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耗氣設備提供壓縮空氣的設備，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載工況和部分負載工況的功耗指標。

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

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)化控制方式達到進一步節(jié)能的目的，從而在空氣壓縮機的應用領域中實際達到綜合節(jié)能效果。螺桿空壓機的應用范圍比較廣泛，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)實際應用情況綜合分析，以便選擇對應合適的控制方式，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，自動調節(jié)壓縮機進氣閥的開關，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，機組保持滿負荷狀態(tài)運行。

當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，當排氣壓力達到并超過機組卸載壓力，壓縮機轉入卸載運行。啟動/卸載電磁閥處在失電狀態(tài)控制管路導通，它一路氣去關閉進氣閥；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節(jié)壓縮機進氣量的大小，以便達到供需平衡，主要元件包括電磁閥、壓力調節(jié)器、進氣閥等。

當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；當用氣量小于額定排氣量時，控制氣路自動調節(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，進氣閥關閉著，油氣分離器罐中壓力迅速建立；當達到設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）氣量調節(jié)工況8~8.6 bar

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

（4） 卸載工況-壓力超過8.6 bar

當所需用氣量減少或不需用氣時，管線壓力超過設定值8.6 bar時，控制氣路關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。

當管線壓力降至設定的最低壓力時，控制氣路關閉放空閥，打開進氣閥，機組轉換為加載工況運行。

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 變頻調速控制

壓縮機變頻轉速調節(jié)控制是通過改變驅動電機的轉速，進而調節(jié)壓縮機的轉速來調節(jié)排氣量。

變頻壓縮機的氣量調節(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速來配合不斷變化的空氣需求量，以便達到供需平衡。每款變頻機組根據(jù)型號的不同，設定有機組實際運行時變頻器最大輸出頻率及電機最高轉速。當客戶用氣量等于機組的額定排氣量時，變頻機組調節(jié)變頻電機的頻率而提高主機轉速，機組在滿載狀態(tài)下運行；當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速，相應降低進氣量；當客戶停止用氣時，變頻電機的頻率降至最低，同時關閉進氣閥不再進氣，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動電機其額定功率是一定的，但電機的實際軸功率跟其負載、轉速直接相關。壓縮機機組采用變頻調速，在負載降低的情況下同時降低轉速，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，驅動馬達需要為變頻電機，配有變頻器及相應的電控柜，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，電機運轉頻率低，無頻繁

加卸載噪聲。

2.4 滑閥變?nèi)菡{節(jié)

滑閥變?nèi)菡{節(jié)控制方式的工作原理為：通過一個機構去改變壓縮機主機壓縮腔內(nèi)的有效壓縮容積，從而調節(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{節(jié)方式需要改變壓縮機本身的結構。

容積流量調節(jié)滑閥是螺桿壓縮機用來調節(jié)容積流量的一種結構元件，采用這種調節(jié)方式的機器通常稱作變?nèi)輽C。調節(jié)滑閥的設計型式有多種，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的轉動滑閥結構，氣缸壁上開有與轉子螺旋形狀相對應的旁通孔，當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，當它旋轉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)部分負載時的節(jié)能。這種設計方案可以提供連續(xù)的容積流量調節(jié)，一般可以實現(xiàn)的容量調節(jié)范圍是50%~100%。滑閥變?nèi)菡{節(jié)的工作原理示意圖見圖2~4。

螺旋閥結構可用于任何型號的壓縮機，符合人們?nèi)找娉珜У?ldquo;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/卸載調節(jié)、吸氣節(jié)流、電機變頻調節(jié)、變?nèi)菡{節(jié)等，這些調節(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)比較總結出來的比較典型的壓縮機在部分負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{節(jié)、變頻調節(jié)的節(jié)能效果非常明顯。

3.2 變頻調節(jié)與變?nèi)菡{節(jié)對比

壓縮機的經(jīng)濟性應至少從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該優(yōu)選變頻驅動壓縮機或變?nèi)菡{節(jié)壓縮機。

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

（1） 在經(jīng)濟性方面：變?nèi)菡{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：

變頻調節(jié)適用于排氣量30%~100%的調節(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{節(jié)適用于排氣量50%~100%的調節(jié)范圍，而在90%耀100%時節(jié)能效果優(yōu)于變頻調節(jié)。

（3） 在惡劣環(huán)境適應能力：變?nèi)菡{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{節(jié)組合、ON/OFF加載/卸載控制和變頻調速控制組合、變?nèi)菡{速控制和變頻調速控制組合，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。