摘   要：空氣壓縮機(jī)是煤礦主要的機(jī)電設(shè)備之一，目前螺桿式空氣壓縮機(jī)被廣泛使用。由于螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行方式是打風(fēng)的時(shí)候加載運(yùn)行、風(fēng)壓夠了的時(shí)候改成減載方式，減載時(shí)電機(jī)空載運(yùn)行，那么電量都被用來(lái)做了無(wú)用功。本文以某煤礦的螺桿式空氣壓縮機(jī)為例，介紹了其通過(guò)變頻器改變電機(jī)頻率來(lái)減低轉(zhuǎn)速，減少空載運(yùn)行時(shí)的電能損耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：空氣壓縮機(jī)；變頻改造；節(jié)能

0  引言

空氣壓縮機(jī)是煤礦主要的機(jī)電設(shè)備之一，煤礦中很多機(jī)械以及用具都是由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的 , 如井下工作面的氣動(dòng)鑿巖機(jī)、風(fēng)鉆、氣動(dòng)裝巖機(jī)、風(fēng)鎬 , 地面上使用的空氣錘等。空氣壓縮機(jī)就是提供壓縮空氣的重要設(shè)備。在煤礦井下，空氣中含有瓦斯，遇到電火花容易引起瓦斯爆炸，所以使用以壓縮空氣為動(dòng)力的設(shè)備，更加安全穩(wěn)定，另外，風(fēng)鎬、風(fēng)鉆及鑿巖機(jī)要求往復(fù)速度高、沖擊力強(qiáng)，最適合使用壓縮空氣作為動(dòng)力?？諝鈮嚎s機(jī)有很多種，常見(jiàn)的有活塞式、滑片式和螺桿式等，目前螺桿式空氣壓縮機(jī)被廣泛應(yīng)用，滑片式和活塞式被逐漸淘汰。

1  空壓機(jī)變頻改造的必要性

通過(guò)近年來(lái)對(duì)各個(gè)礦井的空氣壓縮機(jī)進(jìn)行的安全檢測(cè)及節(jié)能監(jiān)測(cè)，我們發(fā)現(xiàn)活塞式空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率在額定功率的 90% 左右，排氣量在額定的 85% 到 90%，而螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率基本接近額定功率，排氣量基本在額定的 95% 以上。由此可見(jiàn)，活塞式空壓機(jī)效率偏低，螺桿式空壓機(jī)效率較高。因此，近幾年正逐漸淘汰活塞式空壓機(jī)，改用螺桿式空壓機(jī)。雖然螺桿式空壓機(jī)的效率高，但是經(jīng)過(guò)幾年來(lái)的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，普遍螺桿空壓機(jī)的運(yùn)行電流都接近額定電流，運(yùn)行功率等于甚至超過(guò)額定功率，這樣長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行對(duì)電機(jī)的負(fù)擔(dān)很重，增加了故障率和損壞率。由于礦井用風(fēng)量是不確定的，隨時(shí)變化，空壓機(jī)可能在滿負(fù)荷狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，所以選型時(shí)會(huì)按大需求量來(lái)確定空壓機(jī)和電機(jī)的容量，造成空壓機(jī)系統(tǒng)余量一般偏大。傳統(tǒng)的空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電流會(huì)達(dá)到額定電流的 2～3 倍，對(duì)電網(wǎng)的沖擊很大。并且大多數(shù)空壓機(jī)是連續(xù)運(yùn)行的，一般空壓機(jī)的電機(jī)本身不能隨著管網(wǎng)壓力變動(dòng)而變動(dòng)，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)降速，導(dǎo)致在用氣量少的時(shí)候，空壓機(jī)會(huì)改變運(yùn)行方式，變成空載運(yùn)行，造成巨大的電能浪費(fèi)。空壓機(jī)的運(yùn)行成本由三項(xiàng)組成：設(shè)備投資、維護(hù)費(fèi)用和電費(fèi)。比例如圖 1 所示。

圖1  空壓機(jī)運(yùn)行成本組成

根據(jù)上述問(wèn)題，如果能使空壓機(jī)根據(jù)需要的風(fēng)量風(fēng)壓自動(dòng)調(diào)節(jié)，使運(yùn)行功率隨需要的風(fēng)量風(fēng)壓變化而自動(dòng)變化，就可以節(jié)能減耗，還能減少對(duì)電機(jī)的損耗。

2  空壓機(jī)變頻改造

2.1 空壓機(jī)變頻技術(shù)的應(yīng)用

螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行方式是加載和減載方式交替進(jìn)行，加載時(shí)向管網(wǎng)內(nèi)打風(fēng)，減載時(shí)電機(jī)空載運(yùn)行，所以在減載的時(shí)候電量都被浪費(fèi)了。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速本身是不能改變的，只有通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的頻率來(lái)調(diào)節(jié)運(yùn)行轉(zhuǎn)速。變頻控制就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)輸入電源的頻率來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制空壓機(jī)單位時(shí)間的出風(fēng)量，達(dá)到控制管路的壓力的目的。某煤礦首先引進(jìn)了變頻技術(shù)，壓縮機(jī)組的供氣量與系統(tǒng)所需風(fēng)量動(dòng)態(tài)匹配，根據(jù)系統(tǒng)用氣量來(lái)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，避免了電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行以及頻繁的加卸載所帶來(lái)的能量損耗和對(duì)電網(wǎng)的沖擊，使電機(jī)的輸入功率大大降低。

2.2 空壓機(jī)變頻節(jié)能的原理

近幾年來(lái)變頻調(diào)速技術(shù)迅速發(fā)展，并在許多領(lǐng)域中都發(fā)揮了重要的作用。變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

空氣壓縮機(jī)的變頻節(jié)能原理是通過(guò)測(cè)量裝置測(cè)得的管網(wǎng)壓力值與設(shè)定的壓力（即給定值）相比較，得到偏差，經(jīng) PID 調(diào)節(jié)器計(jì)算出變頻器作用于異步電動(dòng)機(jī)的頻率值。由變頻器輸出相應(yīng)頻率和幅值的交流電，以此來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使空壓機(jī)輸出至風(fēng)包的壓縮空氣的氣量隨之變化，這樣就會(huì)使管網(wǎng)內(nèi)的壓力產(chǎn)生變化，直到管網(wǎng)壓力與給定壓力值相同?？諌簷C(jī)變頻節(jié)能系統(tǒng)原理如圖 2 所示。

圖2  空壓機(jī)變頻節(jié)能系統(tǒng)原理框圖

2.3 變頻改造后的空壓機(jī)運(yùn)行情況

根據(jù)空壓機(jī)運(yùn)行特性知：

Q1/Q2=N1/N2

F1/F2=(N1/N2)2

P1/P2=(N1/N2)3

式中：Q 為空壓機(jī)輸出的風(fēng)量；F為管網(wǎng)內(nèi)的壓力；P為電動(dòng)機(jī)消耗的輸入功率；N為空壓機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。

即對(duì)于空壓機(jī)來(lái)說(shuō)，電機(jī)頻率與轉(zhuǎn)速成正比，供氣量Q與轉(zhuǎn)速N成正比，氣壓F與轉(zhuǎn)速N 的二次方成正比，而功率與轉(zhuǎn)速N的三次方成正比，比例關(guān)系如表 1 所示。

表1 電機(jī)頻率與供氣量、氣壓、功率比例表

2.4 變頻改造后的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析

以一臺(tái)螺桿式空氣壓縮機(jī)為例，計(jì)算節(jié)能改造后能節(jié)約多少電費(fèi)。該空壓機(jī)規(guī)格型號(hào)參數(shù)如表2 所示。

表2  空壓機(jī)及所配電機(jī)規(guī)格參數(shù)

在電源頻率為 50 Hz 下空載運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)消耗的功率為：

P50 =UeIk=1.732x380x（433x30%）

=85.5（kw）

式中：P50 為工頻50 Hz下空載運(yùn)行時(shí)電機(jī)消耗的功率；Ue 為工頻 50 Hz 下的電動(dòng)機(jī)的電壓；Ik為工頻50 Hz下空載運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)的空載電流（按額定電流的 30% 計(jì)算）。當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)由工頻 50 Hz 改為變頻 30 Hz 后，電壓與頻率成正比：

即 U30/U50=f30/f50，得到

U30=（U50f30）/f50=0.6 U50

式中：U30為在電源頻率為 30 Hz 時(shí)電動(dòng)機(jī)的電壓；U50 為在電源頻率為 50 Hz 時(shí)電動(dòng)機(jī)的電壓；f30為電源頻率為 30 Hz；f50為電源頻率為 50 Hz。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)由工頻 50 Hz 改為變頻 30 Hz 后，電動(dòng)機(jī)的輸出力矩與電壓的平方成正比：

即 M30/M50=(U30/U50)2,

得到 M30=M50(U30/U50)2=0.62M50=0.36M50

式中：M30為在電源頻率為 30 Hz 時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出力矩；M50 為在電源頻率為 50 Hz 時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出力矩。當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)由工頻 50 Hz 改為變頻 30 Hz 后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率成正比：

即 N30/N50=f30/f50，得到

N30=（N50f30）/f50=0.6 N50

式中：N30為在電源頻率為 30 Hz 時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；N50 為在電源頻率為 50 Hz 時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

那么在變頻 30 Hz 下空載運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)消耗的功率為：

P30=M30N30=(0.36M50)(0.6N50)=0.216P50

=18.5 kW

通過(guò)以上計(jì)算可知工頻 50 Hz 空載運(yùn)行改為變頻 30 Hz空載運(yùn)行能節(jié)約功率：

P節(jié)=P50-P30=85.5-18.5=67kW

以空載率10%，每天工作24小時(shí)，一年365天，電費(fèi)0.5元/kWh計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)為：

Fd=10%(P50-P30)hdfd=0.1×67×24×365×0.5

=29346 元

式中：Fd為每年節(jié)約的電費(fèi)總額；H為每天的工作時(shí)間；D為每年的工作天數(shù)；Fd為電費(fèi)單價(jià)。即一臺(tái)空壓機(jī)改造完成后每年大約節(jié)省 29 346 元電費(fèi)。

3  結(jié)語(yǔ)

由此可見(jiàn)變頻節(jié)能技術(shù)在空壓機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)帶來(lái)多么可觀的經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)家一直提倡節(jié)能減排，尤其在重點(diǎn)耗能單位，必須有必要的節(jié)能減排措施。近年來(lái)，各個(gè)礦井紛紛引進(jìn)變頻調(diào)控技術(shù)，目前主要應(yīng)用在主提升機(jī)系統(tǒng)中，節(jié)能效果好，已經(jīng)收到良好的效益。相信在不久的將來(lái)，空氣壓縮機(jī)、提升機(jī)等高耗能設(shè)備都會(huì)應(yīng)用變頻技術(shù)達(dá)到節(jié)能的目的。