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螺杆空压机控制方式及节能对比分析

   1、引言
 
  当前节能环保已成为经济社会的主要发展趋势,空气压缩机是为有关耗气设备提供压缩空气的设备,而且大多数是连续运行的,因此其所消耗的能量很大,相应的也有很大的节能潜力空间。未来空气压缩机发展的主流趋势是什么呢?个人认为,节能环保之路将是其中一个很重要的方向。
 
  2、螺杆压缩机各种控制方式
 
  螺杆空压机选型时考虑的因素很多,必须照顾到最高耗气量并考虑一定的余量,但是日常运行时,空气压缩机并非总是在额定排气工况下。据统计,在中国空气压缩机的平均负载只有额定容积流量的79%左右,可以看出压缩机选型时需要考虑额定负载工况和部分负载工况的功耗指标。
 
  所有的螺杆空压机均有排气量调节功能,只是实现的措施有不同。常见的方式有ON/OFF加载/卸载调节、吸气节流、电机变频、滑阀变容等,这些调节方式也可以灵活地组合使用来优化设计。
 
  在压缩机主机能效一定的情况下,只能从压缩机整机上进行优化控制方式达到进一步节能的目的,从而在空气压缩机的应用领域中实际达到综合节能效果。螺杆空压机的应用范围比较广泛,很难找到适合所有场合并完全有效的控制方式,需要根据实际应用情况综合分析,以便选择对应合适的控制方式,以下简要介绍四种常见的控制方式包括其主要特点及用途。
 
  2.1 ON/OFF加载/卸载控制
 
  ON/OFF加载/卸载控制是比较传统、比较简单的控制方式,它的功能是根据客户用气量的大小,自动调节压缩机进气阀的开关,使压缩机加载或卸载,以减小供气压力的波动。该控制中有电磁阀、进气阀、放空阀和控制管线。
 
  当客户用气量等于或大于机组的额定排气量时,启动/卸载电磁阀处在得电状态控制管路不导通,压缩机主机进气阀在吸气真空作用下完全打开,机组保持满负荷状态运行。
 
  当客户用气量小于额定排气量时,压缩机管路的压力会缓慢上升,当排气压力达到并超过机组卸载压力,压缩机转人卸载运行。启动/卸载电磁阀处在失电状态控制管路导通,它一路气去关闭进气阀;另一路气去打开放空阀让油气分离罐中的压力放空,直至油气分离器罐内部压力稳定(一般是15~35PSI) ,此时机组将在较低的背压下运行,保持空载状态。
 
  当客户用气量增加使管路压力下降到规定值时,机组就继续加载运行。此时启动/卸载电磁阀得电,控制管路不导通,机头进气阀在吸气真空作用下保持最大开度。如此根据用户端用气量的变化机器反复加载、卸载的运行。加载/卸载控制方式的主要特点是主机进气阀只有完全打开、完全关闭2种状态,机器的运行状态只有加载、卸载、自动停机3种状态。
 
  对客户来说,压缩空气都是允许多但不允许不足,换言之,空气压缩机的排气量是允许大,不允许小。因此,当机组排气量大于用气量时,空压机机组会自动的卸载,以保持排气量和用气量维持平衡。
 
  2.2 吸气节流控制
 
  吸气节流控制方式根据客户所需的用气量来调节压缩机进气量的大小,以便达到供需平衡,主要元件包括电磁阀、压力调节器、进气阀等。当用气量等于机组的额定排气量时,进气阀完全打开,机组将在满载状态下运行;当用气量小于额定排气量时,控制气路自动调节进气阀的开度,控制进气量的大小。现针对一台工作压力为8~8.6bar的压缩机机组运行过程中的4种工况,分别介绍吸气节流控制方式的功能。
 
  (1) 启动工况0~3.5bar
 
  压缩机机组启动后,进气阀关闭着,油气分离器罐中压力迅速建立;当达到设定时间会自动切换到满载状态,进气阀靠真空吸气作用微微打开。
 
  (2) 常规运行工况3.5~8bar
 
  当系统内压力超过3.5bar后,冲开最小压力阀使压缩空气进人供气管,电脑板实时监控管线压力,进气阀完全打开。
 
  (3) 气量调节工况8~8.6bar
 
  当管线压力超过8bar时,控制气路调节进气阀的开度,使排气量与用气量相平衡,在此期间排气量调节范围是50%~100%。
 
  (4)卸载工况-压力超过8.6bar
 
  当所需用气量减少或不需用气时,管线压力超过设定值8.6bar时,控制气路关闭进气阀并打开放空阀,释放油气分离罐中的压力;机组在很低的背压下运行,耗能减少。
 
  当管线压力降至设定的最低压力时,控制气路关闭放空阀,打开进气阀,机组转换为加载工况运行。
 
  吸气节流控制通过对进气阀的开度控制,进而调节进气量,从而减小了压缩机的功耗,并降低了频繁加载/卸载的频率,因此有一定的节能效果
 
  2.3 变频调速控制
 
  压缩机变频转速调节控制是通过改变驱动电机的转速,进而调节压缩机的转速来调节排气量。变频压缩机的气量调节系统的功能是根据客户用气量的大小,通过变频改变电机的转速来配合不断变化的空气需求量,以便达到供需平衡。每款变频机组根据型号的不同,设定有机组实际运行时变频器最大输出频率及电机最高转速。当客户用气量等于机组的额定排气量时,变频机组调节变频电机的频率而提高主机转速,机组在满载状态下运行;当用气量小于额定排气量时,变频机组将通过降低变频电机的频率从而降低主机转速,相应降低进气量;当客户停止用气时,变频电机的频率降至最低,同时关闭进气阀不再进气,机组处于空载状态在较低的背压下运行。
 
  压缩机变频机组配备的驱动电机其额定功率是一定的,但电机的实际轴功率跟其负载、转速直接相关。压缩机机组采用变频调速,在负载降低的情况下同时降低转速,可大大提高轻载运行时的工作效率,同时能十分方便地连续调节,保持排气量和排气压力的稳定。
 
  变频压缩机相对于工频压缩机来说,驱动马达需要为变频电机,配有变频器及相应的电控柜,因此成本会比较高。所以,选用变频压缩机初次投资成本较大,变频器本身有功率消耗以及变频器散热通风限制等原因,只是用户耗气量变化范围大的空气压缩机,经常处在较低负载才有选择变频器的必要。
 
  变频压缩机的主要优点如下:
 
  (1) 节能效果明显;
 
  (2) 启动电流小,对电网冲击小;
 
  (3) 排气压力稳定;
 
  (4) 机组噪声低,电机运转频率低,无频繁加卸载噪声。
 
  2.4 滑阀变容调节
 
  滑阀变容调节控制方式的工作原理为:通过一个机构去改变压缩机主机压缩腔内的有效压缩容积,从而调节压缩机的排气量。与ON/OFF控制、吸气节流控制及变频控制都属于压缩机外部控制的工作原理有所不同,滑阀变容调节方式需要改变压缩机本身的结构。
 
  容积流量调节滑阀是螺杆压缩机用来调节容积流量的一种结构元件,采用这种调节方式的机如图1的转动滑阀结构,气缸壁上开有与转子螺旋形状相对应的旁通孔,当这些孔没有被盖住时,气体可以从这些孔中排出。所用滑阀也俗称为“螺旋阀”,阀体是螺旋形状的,当它旋转时就可盖住或打开与压缩腔相连的旁通孔。客户用气量减少时,螺旋阀转动打开旁通孔,使吸人的部分空气未经压缩就通过压缩腔底部的旁通孔流回人口,不参与压缩,相当于降低参与有效压缩的螺杆长度即降低有效工作容积,所以有效的压缩功大大降低,实现部分负载时的节能。这种设计方案可以提供连续的容积流量调节,一般可以实现的容量调节范围50%~100%。
 
  滑阀变容调节的工作原理示意见图2~4。
螺杆空压机控制方式及节能对比分析
螺杆空压机控制方式及节能对比分析
螺杆空压机控制方式及节能对比分析
 
 
螺杆空压机控制方式及节能对比分析

螺杆空压机控制方式及节能对比分析
 
  螺旋阀结构可用于任何型号的压缩机,符合人们日益倡导的“绿色工业”的理念。
 
  3、螺杆空压机节能对比分析
 
  3.1 各种控制方式综合对比
 
  所有的螺杆空压机均有气量调节功能,只是实现的措施有不同,常见的方式有ON/OFF加载/卸载调节、吸气节流、电机变频调节、变容调节等,这些调节方式也可以灵活地组合使用来优化空压机控制方式设计。
 
  3.1.1 各种控制方式综合对比
 
  为了更直观的比较各种控制调节方式的特点及性能优劣,这几种气量调节方式见表1。
 
  3.1.2 控制方式排气量-轴功率变化曲线对比
 
  图5是通过大量测试数据比较总结出来的比较功率变化曲线图,从中可以看出变容调节、变频调节的节能效果非常明显。
 
  3.2 变频调节与变容调节对比
 
  压缩机的经济性应至少从3个方面来考虑:
 
  (1) 压缩机是否节能;
 
  (2) 零件的更换周期和零件价格;
 
  (3) 压缩机的价格及购买成本。
 
  前两点关系到用户每年为运行这一产品而付出的固定费用的多少,相对于第3点来说是大项,在考虑压缩机的经济性时应优先考虑。同时压缩机的经济性和适用性又是密不可分的,在A场合适用性好又经济的压缩机,不一定适用于B场合,也不一定经济。
 
  考虑到运行成本、用气量变化很大的场合,选择螺杆空气压缩机应该优选变频驱动压缩机或变容调节压缩机。变容调节压缩机与变频驱动压缩机的优缺点比较如下:
 
  (1) 在经济性方面:变容调节压缩机成本优势明显,在价格上具有竞争优势;变频机型的成本一般是变容机型的1.3倍。
 
  (2) 在节能效果方面,要看机器运行在何种状态下:
 
  变频调节适用于排气量30%~100%的调节范近工频机额定转速时,其压缩功耗与工频机相近,加上变频器本身需要消耗2%~3%的能耗,整机功耗超过了工频机的能耗。也就是说,当客户用气量为额定用气量的90% 以上时,采用变频机反而会增加能耗。这也是为什么很多客户几台空压机一起使用时,只选择其中一台为变频机的原因。变容调节适用于排气量50%~100%的调节范围,而在90%~100%时节能效果优于变频调节。
 
螺杆空压机控制方式及节能对比分析
 
  (3) 在恶劣环境适应能力:变容调节压缩机比变频机更出色,故障率极低,维护和修理比变频机更方便、容易。
 
  4、结论
 
  以上分析及螺杆空压机比较常用的4种控制方式,每一种控制方式都有其特性及适用领域,选择正确的控制方式确实可减少很多无谓的浪费。但是,如何选择正确的控制方式却没有一定的准则或公式可资运用,仍然得靠经验、记录及试验分析比较来判断。很多时候需要将几种控制方式结合在一起运用起来,比较常见的有吸气节流控制和滑阀变容调节组合、ON/OFF加载/卸载控制和变频调速控制组合、变容调速控制和变频调速控制组合,这样充分发挥各个控制方式的优点,以发挥出最大的节能效果。
 
  参考文献
  [1] 郁永章.压缩机工程手册[M].北京 :中国石化出版社.
  [2] 郁永章.容积式压缩机技术手册[M].北京 :机械工业出版社.
  [3] (美)PaulC.Hanlon著,郝点,等译 .压缩机手册[M].北京 :中国石化出版社.
  [4] 周艳辉,张书泽,王熙,李福送.柴驱螺杆压缩机气控系统的分析与研究[J].通用机械,2017,6.
 
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