空压机变频节能技术分析

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摘要：目前，空压机节能改造方面多采用变频调速技术手段，通过生产实践具有良好的节能效果，有效降低了空压机能耗，提高了运行效率；同时变频调速的应用也实现了空压机的软启动和恒压供气，延长了设备寿命，保障了正常生产。本文结合生产实践，对空压机变频节能技术的基本原理和实际应用进行了探讨。

关键词：空压机；压缩空气；变频器；节能

空压机是一种气体压缩设备，以气体压力作为动力源，具有供压稳定、压强大、可控性好的优点，在钢铁厂炼钢、连铸、高炉喷煤等生产环节都有着十分广泛的应用，是生产必不可少的动力设备。绝大多数气动元件都是以空压机作为气源来维持运转，因此运行情况与企业生产密切相关。同时，空压机也是工业生产中主要的能耗设备，用能耗约可占整个钢铁企业能耗的15％以上；但由于控制和运行方式不当等原因，连续工频运行下空压机的电能消耗也是十分严重的，浪费率最高可达到40%，节能空间巨大。在当前钢铁企业节能增效的要求下，作为企业能耗大户，空压机的节能改造问题也成为企业技术公关的重点。目前，空压机节能改造方面多采用变频调速技术手段，通过生产实践具有良好的节能效果，有效降低了空压机能耗，提高了运行效率；同时，变频调速的应用也实现了空压机的软启动和恒压供气，延长了设备寿命，保障了正常生产。本文结合生产实践，对空压机变频节能技术的基本原理和实际应用进行了探讨。

一、钢铁厂空压机系统基本概况

1.空压机运行的基本原理。空压机是通过对气体的机械压缩，改变气体分子密度，使之具有压力能的一种设备。从基本工作原理和能量转换的角度来看，空压机实质是一种能量转换设备，它利用了空气的可压缩性，把机械运动的动能转化为气体压力能，然后通过气体压力能再推动其他设备运行做功。根据对气体压缩方式的不同，空压机可分为容积式压缩机和透平式压缩机两类。容积式压缩机是在严格密闭条件下，对气体进行机械压缩，通过减少容积和增大气体密度来达到增大气体压力的目的；透平式压缩机是通过旋转的叶轮叶片对气体做功，以提高气体动能和增大气体压力。2.钢铁厂空压机系统基本概况。经空压机增压后并具有压力能的空气称之为压缩空气。在钢铁企业中，压缩空气是一种重要的动力源，其应用非常广泛。例如烧结气体输送、高炉喷吹、气刀喷吹、各种气动仪表阀等，都是采用空气压力作为其动力来源。没有压缩空气或者是气体压力不足，许多生产环节将无法生产，被迫停机，由此可见空压机对工业生产的重要性。为保证足够的、不间断的气体压力供应，钢铁企业建立了遍布各个生产环节的复杂的压缩空气系统，因此，空压机系统也是钢铁厂生产过程中电能消耗的重要环节。

二、空压机采用变频调速的必要性

钢铁企业生产对于压缩空气的需求量是非常大的。在系统设计之初，压缩空气系统都是按照生产对压缩空气的最大需求量来决定电机容积的，设计冗余量一般偏大；而且采用工频运行方式，不能按照流量或是压力的变动来调节功率输出。很多时间空压机系统都是处于轻载运行的状态下，存在“大马拉小车”的情况，空压机功耗浪费较大。在实际生产中，由于压缩空气使用量随时处在变化状态，并非恒定，空压机并不经常在额定工况下运行。为了调节用气量变化对压缩空气系统稳定性的影响，储气罐内需保持一定的气体压力：第一种情况是当空压机排气量正好满足生产用气量时，储气罐内压力不变；第二种情况是当排气量小于用气量时，由储气罐作为压力补偿，保证系统压力稳定；第三种情况是当排气量大于用气量时，如果空压机此时仍恒速运转，多余的气体压力则会在储气罐内不断积存。空压机的功耗浪费主要出现在第三种情况下。当储气罐内气体压力达到设定的压力限值时，通常空压机有两种应对措施，一种是空压机空载运行，不产生气体压力，但空载运行下其用电量仍可达到满负荷工况下的30％~60％，而这部分电能消耗则成为无用功而被白白浪费了；另一种是让空压机停止运行，这样虽然避免了空压机的空转浪费，但会带来空压机的频繁启停，工频运行下空压机启动时的瞬间电流可达到额定电流的5~7倍，这无疑会对电网和设备带来较大的冲击，导致空压机和其他电气设备使用寿命降低。为了使空压机适应复杂的工况，在满足用气量前提下尽量减少空压机的无用功耗，需要空压机能够按照用气量需要及时调整功率。因此，采用变频调速无疑就成为空压机节能降耗的有效办法。当用气量减小时，空压机和电动机可以相应地降低运行功率和转速，从而降低能耗；同时变频调速的可连续调节和软启动功能还能保持温度、压力等参数的稳定，从而保证系统长寿命稳定运行。

三、空压机变频调速节能系统的结构和运行原理

变频调速是一种通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机功率输出的技术，它改变了电机在单一工频模式下不能调节转速和功率的弊端，实现了电动机及其拖动负载的“按需输出”，使电机运行更加高效节能。1.变频调速节能系统的构成。空压机变频调速系统主要由变频器、压力传感器、工频转换柜三部分组成。其中变频器是系统运行的核心，主要作用是改变电机工作电源频率。运行时根据传感器的压力反馈信号，经过恰当的强制变频方法，将输入的工频电转变为幅值和频率都可调节的交流电，然后再输出至交流电机，从而实现交流电机的变速运行；压力传感器主要用于采集气压管网的压力信号，并将采集的信号以模拟信号的方式反馈给变频器；工变频转换柜是变频器的控制系统，通过变频器实现对空压机的自动化变频调速；同时还具有故障报警和状态显示功能，使人们通过转换柜的显示界面即可观察到电机的电流、频率、输出、PID反馈值等实时工况信息。2.变频调速系统的运行原理。变频调速系统以压力作为控制对象，通过对电机转速的变频调节实现对空压机输出压力自动化控制，从而使空压机输出压力与管网用气量变化达到动态化匹配的理想运行状态，降低功耗浪费。变频调速系统运行时首先由PID调节器获取压力传感器反馈的压力信号，并将其与预设的压力给定信号相比较，进行一系列运算后形成综合信号，然后再由PID将处理后的综合信号传输至变频器，由变频器根据反馈信号与给定信号的压力变动量对电动机转速和工作频率进行自动调节，使空压机输出压力与实际需求压力相匹配。现在很多变频器本身就具有PID调节功能，一般不需要再外加PID调节器，系统布局也可以更加简单。

四、钢铁厂空压机变频控制的应用

1.空压机变频改造方案。钢铁厂内的压缩空气用户遍布每一个工段，一般由多个独立的空压站供压，每个空压站采用“一拖二”的布置方式，由一个变频器负责两个或是多个空压机电机的变频控制；在储气罐内加装压力传感器以实时反馈储气罐内的压力，PID调节器负责压力反馈信号的处理与传输。生产时根据用气量需求合理调度空压机的启停，并留有备用机。对空压机进行变频节能改造时，建议保留原有工频系统和“五大保护”；在此基础上，加装工变频互锁切换装置即可，根据生产和检修的需要适时进行工变频的切换。为达到最佳的节能效果，消除高次谐波对电机的影响，根据空压机运行特点建议选择带压力反馈的矢量控制方式的变频器，能够四象限运行；变频器输入端应有抑制电磁干扰的有效措施。2.钢铁厂空压机变频控制的应用。生产实际中，压力的需求量是不断变化的。当储气罐内压力难以满足用气压力时，压力传感器会将储气罐内压力不足的信号传输给PID调节器和变频器，然后由变频器控制电机提高转速和输出功率，加大空压机供气量，从而避免储气罐和系统管路压力不足；而当用气量减少，储气罐压力富足时，压力传感器同样会将该压力信号传输至变频器，由变频器控制电机降低转速和输出功率，从而避免了空压机的功耗的浪费。整个控制过程中，储气罐和系统管路的气压基本处在恒压的状态下，从而在节省电能消耗的同时达到了恒压供气的目的。

五、空压机变频控制的优势

1.节省电能消耗。变频调速最大的优势就是实现了电机输出功率与实际用气量的实时匹配，在保证了空压机正常供压的前提下，避免了低用气量下空压机系统自动排空造成的电能浪费，减少了无功损耗。就实际使用效果来看，节电率可达30％以上，保证了空压机系统的节能高效运行。2.减少设备故障率，延长设备使用寿命。空压机采用变频调速之后，空压机大多时间处在变频工况下运行，功耗降低随之带来的则是机械部件磨损的减少；另一方面，变频调速减少了空压机电机的启停次数，软启动下启动电流对电网及设备的冲击也减少了很多，因而降低了设备的故障率和维修率，在正常维护下电机可比工频运行具有更长的使用寿命。3.实现了恒压供气。系统投入运行后，通过压力传感器和变频器实现了对储气罐压力变化的实时反馈和对负载变化的调节，提高了供气的可靠性和稳定性，确保了压缩空气系统的恒压供气。因而也为生产工艺参数和产品质量的控制提供了保障。4.运行可靠。变频调速使电机可以更好适应电网工况变化，极大减少了因电网压力波动等原因而发生的故障。此外系统的过压、欠压、缺相、过流等保护功能和工变频切换功能更加提高了系统运行的可靠性。

六、结语

综上所述，变频调速系统保证了空压机在生产所需压力下的最低功耗运行，降低了电机不必要的功率输出，在实现了恒压供气的同时节省了空压机电能消耗；另一方面，变频调速的应用也降低了设备的故障率，减少了检修维护的压力，提高了设备使用寿命。变频节能设备改造后，我们对空压机能耗进行了调查，节电率可达到20％以上，为企业带来了可观的经济效益和环保效益，是企业理想的节能设备，促进了钢铁企业的节能减排、低碳生产。

参考文献：

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[2]王蒙，张智勇.空压机的变频节能改造措施研究[J].内燃机与配件，2018（11）：74-75.

[3]廖凌.螺杆式空压机变频节能改造研究[J].山东工业技术，2017（19）：28.

作者:王文峰 单位:河钢邯钢能源中心