压缩机变频节能改造及节能量计算

压缩机变频节能改造及节能量分析

冯东升

（上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海 200063）

摘要：本文从压缩机的变频调速原理出发，介绍了压缩机系统的变频改造方案，并主要阐述了变频改造后的节能量计算方法，最后通过实例进行了节能效果分析，结果表明该技术节能效果显著，值得推广。

关键词: 压缩机 变频改造 节能

The Analysis of Frequency Conversion Energy Saving In Compressor

Feng dong-sheng

(Shanghai Engineering Research Center of Motor System EnergySaving Co.,Ltd., Shanghai

200063,China)

Abstract: This paper start with the frequency control of compressor, mainly introduces the project of frequency conversion and method of calculating energy saving in compressor. Results show that , the technology is advanced and worth promoting.

Key words: compressor;frequency conversion; energy-saving

1 概述

压缩机作为基础工业装备，广泛的应用于机械制造、冶金、石油化工、矿山、纺织等工业生产的各个领域中。空压机的种类有很多，常见的主要有活塞式、螺杆式、离心式等几种。由于压缩机通常是长期连续的运转方式，因此在各种工矿企业内属于耗电量较多的重点用电设备之一。

在国民经济可持续发展的战略之下，能源作为国家的重要物质基础，节能和绿色生产已成为国家十二五规划的重点，工业企业在保证正常的生产条件下，如何实现节能已势在必行，空压机作为重点耗能设备，已经成为了关键词。

2变频调速在压缩机上的节能应用

2.1压缩机的调节方式

在实际应用当中，比较常用的主要是往复式(活塞式)和螺杆式压缩机。空气压缩机其工作原理是当储气罐(管路)内空气压力达到设定压力上限 (例如0.7MPa)时，压缩机进入空转卸载状态，当储气罐内空气压力低于设定压力下限(相对应值0.6MPa)时，压缩机又进入满载工作状态。由于生产线上使用空压机的设备的工作周期和生产工艺的差别，使得用气量瞬时变化非常大，这就造成空气压缩机工作时总是在重复满载-卸载工作方式。满载时的工作电流接近电动机的额定电流，卸载时的空转电流约为30～50％电动机额定电流，这部分电流不是做有用功，而是机械在额定转速下的空载损耗。这种机械式调节装置虽然也能起到压力调节作用，但是压力调节精度低，压力波动大，卸载后空压机依然在额定转速下工频运行，造成电能的浪费；突然加载时，又会对供电电网和空压机设备造成很大的冲击，增加了设备的机械磨损。

2.2压缩机的变频调速原理

根据空气压缩理论，压缩机的轴功率、排气量和轴转速符合下列公式： 9550n M P r r ×=

211n V k V h d ××= 式中：r P ——压缩机轴功率，kW

r M ——压缩机输入的平均轴扭矩，N·m

n ——压缩机轴转速，r/min

k ——与气缸容积、温度、压力和泄露有关的系数

2n ——变频调节后的压缩机转速，r/min

1h V ——吸气容积，m 3

1d V ——在2n 转速下的排气量，m 3 /min

根据上述理论分析，在空气压缩机的吸气容积一定（同一压缩机容积一定）的条件下，只有调节压缩机的转速能改变排气量，空气压缩机是恒转矩负载，压缩机轴功率与转速呈正比变化，在压缩机总排气量大于用气量时，通过降低压缩机转速调节供风压力，是达到压缩机经济运行的有效方法。可以选用的压缩机变极电动机、改变皮带轮传动比、串级调速等调速方法中，变频调速与其他调速方法相比，具有无极调速、容易实现自动控制、不用改变设备结构和安装量小的特点。

变频调速的优点是压力给定方便，根据用气量的变化随时调整设定值，能够实现压力闭环运行，实现压缩空气的恒压供应，提高空压机的运行效率，达到节能的目的。

3压缩机变频恒压控制节能分析、计算

3.1压缩机变频恒压控制效益分析

压缩机系统为典型的恒转矩负载特性，对于压缩机的恒压输出系统而言，恒压控制后系统运行在恒转矩变流量状态。

在采用变频调速时，系统流量需要减小时，降低压缩机转速，使压缩机在规定压力下低流量点运行。压缩机的输入功率与流量成近似线性关系，如图1所示。

图1 压缩机恒压变流系统减速运行的功率消耗示意图

因此压缩机系统进行变频改造后的节能效果主要决定于所运行流量的大小，压缩机的耗电量与流量成正比关系。

对于全速工频运行的压缩机系统，采用卸载自动进行调节后，虽然总管道输出压力保持在一定范围，但这时压缩机电机运行在轻载和满载两种状态，白白浪费掉电机运行在卸载状态时的能量消耗，因此采用变频恒压控制改造后降低了压缩机的运行转速，节约了能量的消耗。

系统改造后还可使系统实现软启动、软停止，减少系统启动对电网的冲击，减少系统启动次数，系统运行平稳；由于压缩机运行转速的降低，减少机械磨损，延长电机和压缩机的使用寿命。

系统若采用压力闭环控制方案改造后，可实现全自动控制，真正实现无人值守。

3.2压缩机变频恒压控制节能计算

根据压缩机的负载性质，我们可以得到压缩机的输入功率表达式：

y k r P P P += （1）

r P ——压缩机输入功率（kW ）

k P ——压缩机的空载损耗功率（kW ）

y P ——压缩机的有效功率（kW ）

yl y P Q k P ××= （2）

k ——比例系数

Q ——压缩空气流量（m 3/min ）

yl P ——压缩空气的压力（kPa ）

由于工频运行时，压缩机组运行在满载和空载两种状态，假设机组空载运行