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空壓機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛地應(yīng)用。在各種行業(yè)中，它擔(dān)負(fù)著為工廠所有氣動(dòng)元件，包括各種氣動(dòng)閥門(mén)，提供氣源的職責(zé)。因此它運(yùn)行的好壞直接影響工廠生產(chǎn)工藝?？諌簷C(jī)的種類有很多，但其供氣控制方式幾乎都是采用加、卸載控制方式。該供氣方式雖然原理簡(jiǎn)單、操作方便，但存在耗電量高、進(jìn)氣閥易損壞、供氣壓力不穩(wěn)定等問(wèn)題。
一、傳統(tǒng)空壓機(jī)供氣系統(tǒng)電能浪費(fèi)分析
1.傳統(tǒng)空壓機(jī)的工作狀態(tài)主要有兩種：一種是加載狀態(tài)，另一種是空載狀態(tài)。
(1) 加載時(shí)的電能消耗
加載狀態(tài)是，在壓力達(dá)到最小值后，原控制方式?jīng)Q定其壓力會(huì)繼續(xù)上升直到最大壓力值。在加壓過(guò)程中,一定要向外界釋放更多的熱量，從而導(dǎo)致電能損失。另一方面，高于壓力最大值的氣體在進(jìn)入氣動(dòng)元件前，其壓力需要經(jīng)過(guò)減壓閥減壓,這一過(guò)程同樣是一個(gè)耗能過(guò)程。
(2) 卸載時(shí)電能的消耗
空載狀態(tài)時(shí)，當(dāng)壓力達(dá)到壓力最大值時(shí)，空壓機(jī)通過(guò)如下方法來(lái)降壓卸載:關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時(shí)將分離罐中多余的壓縮空氣通過(guò)放空閥放空。這種調(diào)節(jié)方法要造成很大的能量浪費(fèi)。據(jù)我們測(cè)算，空壓機(jī)卸載時(shí)的能耗約占空壓機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)的10%～25%,這還是在卸載時(shí)間所占比例不大的情況下。換而言之，該空壓機(jī)20%左右的時(shí)間處于空載狀態(tài)，在作無(wú)用功。很明顯在加卸載供氣控制方式下，空壓機(jī)電機(jī)存在很大的節(jié)能空間。
2.傳統(tǒng)空壓機(jī)壓力控制是上下限控制，首先根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備的最低壓力要求，設(shè)定空壓機(jī)輸出壓力的下限，也就是空壓機(jī)開(kāi)始加載的壓力；再在最低壓力上加1帕左右，作為空壓機(jī)輸出壓力的上限，即開(kāi)始卸載的壓力?？諌簷C(jī)的輸出工作壓力將在上下限之間波動(dòng)?？諌簷C(jī)的功率消耗和輸出壓力成正比。輸出的壓力越高消耗的功率也越大，從輸出壓力的下限到上限的1帕的壓差將多消耗總功率的7-10%。
3.傳統(tǒng)供氣空壓機(jī)系統(tǒng)中，如果有多臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)運(yùn)行，每臺(tái)空壓機(jī)的輸出壓力都將隨著管網(wǎng)的壓力波動(dòng)在上下限間波動(dòng)，所以每臺(tái)機(jī)都多消耗7-10%的額定功率。
4.傳統(tǒng)空壓機(jī)供氣系統(tǒng)中運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定不同也會(huì)造成空壓機(jī)用電量的不同，必須根據(jù)用氣工況進(jìn)行設(shè)定，才能達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行效果。
5.傳統(tǒng)空壓機(jī)供氣系統(tǒng)由于電機(jī)不允許頻繁啟動(dòng)，導(dǎo)致在用氣量少的時(shí)候電機(jī)仍然要空載運(yùn)行，浪費(fèi)電能。經(jīng)常卸載和加載導(dǎo)致整個(gè)氣網(wǎng)壓力經(jīng)常變化，不能保持恒定的工作壓力。
二、空壓機(jī)工作原理
如空壓機(jī)工作流程圖（一）所示：
螺桿壓縮機(jī)的工作原理可分為進(jìn)氣，壓縮和排氣三個(gè)過(guò)程。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，每對(duì)相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)。
1.進(jìn)氣過(guò)程：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒溝空間在轉(zhuǎn)至進(jìn)氣端壁開(kāi)口時(shí)，其空間最大，此時(shí)轉(zhuǎn)子齒溝空間與進(jìn)氣口的相通，因在排氣時(shí)齒溝的氣體被完全排出，排氣完成時(shí)，齒溝處于真空狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)至進(jìn)氣口時(shí)，外界氣體即被吸入，沿軸向進(jìn)入陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒溝內(nèi)。當(dāng)氣體充滿了整個(gè)齒溝時(shí)，轉(zhuǎn)子進(jìn)氣側(cè)端面轉(zhuǎn)離機(jī)殼進(jìn)氣口，在齒溝的氣體即被封閉。
2.壓縮過(guò)程：陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子在吸氣結(jié)束時(shí)，其陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒尖會(huì)與機(jī)殼封閉，此時(shí)氣體在齒溝內(nèi)不再外流。其嚙合面逐漸向排氣端移動(dòng)。嚙合面與排氣口之間的齒溝空間漸漸件小，齒溝內(nèi)的氣體被壓縮壓力提高。
3.排氣過(guò)程：當(dāng)轉(zhuǎn)子的嚙合端面轉(zhuǎn)到與機(jī)殼排氣口相通時(shí)，被壓縮的氣體開(kāi)始排出，直至齒尖與齒溝的嚙合面移至排氣端面，此時(shí)陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的嚙合面與機(jī)殼排氣口的齒溝空間為0，即完成排氣過(guò)程，在此同時(shí)轉(zhuǎn)子的嚙合面與機(jī)殼進(jìn)氣口之間的齒溝長(zhǎng)度又達(dá)到最長(zhǎng)，進(jìn)氣過(guò)程又再進(jìn)行。
從上述工作原理可以看出，螺桿壓縮機(jī)是一種工作容積作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的容積式氣體壓縮機(jī)械。氣體的壓縮依靠容積的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，而容積的變化又是借助壓縮機(jī)的一對(duì)轉(zhuǎn)子在機(jī)殼內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到。
三、空壓機(jī)恒壓供氣系統(tǒng)改造案例分析
1.原供氣系統(tǒng)介紹
以我們10月改造過(guò)某廠的二臺(tái)空壓機(jī)為例，原空壓機(jī)供氣系統(tǒng)采用兩臺(tái)空壓機(jī)工頻供電運(yùn)行。下限壓力為0.5 MPa，上限壓力為0.7MPa。跟據(jù)生產(chǎn)情況白天兩臺(tái)同時(shí)運(yùn)行，晚上一臺(tái)運(yùn)行，一般工作情況為工作20分鐘后壓力達(dá)到上限0.7MPa停機(jī)5-7分鐘后壓力下降到下限0.5MPa。然后又重新啟動(dòng)，如此循環(huán)工作。存在問(wèn)題是由于工作空壓機(jī)是用工頻供電運(yùn)行，電機(jī)的頻繁起停，對(duì)電機(jī)損害特別大，容易加速電機(jī)的老化，另外長(zhǎng)期大氣壓供給很容易造成氣管爆裂，后來(lái)客戶為了不讓電機(jī)經(jīng)常啟動(dòng)停止直接把卸壓排空閥壓力調(diào)至0.5MPa，這樣電機(jī)始終處于滿負(fù)荷運(yùn)行，同時(shí)也浪費(fèi)了很大一部分電能，降低了設(shè)備使用壽命。根據(jù)實(shí)地觀察，空壓機(jī)上限設(shè)定壓力為0.7MPa，下限為0.5MPa，而我們實(shí)際滿足工作用氣壓力為0.5MPa，因而必須實(shí)行恒壓供氣，均衡空壓機(jī)工作運(yùn)行。已達(dá)到節(jié)能32%目的。
2.變頻恒壓供氣系統(tǒng)框圖
如變頻空壓機(jī)工作流程圖（二）所示：
針對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)供氣控制方式存在的諸多問(wèn)題，我們對(duì)二臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)增加兩臺(tái)變頻調(diào)速器進(jìn)行恒壓供氣控制。使用一臺(tái)160KW通用型變頻器和一臺(tái)110KW通用型變頻器，增加一臺(tái)PLC、一個(gè)觸摸屏，一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換模塊，對(duì)該供氣系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，根據(jù)要求我們?cè)O(shè)計(jì)了一套實(shí)用性很強(qiáng)的方案，我們把空壓機(jī)供氣系統(tǒng)的儲(chǔ)氣灌壓力作為控制對(duì)象，用壓力變送器SP采集儲(chǔ)氣罐的壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送給PLC自整定控制儀，與觸摸屏的壓力設(shè)定值SV作比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號(hào)送變頻器，通過(guò)變頻裝置來(lái)控制電機(jī)的工作頻率與轉(zhuǎn)速，從而使實(shí)際壓力P始終接近設(shè)定壓力值SV。通過(guò)變頻器、壓力傳感器與PID自整定控制儀的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成供氣閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)空壓機(jī)的輸出壓力。使每臺(tái)空壓機(jī)的利用率均等，增加系統(tǒng)、管道壓力的穩(wěn)定性和可靠性，方便技術(shù)員控制和維護(hù)設(shè)備。
該恒壓供氣控制系統(tǒng)增加了手動(dòng)自動(dòng)功能，白天和夜間運(yùn)行模式自動(dòng)切換，并保留原有的控制和保護(hù)系統(tǒng)，另外，采用該方案后，空壓機(jī)電機(jī)從靜止到旋轉(zhuǎn)工作可由變頻裝置來(lái)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)沖擊電流和啟動(dòng)給空壓機(jī)帶來(lái)的機(jī)械沖擊。
3.系統(tǒng)配置
硬件采用國(guó)內(nèi)頂尖品牌奧卓爾公司產(chǎn)品：
（1）觸摸屏：VT070-N0CX-N 1臺(tái)
（2）PLC：IVC1-1410 1臺(tái)
（3）A/D模塊：IVC1-2AD 1臺(tái)
（4）變頻器：QD800-160G/185P-4 1臺(tái)
（5）變頻器：QD800-110G/132P-4 1臺(tái)
變頻器參數(shù)：
P0.02=1：設(shè)定為1，運(yùn)行指令由外部端子控制
P0.10=50：最大輸出頻率
P0.12=50：運(yùn)行頻率上限
P0-11=25： 下限頻率設(shè)定為25Hz
P0.03=2： 頻率指令來(lái)源
P0-17=30： 加速時(shí)間設(shè)定為30S，具體數(shù)值根據(jù)工況及生產(chǎn)要求
P0-18=30： 減速時(shí)間設(shè)定為30S，具體數(shù)值根據(jù)工況及生產(chǎn)要求
注：請(qǐng)按實(shí)際工況設(shè)置參數(shù),以上參數(shù)只能供參考。
四、空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能分析
1.節(jié)電率分析
（1）空壓機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即轉(zhuǎn)矩在不同速度下相同的，但所需功率也和速度成正比關(guān)系，所以當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)所需功率也隨之下降，從而達(dá)到節(jié)能的目的。
（2）變頻空壓機(jī)的壓力設(shè)定可以是一點(diǎn)，即可以將滿足生產(chǎn)設(shè)備要求的最低壓力作為設(shè)定壓力，變頻空壓機(jī)將根據(jù)管網(wǎng)壓力上下波動(dòng)的趨勢(shì)，調(diào)節(jié)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢，甚至消除了空壓機(jī)的卸載運(yùn)行，節(jié)約了電能。
（3）由于變頻空壓機(jī)使得管網(wǎng)上下壓力穩(wěn)定，可以降低甚至消除壓力的波動(dòng)，從而使系統(tǒng)中所有運(yùn)行的空壓機(jī)都在一個(gè)滿足生產(chǎn)要求的較低的壓力下運(yùn)行，減少了壓力向上波動(dòng)造成的功率損失。
（4）由于壓縮機(jī)不能排除在滿負(fù)載狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的可能性，所以，只能按最大需求來(lái)決定電動(dòng)機(jī)的容量，故設(shè)計(jì)容量一般偏大。在實(shí)際運(yùn)行中，輕載運(yùn)行的時(shí)間所占的比例是非常高的。如采用變頻調(diào)速，可大大提高運(yùn)行時(shí)的工作效率。因此，節(jié)能潛力很大。
（5）調(diào)節(jié)方式（如調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度和改變?nèi)~片的角度等），即使在需求量較小的情況下，也不能減小電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率。采用了變頻調(diào)速后，當(dāng)需求量較小的情況下，可降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，減小電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
（6）單電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)大多不能根據(jù)負(fù)載的輕重連續(xù)地調(diào)節(jié)。而采用了變頻調(diào)速后，則可以十分方便地進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，能保持壓力、流量、溫度等參數(shù)的穩(wěn)定，從而大大提高壓縮機(jī)的工作性能。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析所掌握的一手?jǐn)?shù)據(jù)，初步預(yù)算節(jié)電率為20%左右。
2.改造后其它各方面優(yōu)越性
（1）可以大量節(jié)約電能；
（2）采用獨(dú)特的空間矢量（SVPWM）調(diào)制方式；
（3）操作簡(jiǎn)單，具有鍵盤(pán)鎖定功能，防止誤操作；
（4）電機(jī)運(yùn)行噪聲大大降低；
（5）供氣壓力平穩(wěn)，提高了壓力控制精度；
（6）空壓機(jī)的加卸載次數(shù)大大減少，降低進(jìn)氣閥運(yùn)行部件的磨損；
（7）具有過(guò)載、過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、電源缺相等自動(dòng)保護(hù)功能；
（8）在保證潤(rùn)滑的前提下，對(duì)機(jī)械方面也是大有益處，由于轉(zhuǎn)動(dòng)速度
大部分時(shí)間在低于原設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的情況下運(yùn)行，各轉(zhuǎn)動(dòng)部件的磨損大降低，空壓機(jī)的使用壽命得以延長(zhǎng)。
綜上所述，采用PID自整定控制儀與變頻器為核心部件構(gòu)成的變頻恒壓供氣系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，為供氣領(lǐng)域的技術(shù)革新，為企業(yè)節(jié)省開(kāi)支、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、減少設(shè)備維護(hù)維修，提高企業(yè)形象等各方面開(kāi)辟了切實(shí)有效的途徑。
節(jié)電：
160KW電機(jī)，運(yùn)行時(shí)間按每天運(yùn)行20小時(shí)，一個(gè)月30天，電機(jī)工作效率按80%計(jì)算，電費(fèi)為0.6元/度，節(jié)電率按分析所得為30%。
每月節(jié)省電費(fèi)=電機(jī)功率×運(yùn)行時(shí)間×電機(jī)工作效率×電費(fèi)×節(jié)電率 = 160 × 20 × 30 × 80% × 0.6 × 20% = 9216元
回收期：
投資÷月節(jié)電 = 63000 ÷ 9216 = 6.83個(gè)月 （約7個(gè)月），故按上述工況計(jì)算分析，成本投資回收期約為7個(gè)月，投資周期短，回報(bào)高。如果每天使用更長(zhǎng)的時(shí)間收回周期會(huì)縮短。
間接經(jīng)濟(jì)效益：
減輕了主送電變壓器的負(fù)擔(dān)、增大了變壓器的寬裕度，因而增加了用戶的負(fù)荷使用容量；延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命20%—30%；提高使用的安全保障，可減少設(shè)備維護(hù)支出25%—50%；可節(jié)約工時(shí)25%—50%。
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