螺桿空壓機控制方式優(yōu)缺點與節(jié)能效果對比

1 引言

當(dāng)前節(jié)能環(huán)保已成為經(jīng)濟社會的主要發(fā)展趨勢，空氣壓縮機是為有關(guān)耗氣設(shè)備提供壓縮空氣的設(shè)備，而且大多數(shù)是連續(xù)運行的，因此其所消耗的能量很大，相應(yīng)的也有很大的節(jié)能潛力空間。

未來空氣壓縮機發(fā)展的主流趨勢是什么呢？個人認(rèn)為，節(jié)能環(huán)保之路將是其中一個很重要的方向。

2 螺桿壓縮機各種控制方式

螺桿空壓機選型時考慮的因素很多，必須照顧到最高耗氣量并考慮一定的余量，但是日常運行時，空氣壓縮機并非總是在額定排氣工況下，據(jù)統(tǒng)計在中國空氣壓縮機的平均負(fù)載只有額定容積流量的79%左右，可以看出壓縮機選型時需要考慮額定負(fù)載工況和部分負(fù)載工況的功耗指標(biāo)。

所有的螺桿空壓機均有排氣量調(diào)節(jié)功能，只是實現(xiàn)的措施有不同，常見的方式有ON/OFF加載/卸載調(diào)節(jié)、吸氣節(jié)流、電機變頻、滑閥變?nèi)莸龋@些調(diào)節(jié)方式也可以靈活地組合使用來優(yōu)化設(shè)計。

在壓縮機主機能效一定的情況下，只能從壓縮機整機上進行優(yōu)化控制方式達(dá)到進一步節(jié)能的目的，從而在空氣壓縮機的應(yīng)用領(lǐng)域中實際達(dá)到綜合節(jié)能效果。螺桿空壓機的應(yīng)用范圍比較廣泛，很難找到一種適合所有場合并完全有效的控制方式，需要根據(jù)實際應(yīng)用情況綜合分析，以便選擇對應(yīng)合適的控制方式，以下簡要介紹4種常見的控制方式包括其主要特點及用途。

2.1 ON/OFF加載/卸載控制

ON/OFF加載/卸載控制是比較傳統(tǒng)、比較簡單的控制方式，它的功能是根據(jù)客戶用氣量的大小，自動調(diào)節(jié)壓縮機進氣閥的開關(guān)，使壓縮機加載或卸載，以減小供氣壓力的波動。該控制中有電磁閥、進氣閥、放空閥和控制管線。

當(dāng)客戶用氣量等于或大于機組的額定排氣量時，啟動/卸載電磁閥處在得電狀態(tài)控制管路不導(dǎo)通，壓縮機主機進氣閥在吸氣真空作用下完全打開，機組保持滿負(fù)荷狀態(tài)運行。

當(dāng)客戶用氣量小于額定排氣量時，壓縮機管路的壓力會緩慢上升，當(dāng)排氣壓力達(dá)到并超過機組卸載壓力，壓縮機轉(zhuǎn)入卸載運行。啟動/卸載電磁閥處在失電狀態(tài)控制管路導(dǎo)通，它一路氣去關(guān)閉進氣閥；另一路氣去打開放空閥讓油氣分離罐中的壓力放空，直至油氣分離器罐內(nèi)部壓力穩(wěn)定（一般是15~35PSI），此時機組將在較低的背壓下運行，保持空載狀態(tài)。

當(dāng)客戶用氣量增加使管路壓力下降到規(guī)定值時，機組就繼續(xù)加載運行。此時啟動/卸載電磁閥得電，控制管路不導(dǎo)通，機頭進氣閥在吸氣真空作用下保持最大開度。如此根據(jù)用戶端用氣量的變化機器反復(fù)加載、卸載的運行。

加載/卸載控制方式的主要特點是主機進氣閥只有完全打開、完全關(guān)閉2種狀態(tài)，機器的運行狀態(tài)只有加載、卸載、自動停機3種狀態(tài)。

對客戶來說，壓縮空氣都是允許多但不允許不足，換言之，空氣壓縮機的排氣量是允許大，不允許小，因此當(dāng)機組排氣量大于用氣量時，空壓機機組會自動的卸載，以保持排氣量和用氣量維持平衡。

2.2 吸氣節(jié)流控制

吸氣節(jié)流控制方式根據(jù)客戶所需的用氣量來調(diào)節(jié)壓縮機進氣量的大小，以便達(dá)到供需平衡，主要元件包括電磁閥、壓力調(diào)節(jié)器、進氣閥等。

當(dāng)用氣量等于機組的額定排氣量時，進氣閥完全打開，機組將在滿載狀態(tài)下運行；當(dāng)用氣量小于額定排氣量時，控制氣路自動調(diào)節(jié)進氣閥的開度，控制進氣量的大小。

現(xiàn)針對一臺工作壓力為8~8.6 bar的壓縮機機組運行過程中的4種工況，分別介紹吸氣節(jié)流控制方式的功能。

（1） 啟動工況0~3.5 bar

壓縮機機組啟動后，進氣閥關(guān)閉著，油氣分離器罐中壓力迅速建立；當(dāng)達(dá)到設(shè)定時間會自動切換到滿載狀態(tài)，進氣閥靠真空吸氣作用微微打開。

（2） 常規(guī)運行工況3.5~8 bar

當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)壓力超過3.5 bar后，沖開最小壓力閥使壓縮空氣進入供氣管，電腦板實時監(jiān)控管線壓力，進氣閥完全打開。

（3）氣量調(diào)節(jié)工況8~8.6 bar

當(dāng)管線壓力超過8 bar時，控制氣路調(diào)節(jié)進氣閥的開度，使排氣量與用氣量相平衡，在此期間排氣量調(diào)節(jié)范圍是50%~100%。

（4） 卸載工況-壓力超過8.6 bar

當(dāng)所需用氣量減少或不需用氣時，管線壓力超過設(shè)定值8.6 bar時，控制氣路關(guān)閉進氣閥并打開放空閥，釋放油氣分離罐中的壓力；機組在很低的背壓下運行，耗能減少。

當(dāng)管線壓力降至設(shè)定的最低壓力時，控制氣路關(guān)閉放空閥，打開進氣閥，機組轉(zhuǎn)換為加載工況運行。

吸氣節(jié)流控制通過對進氣閥的開度控制，進而調(diào)節(jié)進氣量，從而減小了壓縮機的功耗，并降低了頻繁加載/卸載的頻率，因此有一定的節(jié)能效果。

2.3 變頻調(diào)速控制

壓縮機變頻轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制是通過改變驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，進而調(diào)節(jié)壓縮機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)排氣量。

變頻壓縮機的氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功能是根據(jù)客戶用氣量的大小，通過變頻改變電機的轉(zhuǎn)速來配合不斷變化的空氣需求量，以便達(dá)到供需平衡。每款變頻機組根據(jù)型號的不同，設(shè)定有機組實際運行時變頻器最大輸出頻率及電機最高轉(zhuǎn)速。當(dāng)客戶用氣量等于機組的額定排氣量時，變頻機組調(diào)節(jié)變頻電機的頻率而提高主機轉(zhuǎn)速，機組在滿載狀態(tài)下運行；當(dāng)用氣量小于額定排氣量時，變頻機組將通過降低變頻電機的頻率從而降低主機轉(zhuǎn)速，相應(yīng)降低進氣量；當(dāng)客戶停止用氣時，變頻電機的頻率降至最低，同時關(guān)閉進氣閥不再進氣，機組處于空載狀態(tài)在較低的背壓下運行。

壓縮機變頻機組配備的驅(qū)動電機其額定功率是一定的，但電機的實際軸功率跟其負(fù)載、轉(zhuǎn)速直接相關(guān)。壓縮機機組采用變頻調(diào)速，在負(fù)載降低的情況下同時降低轉(zhuǎn)速，可大大提高輕載運行時的工作效率，同時能十分方便地連續(xù)調(diào)節(jié)，保持排氣量和排氣壓力的穩(wěn)定。

變頻壓縮機相對于工頻壓縮機來說，驅(qū)動馬達(dá)需要為變頻電機，配有變頻器及相應(yīng)的電控柜，因此成本會比較高。所以選用變頻壓縮機初次投資成本較大，變頻器本身有功率消耗以及變頻器散熱通風(fēng)限制等原因，只是用戶耗氣量變化范圍大的空氣壓縮機，經(jīng)常處在較低負(fù)載才有選擇變頻器的必要。

變頻壓縮機的主要優(yōu)點如下：

（1）節(jié)能效果明顯；

（2） 啟動電流小，對電網(wǎng)沖擊??；

（3） 排氣壓力穩(wěn)定；

（4）機組噪聲低，電機運轉(zhuǎn)頻率低，無頻繁

加卸載噪聲。

2.4 滑閥變?nèi)菡{(diào)節(jié)

滑閥變?nèi)菡{(diào)節(jié)控制方式的工作原理為：通過一個機構(gòu)去改變壓縮機主機壓縮腔內(nèi)的有效壓縮容積，從而調(diào)節(jié)壓縮機的排氣量。與ON/OFF控制、吸氣節(jié)流控制及變頻控制都屬于壓縮機外部控制的工作原理有所不同，滑閥變?nèi)菡{(diào)節(jié)方式需要改變壓縮機本身的結(jié)構(gòu)。

容積流量調(diào)節(jié)滑閥是螺桿壓縮機用來調(diào)節(jié)容積流量的一種結(jié)構(gòu)元件，采用這種調(diào)節(jié)方式的機器通常稱作變?nèi)輽C。調(diào)節(jié)滑閥的設(shè)計型式有多種，下面重點介紹某品牌壓縮機主機上滑閥變?nèi)輽C器的工作原理。

如圖1的轉(zhuǎn)動滑閥結(jié)構(gòu)，氣缸壁上開有與轉(zhuǎn)子螺旋形狀相對應(yīng)的旁通孔，當(dāng)這些孔沒有被蓋住時，氣體可以從這些孔中排出。所用滑閥也俗稱為“螺旋閥”，閥體是螺旋形狀的，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時就可蓋住或打開與壓縮腔相連的旁通孔?？蛻粲脷?/span>量減少時，螺旋閥轉(zhuǎn)動打開旁通孔，使吸入的部分空氣未經(jīng)壓縮就通過壓縮腔底部的旁通孔流回入口，不參與壓縮，相當(dāng)于降低參與有效壓縮的螺桿長度即降低有效工作容積，所以有效的壓縮功大大降低，實現(xiàn)部分負(fù)載時的節(jié)能。這種設(shè)計方案可以提供連續(xù)的容積流量調(diào)節(jié)，一般可以實現(xiàn)的容量調(diào)節(jié)范圍是50%~100%?；y變?nèi)菡{(diào)節(jié)的工作原理示意圖見圖2~4。

螺旋閥結(jié)構(gòu)可用于任何型號的壓縮機，符合人們?nèi)找娉珜?dǎo)的“綠色工業(yè)”的理念。

3 螺桿空壓機節(jié)能對比分析

3.1 各種控制方式綜合對比

所有的螺桿空壓機均有氣量調(diào)節(jié)功能，只是實現(xiàn)的措施有不同，常見的方式有ON/OFF加載/卸載調(diào)節(jié)、吸氣節(jié)流、電機變頻調(diào)節(jié)、變?nèi)菡{(diào)節(jié)等，這些調(diào)節(jié)方式也可以靈活地組合使用來優(yōu)化空壓機控制方式設(shè)計。

3.1.1 各種控制方式綜合對比

為了更直觀的比較各種控制調(diào)節(jié)方式的特點及性能優(yōu)劣，下面列表說明這幾種氣量調(diào)節(jié)方式見表1。

3.1.2 控制方式排氣量- 軸功率變化曲線對比

圖5是通過大量測試數(shù)據(jù)比較總結(jié)出來的比較典型的壓縮機在部分負(fù)載情況下運行的排氣量-軸功率變化曲線圖，從中可以看出變?nèi)菡{(diào)節(jié)、變頻調(diào)節(jié)的節(jié)能效果非常明顯。

3.2 變頻調(diào)節(jié)與變?nèi)菡{(diào)節(jié)對比

壓縮機的經(jīng)濟性應(yīng)至少從3個方面來考慮：

（1）壓縮機是否節(jié)能；

（2）零件的更換周期和零件價格；

（3）壓縮機的價格及購買成本。前兩點關(guān)系到

用戶每年為運行這一產(chǎn)品而付出的固定費用的多少，相對于第3點來說是大項，在考慮壓縮機的經(jīng)濟性時應(yīng)優(yōu)先考慮。同時壓縮機的經(jīng)濟性和適用性又是密不可分的，在A場合適用性好又經(jīng)濟的壓縮機，不一定適用于B場合，也不一定經(jīng)濟?？紤]到運行成本、用氣量變化很大的場合，選擇螺桿空氣壓縮機應(yīng)該優(yōu)選變頻驅(qū)動壓縮機或變?nèi)菡{(diào)節(jié)壓縮機。

變?nèi)菡{(diào)節(jié)壓縮機與變頻驅(qū)動壓縮機的優(yōu)缺點比較如下：

（1） 在經(jīng)濟性方面：變?nèi)菡{(diào)節(jié)壓縮機成本優(yōu)勢明顯，在價格上具有競爭優(yōu)勢；變頻機型的成本一般是變?nèi)輽C型的1.3倍。

（2） 在節(jié)能效果方面，要看機器運行在何種狀態(tài)下：

變頻調(diào)節(jié)適用于排氣量30%~100%的調(diào)節(jié)范圍，而在30%~90%時節(jié)能效果最佳。變頻機在靠近工頻機額定轉(zhuǎn)速時，其壓縮功耗與工頻機相近，加上變頻器本身需要消耗2%~3%的能耗，整機功耗超過了工頻機的能耗。也就是說，當(dāng)客戶用氣量為額定用氣量的90%以上時，采用變頻機反而會增加能耗。這也是為什么很多客戶幾臺空壓機一起使用時，只選擇其中一臺為變頻機的原因。

變?nèi)菡{(diào)節(jié)適用于排氣量50%~100%的調(diào)節(jié)范圍，而在90%耀100%時節(jié)能效果優(yōu)于變頻調(diào)節(jié)。

（3） 在惡劣環(huán)境適應(yīng)能力：變?nèi)菡{(diào)節(jié)壓縮機比變頻機更出色，故障率極低，維護和修理比變頻機更方便、容易。

4 結(jié)論

以上分析及螺桿空壓機比較常用的4種控制方式，每一種控制方式都有其特性及適用領(lǐng)域，選擇正確的控制方式確實可減少很多無謂的浪費，但是如何選擇正確的控制方式卻沒有一定的準(zhǔn)則或公式可資運用，仍然得靠經(jīng)驗、記錄及試驗分析比較來判斷。很多時候需要將幾種控制方式結(jié)合在一起運用起來，比較常見的有吸氣節(jié)流控制和滑閥變?nèi)菡{(diào)節(jié)組合、ON/OFF加載/卸載控制和變頻調(diào)速控制組合、變?nèi)菡{(diào)速控制和變頻調(diào)速控制組合，這樣充分發(fā)揮各個控制方式的優(yōu)點，以發(fā)揮出最大的節(jié)能效果。