基于系统性能分析的压缩空气系统变频技术研究和应用
秦宏波1，2， 胡寿根1
（1上海理工大学动力工程学院，上海200093；2上海市节能服务中o，上海200040）
摘要：在别我国压缩空气系统能耗和能效现状以及工业中广泛应用的螺杆式空气IⅡ三缩机控制方式和能效特点进行阐述的基础E，列变速驱动的控制原理和对系统能效的影响进行了分析，最后通过实际案例证明变频技术对于提高工业螺杆式空气压缩机系统的能效具有重要意义：
关键词：空气压缩机；变频技术：能效
中图分类号：TH45文献标识码：A文章编号. 1673-6540( 2009) 11-0057-04
0 引 言
由于具有清晰透明、无害无污染、没有危险、易输送等优点，压缩空气已经广泛应用于各个工业领域，甚至被称为第四能源。空气压缩机约占我国全国用电量的百分之9. 4。但是，匪缩空气也是一种很昂贵的能源，运行成本很高，根据全生命周期分析理论，空气压缩机的采购成本只占全生命周期成本的百分之l0左右，而能源成本则占到百分之75左右【1】。根据美国能源部2002年的全球调查结果，全球空气压缩机的．平均负载率百分之79，而中国空气压缩机平均负载率为百分之66，比全球空气压缩机负载率平均值低百分之13，其运行能效与发达国家相比还具有很大的差距。近年来，随着全球能源形势的日益严峻，人们对如何提高用能系统的能源转换效率的关注度逐渐增加，对压缩空气系统的能效问题也进行了一些研究。但目前很多研究人员对如何提高空气压缩机满负荷能效研究很多，但对于空气压缩机系统的运行特点及卒气压缩机如何与系统很好的匹配运行开展系统研究相对较少。通过节能改造，如应用管阿优化技术、变频技术、压力控制技术等，很多压缩空气系统能达到百分之10以上的节能效果。但每个压缩空气系统不同，适用的节能技术不同，不能盲目实施不合适的节能技术。本文通过对工业中应用最为广泛的螺杆式空气压缩机的控制方式及对应的能效特点进行阐述的基础上，分析了变频技术对于提高空气压缩机系统能效的作用。
1 螺杆式空气压缩机控制方式和能效特点
目前工业中应用****泛的压缩杌主要有螺杆式压缩机、往复式压缩机和离心式压缩机，其中螺杆式压缩机由于具有结构简单、安全可靠及易于维护等优点，红工业应用中最为广泛。本文重点对螺杆式空气压缩机的不同控制方式进行分析。
1.1加载／卸载控制
加载／卸载控制是螺杆式压缩机的最早控制方案之一，上载时压缩机将运行在满负荷下，当系统的用气量下降，此时压缩机生产的多余的压缩空气将会使系统的压力升高，当压缩机的控制器测到系统压力达到卸载的压力设定点时，会发出一个信号关闭进气阀。通过关闭进气阀，压缩机空载运行，此时压缩机不生产压缩空气，但电动机仍然处于运行状态，仍将会消耗全负荷时百分之25 -百分之35的功率，这主要消耗于机械损失和维持润滑油系统的正常运行。随着系统压力降低到达较低的上载压力设定点时，控制器会发出信号，重新打开进气阀，同时压缩机再次在满负荷条件下运行。这种压力控制装置可使系统的压力波动控制在0. 07 -0. l MPa范围内。加载／卸载控制空气压缩机负荷功率对比曲线如图1所示。
1.2恒压（调节）控制方式
与加载／卸载控制空气压缩机人口阀只有全开、全闭两种方式不同，恒压（调节）控制的空气压缩机通过微调入几阀的开度来保持系统供气压力的相对稳定。系统压力卜升时空气压缩机进气阀关小，空气压缩机流量降低，压缩比增加。调节压缩机部分载荷操作运行需要的功率比较大，效率明显降低。进气节流控制在完全关闭迸气阀门时，仍将消耗满负荷运行时百分之70的功率，当输气量在满负荷百分之50时，典型的功率消耗值约为满负荷时的百分之80，因此进气节流控制是种很不经济的控制方式。在一个比较大的压缩空气系统中，多台空气压缩机在相同时间低于满载运行，虽然使系统压力非常稳定，但是能效水平式非常低。恒压控制卒气压缩机负荷功率对比曲线见图2。
2 变频控制系统
一般而言，工业中常用的螺杆式空气压缩机所配备的电动机小到22 kW，****可达250 kW，以笼型异步电机为主，属于典型的中小型电动机范围一变频技术能够通过控制电动机转速进而改变压缩机主机的速度来将压缩卒气的供气与用气相匹配，进而达到稳定系统压力，降低系统流量负荷，不仪有利j’生产设备的稳定运行，而且会产生较好的节能效果。
2.1系统构成
变频控制系统（见图3）南电源切换柜、变频器、智能PID拴制器、传感器和空气压缩机组成。系统中安装电源切换柜是为了保汪变频系统出现故障时仍能保证空气压缩机的正常运行。
2.2基本工作原理
变频控制系统是通过安装在压缩宅气系统总管上的压力传感器检测到系统压力的变化传给PID控制器，PID控制器按照设定压力输出…个电流信号送到变频器。当压力传感器检测到的压力信号大于目标压力设定值时，PID控制器输出的信号减弱，使变频器输出频率降低，空气压缩机电动机转速降低，输送到管网的气量减少，系统压力降低；当压力传感器检测到的压力信号小于目标压力没定值时，PID控制器输fI{的信号增强，使变频器输出频率增加，空气压缩机电动机转速上升，空气压缩机输送到管网的气量增加，系统压力升高，从而达到稳定系统压力的目的。
空气压缩机变频控制电动机转速和电源频率的关系可由式(1)表示：
n= 60f(l - s)/p (1)
式中：n——电动机转速；s——电动机转差率； f-电源频率；p-电动机极对数
2.3变速驱动空压机能效特点
与离心式风机、水泵的平方转矩负载不同，空气压缩机属于恒转矩负载：所以，当电动机的功率与转速不是呈近似立方的关系，而是呈近似一次方的关系时，其消耗功率和负荷百分比的变化曲线如图4所示
由于变速驱动过程存在一些内在损耗，因此在选用变速驱动压缩机时必须特别注意。变速驱动控制模式在负荷变化较大且很少处于满载状态的单个压缩机应用场合工作效果****，在多级压缩机应用场合，变速控制压缩机应当只作为调节压缩机使用。这种控制类型在部分负载时效率****，但是当空气压缩机处于连续满负荷运行时，驱动装置的内部损耗使该控制模式的能效反而降低。
3 变颇控制节能原理
根据热力学定律，单级容积式的压缩机完成一个绝热理论循环所消耗的理论功W可表示为：
从式(2)可看出，系统压力波动较大意味着空气压缩机平均排气压力的增加，能耗也随之增加。对于加载／卸载控制方式，在多台空气压缩机并联运行时，每台空气压缩机的****和最小压力设定点与最近的压缩机至少具有0. 014 MPa的差压。按照这种方式进行分级，原来设计的在0. 69-0. 75 Mpa之间运行的系统，在增加压缩机之后系统压力波动范围将进一步增加而导致系统平均供气压力上升，空气压缩机的运行功率也会随之赠加。同时，空气压缩机的数目还会受到****允许的系统压力波动范围的限制，一般加载／空载控制的系统压力波动范围建议不超过0.1 MPa【3-4.】。
根据大量测试结果，在一般工业应用压力需求场合，系统压力每增加0.l MPa，空压机功率会增加百分之6左右，同时对于没有进行压力凋节的用气设备，压缩空气流量会增加 百分之十以上。如果应用变频控制技术，系统压力波动被控制在0.02MPa范围内，将会产生非常大的节能效果，同时，如果系统中存在多台部分负载的加／卸载或恒压控制空气压缩机，节能效果将更为显著。
4 系统性能测试分析
压缩空气系统流量和压力动态变化非常快，
在许多系统中，成百上千的空气负荷随机运行，经常会导致压缩空气系统供气侧和需求侧之间的不平衡，经常表现为系统压力波动范围较大或多台空压机处于部分负载状态运行，这为变频控制的应用提供了很好的机会。但变频控制空气压缩机有一定的控制范围，只有系统的流量波动在其控制范围内，变频控制才能更好地起到节能和稳定系统供气压力的作用。因此，在确定变速驱动是否适合应用于一个压缩空气系统，****方法就是应用专业的压缩空气系统测试记录仪对系统进行全面的测试分析。测试系统主要由数据记录仪、质量流量传感器、压力传感器、功率传感器和计算机五部分组成，如图5所示。其中：数据记录仪用于记录来自流量传感器、压力传感器和功率传感器的数据信号；流量传感器主要用于测试系统流量，建议使用插入式安装的质量流量计；压力传感器用于测试系统的压力变化数据；功率传感器用于测试空气压缩机的功率变化情况；计算机用于记录仪设定和系统数据分析。
通过测试系统可以采集压缩空气系统在24小时甚至一周内（包含平时工作日和周末生产工况）的系统流量、压力和空气压缩机运行功率等参数，在此基础上分析系统流量负荷波动范围和变化特点，进而提出变频控制是否适用，以及采用何种变频控制方案。
5 变频控制案例分析
5.1系统运行概况
上海某厂压缩空气系统由5台英格索兰螺杆式空气压缩机组成，分为两个系统独立运行。
系统1：由2台英格索兰FP200空气压缩机组成，每台机组额定产气量20 m3/min，系统配有冷冻式和吸附式干燥机和1个3m3 干储气罐。系统运行方式为一开一备，恒压控制方式运行，主要供应滤棒车间生产用气。
系统2：由3台英格索兰空气压缩机组成，2台EPIOO和l台EPlOOS，机组额定产气量分别为11.9m3/min和1台10m3/min，系统配有冷冻式干燥机和干、湿储气罐各一个，容量分别为1.5 m3和lm3系统运行方式为一开两备，加／卸载控制方式运行，主要供庞纸板箱车间和包装车间生产用气。
5.2系统测试分析
系统1：据测试结果，该系统总管输出压力波动范围为0.6 bar，超出恒压控制方式的正常压力波动范围，由于系统配置原因，该压缩机目前无法置于加／卸载控制方式运行。另外，该空气压缩机的输出流量范围在0 - 百分之六十之间波动，平均流量约为9.5 m3/min。
系统2：据测试结果，该系统总管压力波动范围为0.4 bar，压缩机输出流量在0- ********之间波动，平均流量约为3.7 m3/min。
5.3 系统优化措施和效果
在系统测试分析基础上采取了如下改造方案。
(1)优化系统管路系统：对两个独立的管路系统进行并网运行，根据系统流量测试结果，在正常生产时，一台20 m3/min的空气压缩机就能满足其峰值负荷需求。
(2)安装高效变频控制系统：对EP200空气压缩机进行一拖二变频控制，不但减少可开机台数，而且提高了一台空气压缩机运行时的效率。
系统优化后，对系统进行了前后切换对比测试，分为独立运行、并网工频远行和并网变频运行三种工况进行，测试空气压缩机总平均功率分别为141. 7 kW、102. 9 kW和64 kW，总节电率为百分之54. 8，其中变频驱动的节电率为百分之27. 5。
6 结 语
通过对螺杆式空气压缩杌原理、不同控制方式能效特点、变频控制原理、对系统能效提高的影响和案例分析可得出如下结论：
(1)目前我国很多压缩空气系统能效具有很大的提升空间；
（2)变速驱动控制应用得当，对于提高压缩空气系统的能效是一种非常有效的控制方式；
(3)是否应用变频技术应在对系统全面诊断分析的基础上确定。
以上说明，随着我国节能减排力度的加强，变频驱动对于推动压缩空气系统能效的提高具有非常重要的意义，具有广阔的应用前景。
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