螺桿空壓機(jī)控制方式優(yōu)缺點(diǎn)與節(jié)能效果對(duì)比

1 引言

當(dāng)前節(jié)能環(huán)保已成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的主要發(fā)展趨勢(shì)，空氣壓縮機(jī)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(yùn)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(lái)空氣壓縮機(jī)發(fā)展的主流趨勢(shì)是什么呢？個(gè)人認(rèn)為，節(jié)能環(huán)保之路將是其中一個(gè)很重要的方向。

2 螺桿壓縮機(jī)各種控制方式

螺桿空壓機(jī)選型時(shí)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(yùn)行時(shí)，空氣壓縮機(jī)并非總是在額定排氣工況下，據(jù)統(tǒng)計(jì)在中國(guó)空氣壓縮機(jī)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(jī)選型時(shí)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(jī)均有排氣量調(diào)節(jié)功能，只是實(shí)現(xiàn)的措施有不同，常見(jiàn)的方式有ON/OFF加載/卸載調(diào)節(jié)、吸氣節(jié)流、電機(jī)變頻、滑閥變?nèi)莸?，這些調(diào)節(jié)方式也可以靈活地組合使用來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在壓縮機(jī)主機(jī)能效一定的情況下，只能從壓縮機(jī)整機(jī)上進(jìn)行優(yōu)化控制方式達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能的目的，從而在空氣壓縮機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域中實(shí)際達(dá)到綜合節(jié)能效果。螺桿空壓機(jī)的應(yīng)用范圍比較廣泛，很難找到一種適合所有場(chǎng)合并完全有效的控制方式，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況綜合分析，以便選擇對(duì)應(yīng)合適的控制方式，以下簡(jiǎn)要介紹4種常見(jiàn)的控制方式包括其主要特點(diǎn)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(jiǎn)單的控制方式，它的功能是根據(jù)客戶用氣量的大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)進(jìn)氣閥的開(kāi)關(guān)，使壓縮機(jī)加載或卸載，以減小供氣壓力的波動(dòng)。該控制中有電磁閥、進(jìn)氣閥、放空閥和控制管線。

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

當(dāng)客戶用氣量小于額定排氣量時(shí)，壓縮機(jī)管路的壓力會(huì)緩慢上升，當(dāng)排氣壓力達(dá)到并超過(guò)機(jī)組卸載壓力，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)入卸載運(yùn)行。啟動(dòng)/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(jìn)氣閥；另一路氣去打開(kāi)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(shí)機(jī)組將在較低的背壓下運(yùn)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(shí)，機(jī)組就繼續(xù)加載運(yùn)行。此時(shí)啟動(dòng)/卸載電磁閥得電，控制管路不導(dǎo)通，機(jī)頭進(jìn)氣閥在吸氣真空作用下保持最大開(kāi)度。如此根據(jù)用戶端用氣量的變化機(jī)器反復(fù)加載、卸載的運(yùn)行。

加載/卸載控制方式的主要特點(diǎn)是主機(jī)進(jìn)氣閥只有完全打開(kāi)、完全關(guān)閉2種狀態(tài)，機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)只有加載、卸載、自動(dòng)停機(jī)3種狀態(tài)。

對(duì)客戶來(lái)說(shuō)，壓縮空氣都是允許多但不允許不足，換言之，空氣壓縮機(jī)的排氣量是允許大，不允許小，因此當(dāng)機(jī)組排氣量大于用氣量時(shí)，空壓機(jī)機(jī)組會(huì)自動(dòng)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(lái)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)進(jìn)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(jìn)氣閥等。

當(dāng)用氣量等于機(jī)組的額定排氣量時(shí)，進(jìn)氣閥完全打開(kāi)，機(jī)組將在滿載狀態(tài)下運(yùn)行；當(dāng)用氣量小于額定排氣量時(shí)，控制氣路自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥的開(kāi)度，控制進(jìn)氣量的大小。

現(xiàn)針對(duì)一臺(tái)工作壓力為8~8.6 bar的壓縮機(jī)機(jī)組運(yùn)行過(guò)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(dòng)工況0~3.5 bar

壓縮機(jī)機(jī)組啟動(dòng)后，進(jìn)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(shí)間會(huì)自動(dòng)切換到滿載狀態(tài)，進(jìn)氣閥靠真空吸氣作用微微打開(kāi)。

（2） 常規(guī)運(yùn)行工況3.5~8 bar

當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)壓力超過(guò)3.5 bar后，沖開(kāi)最小壓力閥使壓縮空氣進(jìn)入供氣管，電腦板實(shí)時(shí)監(jiān)控管線壓力，進(jìn)氣閥完全打開(kāi)。

（3）氣量調(diào)節(jié)工況8~8.6 bar

當(dāng)管線壓力超過(guò)8 bar時(shí)，控制氣路調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥的開(kāi)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(guò)8.6 bar

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

當(dāng)管線壓力降至設(shè)定的最低壓力時(shí)，控制氣路關(guān)閉放空閥，打開(kāi)進(jìn)氣閥，機(jī)組轉(zhuǎn)換為加載工況運(yùn)行。

吸氣節(jié)流控制通過(guò)對(duì)進(jìn)氣閥的開(kāi)度控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，從而減小了壓縮機(jī)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(jī)變頻轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制是通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)排氣量。

變頻壓縮機(jī)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(guò)變頻改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)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(jī)組根據(jù)型號(hào)的不同，設(shè)定有機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)變頻器最大輸出頻率及電機(jī)最高轉(zhuǎn)速。當(dāng)客戶用氣量等于機(jī)組的額定排氣量時(shí)，變頻機(jī)組調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的頻率而提高主機(jī)轉(zhuǎn)速，機(jī)組在滿載狀態(tài)下運(yùn)行；當(dāng)用氣量小于額定排氣量時(shí)，變頻機(jī)組將通過(guò)降低變頻電機(jī)的頻率從而降低主機(jī)轉(zhuǎn)速，相應(yīng)降低進(jìn)氣量；當(dāng)客戶停止用氣時(shí)，變頻電機(jī)的頻率降至最低，同時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣閥不再進(jìn)氣，機(jī)組處于空載狀態(tài)在較低的背壓下運(yùn)行。

壓縮機(jī)變頻機(jī)組配備的驅(qū)動(dòng)電機(jī)其額定功率是一定的，但電機(jī)的實(shí)際軸功率跟其負(fù)載、轉(zhuǎn)速直接相關(guān)。壓縮機(jī)機(jī)組采用變頻調(diào)速，在負(fù)載降低的情況下同時(shí)降低轉(zhuǎn)速，可大大提高輕載運(yùn)行時(shí)的工作效率，同時(shí)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(jī)相對(duì)于工頻壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)需要為變頻電機(jī)，配有變頻器及相應(yīng)的電控柜，因此成本會(huì)比較高。所以選用變頻壓縮機(jī)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(jī)，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(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）節(jié)能效果明顯；

（2） 啟動(dòng)電流小，對(duì)電網(wǎng)沖擊小；

（3） 排氣壓力穩(wěn)定；

（4）機(jī)組噪聲低，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率低，無(wú)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(guò)一個(gè)機(jī)構(gòu)去改變壓縮機(jī)主機(jī)壓縮腔內(nèi)的有效壓縮容積，從而調(diào)節(jié)壓縮機(jī)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(jī)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(jī)本身的結(jié)構(gòu)。

容積流量調(diào)節(jié)滑閥是螺桿壓縮機(jī)用來(lái)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(jī)器通常稱作變?nèi)輽C(jī)。調(diào)節(jié)滑閥的設(shè)計(jì)型式有多種，下面重點(diǎn)介紹某品牌壓縮機(jī)主機(jī)上滑閥變?nèi)輽C(jī)器的工作原理。

如圖1的轉(zhuǎn)動(dòng)滑閥結(jié)構(gòu)，氣缸壁上開(kāi)有與轉(zhuǎn)子螺旋形狀相對(duì)應(yīng)的旁通孔，當(dāng)這些孔沒(méi)有被蓋住時(shí)，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(shí)就可蓋住或打開(kāi)與壓縮腔相連的旁通孔。客戶用氣量減少時(shí)，螺旋閥轉(zhuǎn)動(dòng)打開(kāi)旁通孔，使吸入的部分空氣未經(jīng)壓縮就通過(guò)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(zhǎng)度即降低有效工作容積，所以有效的壓縮功大大降低，實(shí)現(xiàn)部分負(fù)載時(shí)的節(jié)能。這種設(shè)計(jì)方案可以提供連續(xù)的容積流量調(diào)節(jié)，一般可以實(shí)現(xiàn)的容量調(diào)節(jié)范圍是50%~100%。滑閥變?nèi)菡{(diào)節(jié)的工作原理示意圖見(jiàn)圖2~4。

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

3 螺桿空壓機(jī)節(jié)能對(duì)比分析

3.1 各種控制方式綜合對(duì)比

所有的螺桿空壓機(jī)均有氣量調(diào)節(jié)功能，只是實(shí)現(xiàn)的措施有不同，常見(jiàn)的方式有ON/OFF加載/卸載調(diào)節(jié)、吸氣節(jié)流、電機(jī)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(lái)優(yōu)化空壓機(jī)控制方式設(shè)計(jì)。

3.1.1 各種控制方式綜合對(duì)比

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

3.1.2 控制方式排氣量- 軸功率變化曲線對(duì)比

圖5是通過(guò)大量測(cè)試數(shù)據(jù)比較總結(jié)出來(lái)的比較典型的壓縮機(jī)在部分負(fù)載情況下運(yùn)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(duì)比

壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性應(yīng)至少?gòu)?個(gè)方面來(lái)考慮：

（1）壓縮機(jī)是否節(jié)能；

（2）零件的更換周期和零件價(jià)格；

（3）壓縮機(jī)的價(jià)格及購(gòu)買(mǎi)成本。前兩點(diǎn)關(guān)系到

用戶每年為運(yùn)行這一產(chǎn)品而付出的固定費(fèi)用的多少，相對(duì)于第3點(diǎn)來(lái)說(shuō)是大項(xiàng)，在考慮壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮。同時(shí)壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和適用性又是密不可分的，在A場(chǎng)合適用性好又經(jīng)濟(jì)的壓縮機(jī)，不一定適用于B場(chǎng)合，也不一定經(jīng)濟(jì)?？紤]到運(yùn)行成本、用氣量變化很大的場(chǎng)合，選擇螺桿空氣壓縮機(jī)應(yīng)該優(yōu)選變頻驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)或變?nèi)菡{(diào)節(jié)壓縮機(jī)。

變?nèi)菡{(diào)節(jié)壓縮機(jī)與變頻驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)比較如下：

（1） 在經(jīng)濟(jì)性方面：變?nèi)菡{(diào)節(jié)壓縮機(jī)成本優(yōu)勢(shì)明顯，在價(jià)格上具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；變頻機(jī)型的成本一般是變?nèi)輽C(jī)型的1.3倍。

（2） 在節(jié)能效果方面，要看機(jī)器運(yùn)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(shí)節(jié)能效果最佳。變頻機(jī)在靠近工頻機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，其壓縮功耗與工頻機(jī)相近，加上變頻器本身需要消耗2%~3%的能耗，整機(jī)功耗超過(guò)了工頻機(jī)的能耗。也就是說(shuō)，當(dāng)客戶用氣量為額定用氣量的90%以上時(shí)，采用變頻機(jī)反而會(huì)增加能耗。這也是為什么很多客戶幾臺(tái)空壓機(jī)一起使用時(shí)，只選擇其中一臺(tái)為變頻機(jī)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(shí)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(jī)比變頻機(jī)更出色，故障率極低，維護(hù)和修理比變頻機(jī)更方便、容易。

4 結(jié)論

以上分析及螺桿空壓機(jī)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(shí)可減少很多無(wú)謂的浪費(fèi)，但是如何選擇正確的控制方式卻沒(méi)有一定的準(zhǔn)則或公式可資運(yùn)用，仍然得靠經(jīng)驗(yàn)、記錄及試驗(yàn)分析比較來(lái)判斷。很多時(shí)候需要將幾種控制方式結(jié)合在一起運(yùn)用起來(lái)，比較常見(jiàn)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(gè)控制方式的優(yōu)點(diǎn)，以發(fā)揮出最大的節(jié)能效果。