空压机变频节能及余热回收方案

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1空压机变频节能改造

1.1企业空压机系统基本情况介绍

某某科技（深圳）有限公司共有五台空气压缩机，其中三台用于A栋厂房，两台螺杆式空压机37kW、型号：OGFD37；一台活塞式空压机15kW、型号：AW19008。供A栋厂房冲压车间、自动组装机以及研发部门用气。另外两台螺杆式空压机22kW、型号：OGFD22，供C栋厂房注塑车间、机加工车间、组装、包装车间用气。

1.2空压机变频节能改造分析

一：原空压机系统工况的问题分析

1. 主电机虽然以星-角降压起动，但起动时的电流仍然很大，会影响电网的稳定及其它用电设备的运行安全。

2. 主电机时常空载运行，属非经济运行，电能浪费最为严重。

主电机工频运行致使空压机运行时噪音很大。

3. 主电机工频起动设备的冲击大，电机轴承的磨损大，所以对设备的维护量大。

空压机节能改造的必要性：

鉴于以上对空压机的原理说明以及目前的工况分析，我们认为对空压机的节能降噪改造是必要的，这样不仅能够节约大量的运行费用，降低生产成本，同时还可以降低空压机运行时产生的噪音，减少设备维护费用。

二：螺杆式空压机的工作原理介绍

单螺杆空压机空气压缩机工作原理，如图1所示为单螺杆空气压缩机的结构原理图。螺杆式空气压缩机的工作过程分为吸气、密封文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑.欢迎下载支持.

1文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑. 及输送、压缩、排气四个过程。当螺杆在壳体内转动时，螺杆与壳体的齿沟相互啮合，空气由进气口吸入，同时也吸入机油，由于齿沟啮合面转动将吸入的油气密封并向排气口输送；在输送过程中齿沟啮合间隙逐渐变小，油气受到压缩；当齿沟啮合面旋转至壳体排气口时，较高压力的油气混合气体排出机体。

图1 单螺杆空气压缩机原理图

三：压缩气供气系统组成及空压机控制原理

⑴、压缩气供气系统组成

工厂空气压缩气供气系统一般由空气压缩机、过滤器、储气罐、干燥机、管路、阀门和用气设备组成。如图2所示为压缩气供气系统组成示意图。

图2 压缩气供气系统组成示意图

⑵、空气压缩机的控制原理

工厂的空气压缩机控制系统中，普遍采用后端管道上安装的压力继电器来控制空气压缩机的运行。空压机启动时，加载阀处于不工作态，加载气缸不动作，空压机头进气口关闭，电机空载启动。当空气压缩机启动运行后，如果后端设备用气量较大，储气罐和后端管路中压缩气压力未达到压力上限值，则控制器动作加载阀，打开进气口，电机负载运行，不断地向后端管路产生压缩气。如果后端用气设备停止用气，后端管路和储气罐中压缩气压力渐渐升高，当达到压力上限设定值时，压力控制器发出卸载信号，加载阀停止工作，进气口关闭，电机空载运行。

四：螺杆式空气压缩机变频改造

⑴、空压机工频运行和变频运行的比较

空压机电机功率一般较大，启动方式多采用空载（卸载）星-三角启动，加载和卸载方式都为瞬时。这使得空压机在启动时会有较大的启动电流，加载和卸载时对设备机械冲击较大；不光引起电源电压波动，也会使压缩气源产生较大的波动；同时这种运行方式还会加速设备的磨损，降低设备的使用年限。 文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑.欢迎下载支持.

1文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑. 对空压机进行变频改造，能够使电机实现软起软停，减小启动冲击，延长设备使用年限；同时由于电机运行频率可变，实现了空压机根据用气量的大小自动调节电机转速，减少了电机频繁的加载和卸载，使得供气系统气压维持恒定，在一定程度上节约了电能。

⑵、空压机主电路和控制电路的变频改造

空压机采用星-三角启动方式，在其控制电路上有加载继电器。在主电路改造时，将变频器串接进原有的电源进线中；并适当修改控制回路，实现变频器的启停。

图3 空压机电气原理图

⑶、空压机变频改造后的启动和运行方式

空压机变频改造后，电机启动时原有的交流接触器仍然由其控制PLC按星-三角方式动作，但在交流接触器连接为星型时，角形交流接触器的常开触点没有闭合，变频器不启动、无输出；当PLC控制交流接触器转换为三角形接法后，变频器开始空载变频启动电机。当变频器启动电机完成后，变频器自动变频运行。

五、螺杆式空气压缩机变频改造后的工频运行

在考虑变频器发生故障或是检修时，空压机能按原有的工频控制方式运行，这保证了空压机在变频和工频状态下都可以运行，也使得改造时可以不用重新编写PLC程序，为此增加了一套工频、变频自由切换电路，以方便系统的切换。

图4 工频、变频转换示意图

六、螺杆式空气压缩机变频改造节能分析

如式1所示拉力F与摩擦力F`大小相等、方向相反，拉力F在时间T内拉动物体做直线运动，移动位移S。拉力F在时间T内作的功率P为

vFvFTSFTWP` （式1）

由数学知识可知线速度v和旋转角速度ω之间的关系如式2所示,式中f为旋转体的旋转频率。 文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑.欢迎下载支持.

1文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑. frrv2 （式2）

将式2代入式1可以求得旋转物体摩擦阻力功率如式3所示

frFrFvFP2``` （式3）

由式3可以知道,克服旋转体的摩擦阻力使旋转体匀速转动,需要向旋转体提供的功率按式3公式计算（忽略机械效率损失，认为η为1）。式3中F`为旋转体的旋转摩擦阻力，r为旋转体的旋转半径，f为旋转体的旋转频率。所以我们可以在忽略空气压缩机机械效率损失，同时忽略空压机机械效率因为电机转速变化而变化的情况下，即始终认为空压机机械效率η为1，可以近似地认为变频器的输出功率与空压机电机的转速成正比，即成一次方正比例关系。

图5 空压机工频运行时的转速/功率-周期示意图

图6 变频运行时的转速/功率-周期示意图

如图5所示是螺杆式空压机工频运行时的转速/功率-周期示意图。t1是空压机加栽运行时间，t2是空压机卸栽运行时间，加栽/卸栽时的转速和功率分别为P1/n1和P2/n2。忽略空压机机械效率η的变化，W1和W2分别为空压机加栽运行时间t1和卸栽运行时间t2中由电源输送给空压机电机的能量。其中W1转换为压缩空气势能、动能和热能等形式的能量，供设备使用。而W2则转换为机械的摩擦热能和声音、震动等形式的能量损失掉。

所以螺杆式空压机经过变频改造后，由于电机处于变速运行情况下，而通过式3的推导知道电机的平均功率与电机的平均转速成一次方正比例关系。空压机变频改造后，是根据用气系统的用气量恒压变流供气；所以变频改造后，空压机在周期T（t1+ t2）内所作的功W，等于同等工况下，空压机工频运行时，加载运行时间t1内所作的功W1。如图5-6所示。

通过以上分析，只要知道螺杆式空压机工频改造前卸载运行时间和卸载电流，就可以大致计算出，相同工况下变频改造后的节能功率和节能电量（备注：忽略机械效率η的变化）。 文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑.欢迎下载支持.

1文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑. 1.3 空压机变频节能改造效益分析

某某科技（深圳）有限公司的五台空气压缩机，两台螺杆式空压机OGFD37；两台螺杆式空压机OGFD22；一台活塞式空压机AW19008在用气量大、供气量不足时才开机联网供气。现对四台螺杆式空压机进行变频改造。测试数据见表1

表1 空压机空载实测数据

空压机型号 额定功率

（kW） 加载、卸载时间比 电流

（A） 电压

（V） 功率因数

Cosα 数量

（台）

OGFD37 37 9：2 15.4 386 0.86

2

OGFD22 22 11：3 8.6 391 0.89 2

根据1.2第“六”部分变频改造节能量计算推导，“空压机变频改造后，在周期T（t1+ t2）内所作的功W，等于同等工况下，空压机工频运行时，加载运行时间t1内所作的功W1”，

某某科技（深圳）有限公司的空压机每天工作约10h，一年工作约312d，企业平均电价0.84元/kWh。对4台（两台37kW、两台22kW）进行变频改造。

年可节约的电量：tUIWcos3

=1.732×386V×14.4A×0.86×2台×10h×2/11×300d+1.732×391V×8.6A×0.89×2台×10h×3/14×312d ≈16976 kWh

年可节约电费：16976 kWh×0.84元/kWh=14259元

表2 空压机变频改造费用及回收期计算

费用名称 金额（人民币） 单位：元 备注

变频改造费 850×（37+22）=50150 变频改造费约：850元/kW；

可采取变频器一拖二 文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑.欢迎下载支持.

1文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑. 投资回收期 50150元÷14259元/年≈3.5年

2空压机余热回收

2.1企业空压机系统排气介绍

某某科技（深圳）有限公司共有五台空气压缩机，其中三台用于A栋厂房，两台螺杆式空压机37kW、型号：OGFD37，排气温度≥87℃；一台活塞式空压机15kW、型号：AW19008。另外两台螺杆式空压机22kW、型号：OGFD22，排气温度≥92℃，供C栋厂房注塑车间、机加工车间、组装、包装车间用气。所有空压机余热没有回收装置，且宿舍有用热水的需求，某某科技（深圳）有限公司共有员工620人。

2.2空压机余热回收技术介绍

一、技术背景

螺杆式空气压缩机的工作流程如下：空气通过进气过滤器将大气中的灰尘或杂质滤除后，由进气控制阀进入压缩机主机，在压缩过程中与喷入的冷却润滑油混合，经压缩后的混合气体从压缩腔排入油气分离罐，从而分别得到高温高压的油、气。由于机器工作温度的要求，这些高温高压的油、气必须送入各自的冷却系统，其中压缩空气经冷却器冷却后，最后送入使用系统；而高温高压的润滑油经冷却器冷却后，返回油路进入下一轮循环。

在以上过程中，高温高压的油、气所携带的热量大致相当于空气压缩机功率的1/4，其温度通常在80℃～100℃之间。螺杆式空气压缩机通过其自身的散热系统来给高温高压的油、气降温的过程中，大量的热能就被无端的浪费了。

为了充分利用螺杆式空压机所产生的余热，应采用余热利用技术，利用余热回收装置对螺杆式空气压缩机所产生的高温高压的气体