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摘要：空压机站为工业企业提供压缩空气，是重要的动力来源。为使空压机能提供稳定的压力，分析了传统工频空压机供气系统中存在的缺点，提出了空压机变频改造方案，计算了变频改造后的节能效果，对式空压机变频改造控制以达到节能降耗目的进行了可行性研究，并做出了经济效益分析。
关键词：工业企业、螺杆空压机、变频改造、节能降耗
【分类号】：TH45
一、引言
目前在工业生产中，螺杆式空压机被广泛地应用于压缩空气的生产，在其控制中多采用压力传感器—加载—卸载阀来控制空压机的供气。由于用气设备的工作周期或是生产工艺的差别，使得用气量发生波动，有时会造成空压机频繁加载、卸载。空压机卸载后电机仍然工频运转，不仅浪费电能而且增加设备的机械磨损；空压机加载过程是突然加载，也会对设备和电网造成较大的冲击。因此对空压机进行变频改造具有改善电机的启动和运行方式、减少设备的机械磨损、在一定范围内节约电能等效果[1]。
二、设备现状
我公司空压站现有5台61.1m3/min螺杆式空气压缩机，负责整个厂区压缩空气供应，每台空压机配置315KW电机一台，年耗电量约700万度。
为保证生产用气需要，目前采取由空压站值班运行工根据生产用气负荷情况，及时启停空压机，根据目前生产用气量，满负荷生产时达到4用1备。空压机系统设定供气压力范围：0.67Mpa-0.77Mpa；即供气压力低于0.67Mpa时，空压机自动加载运行；达到0.77Mpa时空压机自动卸载运行（压缩机电机空转）。
三、存在问题
1.空压机工频启动电流冲击大：
由于空压机电机功率大，即便设备本身已采用了降压启动，但工频启动电流仍较大（电机额定电流的4-6倍），加载和卸载时对设备机械冲击较大；不仅引起电源电压波动，也会使压缩气源产生较大的波动；同时这种运行方式还会加速设备的磨损，降低设备的使用年限[2]。
2.空压机加载损耗：
空压机加载运行压力达到设定压力上限后，机载电脑控制空压机继续加载，管网压力将继续上升约10%左右，此时机载电脑发出卸载指令，卸载装置动作，这部分加压过程，将产生较大的电能浪费和噪音。
3.空压机卸载损耗：
由于实际生产过程中用气量波动，部分时段压缩空气供给量大于使用量，在管网压力大于空压机加载压力下限之前，有一台或几台空压机处于卸载运行（电机空转）状态，根据我公司空压机实际运行记录，卸载运行时间占比为7%，年损耗电量约25万KWh，损耗电费约20万元。
4.供气压力波动大：
空压机系统设定供气压力范围为0.67Mpa-0.77Mpa，如压差范围设定过小，空压机将会频繁加载和卸载，对空压机及供电设备冲击较大，将严重影响空压机及供配电设施的运行安全和使用寿命。因此压缩空气系统压差波动范围为0.1Mpa，对于对供气压力稳定性要求较高的设备、设施有较大影响（如高精度数控加工中心刀具进给、气动扳手的拧紧力矩等）。
四、解决方法
对空压机进行变频改造，变频器本身具有软启动功能，它可以控制启动时的加速，从而减少启动时对压缩机的电器部件和机械部件所造成的冲击压力，可显著降低大型电机的启动对空压机及供电系统造成的冲击危害，增强系统的可靠性，延长压缩机的使用寿命[3]。
同时，利用变频装置自动调整供电频率控制空压机压缩机电机转速，从而实现空压机根据用气量的大小自动调节电机转速，减少了电机频繁的加载和卸载，保证供气压力的稳定（波动可控制在±0.01mpa之内），同时可在一定程度上节约电能。
五、改造方案
计划在保留原空压机的控制模式的前提下，采用一台350KW变频器对现有五台空压机中的两台进行旁路改造，可切换控制两台空压机使其任意一台处于变频控制运行而另一台处于工频控制运行，转换方式灵活安全可靠，并具备远程控制功能。
目前系统供气压力范围：0.67Mpa-0.77Mpa，改造后可将供气压力波动范围控制指标设定为0.68Mpa-0.70Mpa。改造后，变频控制空压机组PID调节范围的频压关系为50Hz-35Hz对应0.68Mpa-0.70Mpa，减少管网压力波动。即：系统压力持续高于0.70Mpa10分钟后，变频器进入休眠状态或空压机卸载运行；系统压力在0.68Mpa-0.70Mpa范围内时，变频器退出休眠，进入变频工作状态，空压机在50Hz-35Hz范围内变频运行；系统压力低于0.68Mpa时，变频器保持空压机在50Hz工频运行状态。
远程控制功能：在空压站值班监控室即可实现两台空压机运行模式的远程控制（切换和启停），运行状态数据显示（运行频率、排气压力等）。
六、投资估算及初步经济分析
1.投资估算
投入资金：30万元。
2.经济效益分析（济南市实行尖峰平谷分时电价，电费单价按平均0.85元/kwh计）
（1）节约卸载电能损耗：
空压机变频节能改造实施后，空压机基本不出现卸载运行状态，每年可节约空压机卸载运行电力损耗约24万度，节约电费约20万元。
（2）节约空压机启动及加载损耗：
空压机变频节能改造实施后，可将原设定的供气压力范围：0.67Mpa-0.77Mpa，精确稳定的设定在0.70Mpa，相当于供气压力下降10%以上。该部分损耗可节约空压机能耗10%左右，按最低7%计算，每年可节约空压机电力损耗49万度以上，节约电费42万元。
（3）空压机变频启动冲击小，同时减少空压机频繁加卸载切换，延长空压机（压缩机、各类气动控制装置等）和供电系统设备设施寿命，有效降低维修维护成本。 （4）显著提高厂区供气压力的稳定性，保证用气设备、设施的运行安全和产品质量提升
以上合计每年可实现效益60万元以上，投资回报期约半年。
七、结论
空压机等流体设备采用变频调节技术实现节能运行是我国节能减排的一项重点推广技术，受到我国政府的高度重视，《中华人民共和国节约能源法》第31条就明确提出：“国家鼓励工业企业采用高效、节能的电动机、锅炉、窑炉、风机、泵类等设备，采用热电联产、余热余压利用、洁净煤以及先进的用能监测和控制等技术”。实践证明，变频技术应用于空压机等流体设备，既提高了效率，降低了能耗，又提高了生产工艺水平，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，直接和间接经济效益十分明显。
参考文献
[1] 谢水英，韩承江，徐伟君. 螺杆式空压机变频节能改造[J]. 中国现代教育装备. 2010（22）
Xie Shuiying， Han Chengjiang， Xu Weijun. The screw type air compressorinverter energy-saving [J]. Chinese modern education equipment 2010 （22）
[2] 袁帅军，郭利女，邓超，戴勇. 变频器在空压机中的应用[J]. 硅谷. 2010（16）
Yuan Shuaijun， Guo Linv， Deng Chao， Dai Yong. Application of [J]. inverter inthe air compressor in the Silicon Valley. 2010 （16）
[3] 杨茹，张朝江，姜洪松. 变频器在空压机自动恒压供气节能改造中的应用[J]. 电气应用. 2008（24）
Yang Ru， Zhang Zhaojiang， Jiang Hongsong. Application of frequency converter application [J]. electrical energy transformation in the automaticconstant pressure air compressor in 2008 （24）
关键词：工业企业、螺杆空压机、变频改造、节能降耗
【分类号】：TH45
一、引言
目前在工业生产中，螺杆式空压机被广泛地应用于压缩空气的生产，在其控制中多采用压力传感器—加载—卸载阀来控制空压机的供气。由于用气设备的工作周期或是生产工艺的差别，使得用气量发生波动，有时会造成空压机频繁加载、卸载。空压机卸载后电机仍然工频运转，不仅浪费电能而且增加设备的机械磨损；空压机加载过程是突然加载，也会对设备和电网造成较大的冲击。因此对空压机进行变频改造具有改善电机的启动和运行方式、减少设备的机械磨损、在一定范围内节约电能等效果[1]。
二、设备现状
我公司空压站现有5台61.1m3/min螺杆式空气压缩机，负责整个厂区压缩空气供应，每台空压机配置315KW电机一台，年耗电量约700万度。
为保证生产用气需要，目前采取由空压站值班运行工根据生产用气负荷情况，及时启停空压机，根据目前生产用气量，满负荷生产时达到4用1备。空压机系统设定供气压力范围：0.67Mpa-0.77Mpa；即供气压力低于0.67Mpa时，空压机自动加载运行；达到0.77Mpa时空压机自动卸载运行（压缩机电机空转）。
三、存在问题
1.空压机工频启动电流冲击大：
由于空压机电机功率大，即便设备本身已采用了降压启动，但工频启动电流仍较大（电机额定电流的4-6倍），加载和卸载时对设备机械冲击较大；不仅引起电源电压波动，也会使压缩气源产生较大的波动；同时这种运行方式还会加速设备的磨损，降低设备的使用年限[2]。
2.空压机加载损耗：
空压机加载运行压力达到设定压力上限后，机载电脑控制空压机继续加载，管网压力将继续上升约10%左右，此时机载电脑发出卸载指令，卸载装置动作，这部分加压过程，将产生较大的电能浪费和噪音。
3.空压机卸载损耗：
由于实际生产过程中用气量波动，部分时段压缩空气供给量大于使用量，在管网压力大于空压机加载压力下限之前，有一台或几台空压机处于卸载运行（电机空转）状态，根据我公司空压机实际运行记录，卸载运行时间占比为7%，年损耗电量约25万KWh，损耗电费约20万元。
4.供气压力波动大：
空压机系统设定供气压力范围为0.67Mpa-0.77Mpa，如压差范围设定过小，空压机将会频繁加载和卸载，对空压机及供电设备冲击较大，将严重影响空压机及供配电设施的运行安全和使用寿命。因此压缩空气系统压差波动范围为0.1Mpa，对于对供气压力稳定性要求较高的设备、设施有较大影响（如高精度数控加工中心刀具进给、气动扳手的拧紧力矩等）。
四、解决方法
对空压机进行变频改造，变频器本身具有软启动功能，它可以控制启动时的加速，从而减少启动时对压缩机的电器部件和机械部件所造成的冲击压力，可显著降低大型电机的启动对空压机及供电系统造成的冲击危害，增强系统的可靠性，延长压缩机的使用寿命[3]。
同时，利用变频装置自动调整供电频率控制空压机压缩机电机转速，从而实现空压机根据用气量的大小自动调节电机转速，减少了电机频繁的加载和卸载，保证供气压力的稳定（波动可控制在±0.01mpa之内），同时可在一定程度上节约电能。
五、改造方案
计划在保留原空压机的控制模式的前提下，采用一台350KW变频器对现有五台空压机中的两台进行旁路改造，可切换控制两台空压机使其任意一台处于变频控制运行而另一台处于工频控制运行，转换方式灵活安全可靠，并具备远程控制功能。
目前系统供气压力范围：0.67Mpa-0.77Mpa，改造后可将供气压力波动范围控制指标设定为0.68Mpa-0.70Mpa。改造后，变频控制空压机组PID调节范围的频压关系为50Hz-35Hz对应0.68Mpa-0.70Mpa，减少管网压力波动。即：系统压力持续高于0.70Mpa10分钟后，变频器进入休眠状态或空压机卸载运行；系统压力在0.68Mpa-0.70Mpa范围内时，变频器退出休眠，进入变频工作状态，空压机在50Hz-35Hz范围内变频运行；系统压力低于0.68Mpa时，变频器保持空压机在50Hz工频运行状态。
远程控制功能：在空压站值班监控室即可实现两台空压机运行模式的远程控制（切换和启停），运行状态数据显示（运行频率、排气压力等）。
六、投资估算及初步经济分析
1.投资估算
投入资金：30万元。
2.经济效益分析（济南市实行尖峰平谷分时电价，电费单价按平均0.85元/kwh计）
（1）节约卸载电能损耗：
空压机变频节能改造实施后，空压机基本不出现卸载运行状态，每年可节约空压机卸载运行电力损耗约24万度，节约电费约20万元。
（2）节约空压机启动及加载损耗：
空压机变频节能改造实施后，可将原设定的供气压力范围：0.67Mpa-0.77Mpa，精确稳定的设定在0.70Mpa，相当于供气压力下降10%以上。该部分损耗可节约空压机能耗10%左右，按最低7%计算，每年可节约空压机电力损耗49万度以上，节约电费42万元。
（3）空压机变频启动冲击小，同时减少空压机频繁加卸载切换，延长空压机（压缩机、各类气动控制装置等）和供电系统设备设施寿命，有效降低维修维护成本。 （4）显著提高厂区供气压力的稳定性，保证用气设备、设施的运行安全和产品质量提升
以上合计每年可实现效益60万元以上，投资回报期约半年。
七、结论
空压机等流体设备采用变频调节技术实现节能运行是我国节能减排的一项重点推广技术，受到我国政府的高度重视，《中华人民共和国节约能源法》第31条就明确提出：“国家鼓励工业企业采用高效、节能的电动机、锅炉、窑炉、风机、泵类等设备，采用热电联产、余热余压利用、洁净煤以及先进的用能监测和控制等技术”。实践证明，变频技术应用于空压机等流体设备，既提高了效率，降低了能耗，又提高了生产工艺水平，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，直接和间接经济效益十分明显。
参考文献
[1] 谢水英，韩承江，徐伟君. 螺杆式空压机变频节能改造[J]. 中国现代教育装备. 2010（22）
Xie Shuiying， Han Chengjiang， Xu Weijun. The screw type air compressorinverter energy-saving [J]. Chinese modern education equipment 2010 （22）
[2] 袁帅军，郭利女，邓超，戴勇. 变频器在空压机中的应用[J]. 硅谷. 2010（16）
Yuan Shuaijun， Guo Linv， Deng Chao， Dai Yong. Application of [J]. inverter inthe air compressor in the Silicon Valley. 2010 （16）
[3] 杨茹，张朝江，姜洪松. 变频器在空压机自动恒压供气节能改造中的应用[J]. 电气应用. 2008（24）
Yang Ru， Zhang Zhaojiang， Jiang Hongsong. Application of frequency converter application [J]. electrical energy transformation in the automaticconstant pressure air compressor in 2008 （24）