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螺杆式空压机变频节能改造方案设计研究

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第10期作者：蒋敏

[导读] 摘要：文章对螺杆式空压机的运行原理进行了简要阐述，并从螺杆转速、运行温度、结构缺陷三个角度入手，分析了螺杆式空压机能耗问题的主要来源；结合构建调整、频率变化以及余热回收三个部分，研究了螺杆式空压机变频节能改造的技术原理；围绕变频改造与余热节能两个方面，提出了螺杆式空压机变频节能改造方案的设计思路。

        上海东方威尔节能技术有限公司
        摘要：文章对螺杆式空压机的运行原理进行了简要阐述，并从螺杆转速、运行温度、结构缺陷三个角度入手，分析了螺杆式空压机能耗问题的主要来源；结合构建调整、频率变化以及余热回收三个部分，研究了螺杆式空压机变频节能改造的技术原理；围绕变频改造与余热节能两个方面，提出了螺杆式空压机变频节能改造方案的设计思路。
        关键词：螺杆式空压机；螺杆转子；电能资源
        引言：螺杆式压缩机作为重要的工业产气设备，具有运行稳定、可靠性强、适应性好等特点，现已在煤矿生产、机械制造、冶金炼钢等多种企业的生产实践中达到了良好应用效果。现阶段随着我国“十三五”节能减排方案的提出，各企业纷纷投入到了绿色低碳、经济节能的变革发展中，进而形成了更新的设备需求。据此，我们有必要对螺杆式空压机的变频节能改造方案设计进行探究讨论。
        1 螺杆式空压机的运行原理
        螺杆式空压机是一种带有回转机构的空气压缩设备，其主要基于气缸内螺旋式杆件的回转作用，实现气体的压缩与传递。现阶段，螺杆式空压机广泛应用于煤矿、石油、建筑、机械制造等多个工业领域，其运行原理如下：
        空气在进入螺杆式空压机的工作环境后，首先会通过空气过滤装置，进行绝大部分杂质的滤除，达到净化空气的目的。其后，干净气体传递至空压机的压缩气缸内，在螺旋式杆件的回转运行下实现充分压缩。在此过程中，气体还会与冷却润滑油相混合，形成油气混合物。压缩处理完成后，油气混合物会依次经过油分桶、油分芯两个处理环节，完成气体与油液的一次、二次分离。最后，得到含油量较低的压缩气体，并投入工业生产或存入储气罐中[1]。
        螺杆式空压机的螺旋式杆件由一对相互啮合的阴阳转子构成，其在回转的过程中，螺杆转子的齿间容积程周期变化，进而对齿槽内气体形成周期变化的压缩力，促使气体的压力、温度逐渐上升。所以，在压缩处理后，所产生的油气混合物会呈现出高温高压的状态。此外，在油分桶与油分芯的功能支持下，油气混合物中的大量油液会被分离出来。基于此，当压缩气体从螺杆式空压机的出气口输出时，冷却润滑油并不会同步进入输气管网，而是经过空压机内部的冷却处理后返回油路，进行下一次的空气压缩循环。
        2 螺杆式空压机的能耗来源
        现阶段，螺杆式空压机在工业单位尤其是煤矿企业的生产实践中，多处于常年运行的状态，并表现出了大功率、高能耗的工作特点。但据有关研究显示，螺杆式空压机能源需求与其产出效益间的转化关系并不理想，实际运行效率通常在50％到70％的区间内，能耗问题亟待解决。从目前来看，螺杆式空压机的能耗问题主要源于以下几个方面：
        首先，螺杆式空压机气缸内螺旋式杆件的回转速度多为恒定，其运行过程中的能源消耗也相对固定。但在工业生产中，进气与用气的频率和量级存在较大波动性，对螺杆式杆件回转速度、压缩能力的需求也就不尽相同。此时，便会形成螺杆式空压机恒速运行与背景因素不断变化的矛盾。一方面，若单位时间内空气的进入量较大，或工业生产的气体需求量较大，螺杆式空压机将持续处于高负荷的运行状态中，进而导致螺杆磨损、局部过热、构件老化等问题，严重削弱螺杆式空压机的使用寿命。久而久之，螺杆式空压机的性能逐渐下降，其消耗能源的价值转化率势必有所下滑；另一方面，若单位时间内空气的进入量、需求量较小，或工业生产的用气需求发生间断，螺杆式空压机将持续处于低负荷甚至空转的运行状态当中，进而形成大量的能源浪费[2]。
        其次，温度也是影响螺杆式空压机运行效率的重要因素之一。一般情况下，螺杆式空压机的温度每提高1℃，其压缩气体的产出量会减少0.5％。同时，据西方某权威机构调查显示，在螺杆式空压机的实际运行工程中，仅有20％左右的电能转可化为空气势能，其他约80％的电能则会转化成热能，并被排放到外部大气环境中。对此，若不及时采取有效的热量循环利用手段，不仅会造成电能资源的大量浪费，还会加重工业生产的污染问题，与煤矿、石油等行业企业绿色化、低碳化的发展目标相偏离。
        最后，若螺杆式空压机本身在结构设计上存在缺陷，其运行效率也会受到影响，进而出现高能耗、低价值的负面问题。例如，在设计螺旋式杆件的阴阳转子时，若转子的尺寸规格、齿间距离等控制不当，一方面可能导致螺杆转子的啮合结构过松或过紧，使得摩擦阻力过大或过小，造成螺杆式空压机的能耗增加、效率降低等情况。另一方面，也可能导致螺杆式空压机的内部结构受力不均，进而削弱螺杆式空压机的运行效果与使用寿命。
        3 螺杆式空压机的变频节能改造原理
        基于螺杆式空压机的运行原理与能耗来源，可从“查漏补缺”与“优化升级”两个方面入手，对螺杆式空压机进行变频节能改造设计。所谓“查漏补缺”，即对螺杆式空压机现有的结构功能缺陷进行弥补完善，以确保设备运行效率达到标准水平；所谓“优化升级”，即在保证螺杆式空压机高效、稳定运行的基础上，进行运行机制、系统模块的改进或添加，以此提高螺杆式空压机工作方式与使用背景的匹配程度，并在一定程度上实现能源的循环利用。具体来讲，螺杆式空压机的变频节能改造原理如下：
        3.1 通过构件调整实现能源节约
        螺杆式空压机的固有设计缺陷会对其能耗量构成一定影响，因此在节能改造方案的设计中，应将不合理构件的纠偏调整作为基础。空压机在发生异常的能耗情况后，相关人员需要及时对螺杆式空压机的螺杆转子、电机功率等方面进行分析，并据此度螺旋式杆件阴阳转子啮合结构、供电机组用电回路等进行标准化调整。
        3.2 通过频率变化实现能源节约
        螺杆式空压机的传统运行模式为恒速运转，与间断、变化的工业生产需求难以匹配。因此，将螺杆式空压机由恒频改造为变频，可达到良好的能源节约效果。现阶段，可采用的变频改造方式有三种：
        第一，停转调节。应用停转调节变频技术，就是对螺杆式空压机设置出一定的压力限值。当螺杆式空压机的内部压力达到预设值时，空压机会自动进入停机状态。当螺杆式空压机的内部压力过小，难以满足进入空气的压缩需求时，空压机会自动进行重启，驱动螺旋式杆件进行压力提升。通过这种方式，可有效避免设备能耗大于气体压缩需求的情况，进而达到良好的电能资源节约效果。但在频繁的停机、重启中，与螺杆式空压机相连的供电网络会受到一定冲击，且会削弱电机组的使用寿命。所以，这一方法只可应用于小功率空压机设备的节能改造设计。

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        第二，进气调节。进气调节变频技术主要针对有进气量变化引发的空压机能耗问题。在技术应用中，可在螺杆式空压机的进气端设置出溢流阀，对来自上方管路的空气流速、流量进行控制，以此实现螺杆式空压机运行负荷的调整。这一方法的设计结构相对简单，但节能水平也相对较低，适用于压力等级较低的螺杆式空压机的节能改造设计。
        第三，调速控制。调速控制变频技术是工业信息化发展的产物，其主要通过控制电机的功能水平，实现螺杆式空压机气缸内螺旋式杆件的转速调整，从而实现设备能耗与生产需求的动态匹配。基于（n为螺杆式空压机交流异步电机转速与电源频率的相互关系，f为电源频率，s为电动机转差率，p为电动机的绕组极对数）这一公式原理，通过改变电源的供能频率，即可实现对电机的调整控制。而基于（Qf为螺杆式空压机的变频排气量，Qn为螺杆式空压机的恒频排气量，nf为螺杆式空压机的变频转速，ne为螺杆式空压机的恒频转速）这一公式原理，通过改变电机的运转频率，既可实现对空压机排气量的调整控制。将这一方法用于螺杆式空压机的变频节能改造设计，主要应做好电源频率的自动化、实际化控制，引入信息化的微机控制单元，可有效解决这一需求问题。
        3.3 通过余热回收实现能源节约
        在螺杆式空压机的运行过程中，绝大多数电能会转化为热能，并最终流失于外部大气环境中，形成严重的能源浪费问题。所以，在变频改造的基础上引入余热回收机制，可达到更好的螺杆式空压机工作效果，为煤矿、石油等企业的经济效益、社会效益、环保效益提供发展助力。从原理上讲，通过余热回收实现螺杆式空压机的能源节约，就是对空压机高温高压油气混合物的处理方式进行改造设计，将高温高压润滑油的热量传递到常温水中，在实现润滑油冷却循环的同时，避免热能资源的消散流失。同时，在引入余热回收机制后，螺杆式空压机的运行温度将得到显著降低，从而响应“温度每提高1℃，压缩气体产出量将减少0.5％”这一规律特点，促进空压机运行效率的提升，并延长设备整体的使用寿命。结合行业经验来看，通过余热回收改造，可实现80％热能资源的回收利用，具有高度的节能价值[3]。
        4 螺杆式空压机的变频节能改造方案
        螺杆式空压机的变频节能改造可从构件调整、频率变化以及余热回收三个原理方面进行。由于螺杆式空压机固有设计偏误具有多样性热点，且在工业生产中出现几率较低，所以本文主要从频率变化、余热回收两个角度出发，对螺杆空压机的变频节能改造思路进行探究。具体来讲：
        4.1 变频改造的方案设计思路
        为了达到最灵活的变频控制效果，同时也为了促进相关行业企业的信息化、现代化发展，选用调速控制的技术方法对螺杆式空压机进行变频改造。在方案设计中，主要以配备有PID控制模块的变频器装置作为核心，对螺杆式空压机的电源供能频率、电机运行频率以及排气量进行动态调整。在设备系统中，变频器装置主要安装在供电电源与空压机电动机之间。变频器的一端接口与供电电源相连，用于恒频电能的接收；另一端接口与空压机电动机相连，用于变频电能的输出。同时，PID控制模块还会通过压力变送器的功能支持，对储气罐的压力状态进行动态监测，以此为变频器提供出具体的变频参数[4]。
        在此设计思路的应用背景下，当储气罐的压力状态发生变化时，压力变送器会自动采集压力数据，测定出目前工业生产的用气量需求。其后，压力变送器将信息传输至PID控制模块处，PID模块通过比对设备系统的预设压力值，运算出相应的压力差，从而驱动变频器将电源电流转化为频率、电压适宜的交流电，从而实现电机频率、螺杆转速、压缩空气排出量的一体化调整。这样一来，若储气罐充盈，用气量需求较小，螺杆式空压机将处于低负荷运转的状态当中，其耗电量也相对较低；若储气罐压力不足，用气量需求较大，螺杆式空压机的供电频率、运行转速也将同步提升，从而保证压缩空气的稳定、充足供给。
        在变频改造的方案设计中，还应注意以下几点问题：
        （1）为了避免螺杆式空压机在变频改造后出现跳闸故障，在选择变频器装置时，应保证变频器功率大于空压机功率；（2）若空压机长期、连续处在过低的运行频率（小于28Hz），将会导致螺旋式杆件的润滑机能下降，进而埋下杆件烧毁的风险。所以，在变频改造的同时，还应保留空压机的工频运行机制及其三角电路，以实现特殊情况下变频与工频的切换，保障螺杆式空压机的设备寿命与使用安全；（3）在安装变频器的改造基础上，还可搭载适合的电容滤波器和交流电抗器。通过这样的方式，可有效实现电流电压转换过程中高次谐波的滤除，从而降低电磁干扰对变频器的影响，还可达到降低空压机电机运行噪音的效果；（4）在应用变频改造降低螺杆式空压机运行温度的同时，还需要考虑到冷却润滑油温度对油气分离效果的影响。若润滑油温度过低，将导致排气过程中大量油液进入到储气罐中，降低储气罐的空气容量与长寿性。所以，还需对空压机内部冷却扇的运行进行合理控制，保证冷却润滑油温度维持在70℃到95℃的区间内。
        4.2 余热节能的方案设计思路
        在余热回收的方案设计中，主要在螺杆式空压机油气分离结构与油冷却器、气冷却器之间增加油热回收、气热回收的换热器装置，并经由自来水泵，将换热器与循环水箱、保温水箱相连通。基于此，在螺杆式空压机的油气分离环节中，高温高压气体、油液中的热量可被大量传递至常温水中，从而达到利用余热提升水温的效果。这样一来，电能在转化为热能后，可用于满足企业、人员在生产生活中的高温用水需求，从而提高能源的利用价值，达到理想的节能目的。此外，在余热节能的改造背景下，螺杆式空压机向外部大气环境排放的热量将显著降低，对煤矿、石油等企业的绿色低碳发展大有裨益[5]。
        结论：总而言之，螺杆式空压机的能耗诱因具有多样性，且具有较大的优化改造空间。所以，相关人员在设计实践中，既要致力于降低设备运行的能源消耗，实现设备工况与用气需求的动态匹配，也要做好电热能源的循环利用，降低能源的浪费水平。
        参考文献：
        [1]刘国亮，高强，丁红岩.螺杆式空压机节能改造方案探讨[J].山东化工，2020，49（03）：87-88.
        [2]刘玉勇，王宇川，鲍洋洋.喷油螺杆空气压缩机节能技术应用[J].通用机械，2019（10）：20-22.
        [3]邵振栋.螺杆式空压机余热利用研究[J].上海节能，2019（05）：393-399.
        [4]武月枝.煤矿螺杆式空压机常见故障分析及应对措施[J].现代矿业，2019，35（04）：161-162+186.
        [5]王国涛.螺杆空压机余热回收及节能分析[J].节能，2019，38（04）：60-62.