的使用壽命延長。此外，變頻控制能夠減少機組起動時電流波動，這一波動電流會影響電網(wǎng)和其它設備的用電，變頻器能夠有效的將起動電流的峰值減少到低程度。

    4.5、降低了空壓機的噪音

    根據(jù)壓縮機的工況要求，變頻調速改造后，電機運轉速度明顯減慢，因此有效地降低了空壓機運行時的噪音。