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 TheAnalysisofFrequencyConversionEnergySavingInCompressorFengdong-sheng(ShanghaiEngineeringResearchCenterofMotorSystemEnergySavingCo.,Ltd.,Shanghai200063,China)Abstract:Thispaperstartwiththefrequencycontrolofcompressor,mainlyintroducestheprojectoffrequencyconversionandmethodofcalculatingenergysavingincompressor.Resultsshowthat,thetechnologyisadvancedandworthpromoting.Keywords:compressor;frequencyconversion;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：9550nMPrr×=211nVkVhd××=式中：rP——压缩机轴功率，kWrM——压缩机输入的平均轴扭矩，N·mn——压缩机轴转速，r/mink——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/min1hV——吸气容积，m31dV——在2n转速下的排气量，m3/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：ykrPPP+=（1）rP——压缩机输入功率（kW）kP——压缩机的空载损耗功率（kW）yP——压缩机的有效功率（kW）ylyPQkP××=（2）k——比例系数Q——压缩空气流量（m3/min）ylP——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，假设机组空载运行时的系统损耗和满载运行时的系统损耗相同（kP），因此工频运行时电机消耗电能的表达式为：满载空载满载工频）（tPtPtPtPPWykkyk×+×=×+×+=（3）工频W——工频运行压缩机的耗能量（kWh）t——压缩机空载、满载运行时间和（h）满载t——压缩机满载运行时间（h）空载t——压缩机空载运行时间（h）机组在变频运行时，根据（2）式可知，在恒压控制时压缩机的输入功率和流量成正比，根据压缩机的工作特性，压缩机组的流量与转速成正比，即与电机的运行频率成正比，由此可得：eeQffQ×=1变频即：eeffQQ1=变频（4）变频Q——压缩机在变频运行时的流量（m3/min）1f——压缩机拖动电机变频运行频率（Hz）ef——电机工频运行频率（Hz）eQ——压缩机在工频运行时的流量（m3/min）压缩机组采用变频运行后，要保证用户的用风量，这样同一运行时间下变频运行的压缩风量应与工频运行相同，因此有：满载变频tQtQe×=×即：ttQQe满载变频=（5）t——工频运行时满载与空载时间和（h）满载t——工频运行时满载运行时间（h）由（4）、（5）式可知：ttffe满载=1（6）从(2)、（4）、（5）式可以看出，由于工、变频运行压力要保持不变（这里忽略工频运行时的压力变化），变频运行时压缩机组的输入功率为：yyPttP×=满载变频即：ttPPy满载变频=（7）变频yP——压缩机在变频运行时的有效功率（kW）yP——压缩机在工频运行时的有效功率（kW）变频运行时电机消耗电能的表达式为：tPPWyk×+=）（变频变频变频（8）变频kP——压缩机在变频运行时的损耗功率（kW）根据机械负载的特点，近似认为机械损耗功率与转速成正比，由（5）、（6）式可知：ttPPkk满载变频×=（9）由（9）、（7）可将（8）式可变换为：满载满载变频满载变频tPtPtPtPWykyk×+×=×+×=（10）变频W——变频运行压缩机的耗能量（kWh）由（3）、（10）式可得到，使用变频后压缩机轴端输入功率减少量为：空载满载变频工频tPttP×=−×=−=Δ)(（11）空载t——工频运行时空载运行时间（h）zWΔ——压缩机轴输入能量节约量（kWh）以上计算得到了压缩机轴输入（电机轴输出）能量节约量，我们假设变频器使用前后的电机效率不变，得到系统耗电量的节约量（节能量）ηzWWΔ=Δ（12）WΔ——压缩机电机节能量（kWh）η——电机运行效率由于压缩机空载时电机的输出功率为：ηϕ××××=COSIUPk空载3（13）U——压缩机电机的运行电压（V）空载I——压缩机电机空载运行时的电机电流（A）ϕCOS——压缩机电机空载运行时电机的功率因数由（11）、（12）、（13）式可以得到：空载空载tCOSIUW××××=Δϕ3（14）这样我们只要检测到压缩机空载运行时的电机电压、电流、功率因数以及某时间段内的压缩机系统的空载运行时间和，就可计算出该时间段内的节能量。以上的计算为理论计算，在计算过程中忽略了一些次要因素，计算结果仅供参考，实际的节能效果要根据实际情况和变频器的设定情况，通过实际测量来确定。4压缩机变频改造案例 4.1压缩机技术参数电机技术参数型号额定功率额定电压额定电流额定转速调速方式数量Y315M2-4160kW400V268.6A1485rpm不调节3Y280S2-475kW400V129.1A1480rpm不调节1压缩机技术参数型号额定流量额定压力类型额定功率满载运行电流空载运行电流MM16026m3/min0.85MPa螺杆式160kW265A120AMM7512.1m3/min0.85MPa螺杆式75kW125A65A备注：1、目前运行采用人工起停的方法控制，风压波动大，有较长的空车时间；2、运行压力要求，不低于0.6MPa；3、目前两台160kW投入运行，在需求量较小时启动一台160kW一台75kW；4、目前运行两台160kW，折算满载空载运行时间为：一台满载运行，一台满载空载运行时间比为1:1。4.2变频改造技术方案该系统是采用一拖四方案，利用一台变频器对四台压缩机进行变频控制，在运行时可根据需要通过人工确定工频、变频运行的压缩机，也可系统智能完成压缩机的循环切换，实现恒压供风。在安装时，保留原压缩机的供电柜，将原压缩机的供电柜输出接到变频控制柜的相对应接触器上，对原压缩机系统的控制进行相应的改造，满足变频运行和工频运行两种工作状态对压缩机控制的要求，实现工频和变频互锁，操作时只需要按原操作方式对压缩机进行操作即可，系统原理图如图2所示。图2变频一拖四控制方案系统示意图在设备运行时，首先选择强制退出运行的压缩机，系统根据投入运行的压缩机自动分配变频运行和工频运行的压缩机，并启动首先变频运行的压缩机，变频器拖动该压缩机组变频启动并运行，当压缩机运行到额定转速时还达不到设定压力，变频控制装置自动将该压缩机切换到工频运行，然后变频启动另一台压缩机并变频运行，变频控制的压缩机组运行频率降低到设定下限，管网压力还高于压力设定值时，装置自动切除工频运行的压缩机，如此循环进行。在一台160kW和一台75kW压缩机能满足要求时，自动将75kW变频运行，160kW工频运行。在变频器需要检修时，可以继续采用工频运行方案。4.3节能计算根据节能分析中的节能量计算公式，每天运行时间按24小时计算，功率因数为0.85，可计算出一个满载、空载周期节约能量为（认为功率因数在空载和满载运行时相同）：8481285.012040033=××××=××××=Δ空载空载tCOSIUWϕ（kWh）目前一个满载—空载周期总耗能为：272185.0122651212040033=××+×××=××+×××=）（）（满载满载空载空载工频ϕCOStItIUW（kWh）因此节电率约为：31%每年运行按330天计算，这样每年可节约电能：279840330=×Δ=WW节约（kWh）电费按0.7元/度计算，年可节约电费：279840×0.7=19.6（万元）5结语在对压缩机进行变频节能改造时，应按恒转矩负载特性考虑。变频节能改造实例表明，对压缩机实施变频调速，具有调速性能好、运行安全可靠、节能效果显著等优点，可以普遍推广到各种具有节能潜力的压缩机应用领域。 参考文献：[1]李文华，韦蕊蕊，张益祥.改善空压机运行的节能技术[J].煤矿机械，2007,28（8）：173-174.[2]马永生