孫潤(rùn)喜

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2104-5640-5079

摘? 要：本文首先介紹了空壓機(jī)基本結(jié)構(gòu)，其次分析了空壓機(jī)油潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)中散熱器上的兩臺(tái)風(fēng)扇耗能情況，提出了對(duì)2臺(tái)以上大型空壓機(jī)群組散熱器風(fēng)冷系統(tǒng)改造，風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)工藝進(jìn)行升級(jí)改造，增加循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，以ABB變頻器控制循環(huán)泵為主體，西門子200SMART可編程控制器為核心，配套觸摸屏人機(jī)界面和溫度傳感器及壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的恒溫控制，最終達(dá)到節(jié)能的效果。

關(guān)鍵詞：空壓機(jī)? 空氣壓縮原理? 變頻器? 觸摸屏? 可編程邏輯控制器? 無(wú)人值守? 節(jié)能

中圖分類號(hào)：U216.66? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（a）-0086-05

Frequency Conversion Energy-Saving Retrofit Technology for Air-Cooling System of Air Compressor Radiator

SUN Runxi

（Shaanxi Rongcheng Intelligent Control Electromechanical Technology Co.， Ltd.， Xi'an， Shaanxi Province， 710043? China）

Abstract： This paper firstly introduces the basic structure of the air compressor， and then analyzes the energy consumption of two fans on the radiator in the air compressor oil lubrication cooling system， and proposes to dissipate heat for a group of more than 2 large air compressors. The air-cooling system of the device is transformed， the fan cooling system technology is upgraded， and the circulating water cooling system is added. The circulating pump is controlled by the ABB frequency converter as the main body， the Siemens 200SMART programmable controller is the core， and the touch screen man-machine interface， temperature sensor and pressure sensor are provided. ， Realize the constant temperature control of the cooling system， and finally achieve the effect of energy saving.

Key Words： Air compressor; Air compression principle; Frequency converter; Touch screen; Programmable logic controller; Unattended; Energy saving

隨著制造業(yè)工業(yè)化水平的不斷提高，氣源的需求不斷增加。分析氣源系統(tǒng)的能耗，研究壓縮空氣設(shè)備使用的工況，制定行之有效的氣源設(shè)備節(jié)能措施，對(duì)氣源節(jié)能非常重要。

1? 空壓機(jī)原理介紹

能源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)條件基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力來(lái)源[1]，壓縮空氣是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的能源。典型的空氣壓縮系統(tǒng)是由壓縮生產(chǎn)、儲(chǔ)罐儲(chǔ)備、輸送管網(wǎng)、設(shè)備消耗4個(gè)環(huán)節(jié)組成。如圖1所示，空氣經(jīng)過濾器后進(jìn)入壓縮機(jī)，與壓縮機(jī)內(nèi)潤(rùn)滑油混合并被壓縮產(chǎn)生高溫高壓的氣體，隨后經(jīng)過油氣分離器，被分離出來(lái)的壓縮空氣通過后散熱器冷卻進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，進(jìn)而被打入用氣管網(wǎng)供末端使用[2]。

螺桿壓縮機(jī)是容積式的壓縮機(jī)，依據(jù)安裝在壓縮機(jī)體腔內(nèi)2組平行齒輪轉(zhuǎn)子的齒槽間空間體積變化形成空氣壓縮。齒輪轉(zhuǎn)子的齒槽在體腔內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子齒槽之間的氣體由于容積逐漸變小被壓縮，并由進(jìn)氣側(cè)移送到排氣側(cè)，完成吸氣、空氣壓縮、排氣循環(huán)過程?？諌簷C(jī)的動(dòng)力來(lái)源于三相異步電動(dòng)機(jī)，通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主機(jī)工作，安裝在體腔內(nèi)的噴油嘴在壓力作用下噴出經(jīng)過散熱器冷卻后的潤(rùn)滑油，對(duì)工作部件進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，在體腔內(nèi)形成油氣混合物，排出體腔后經(jīng)過粗細(xì)兩道分離過程，最終將油氣混合物中的潤(rùn)滑油分離出來(lái)，形成較潔凈的壓縮氣體。

螺桿空壓機(jī)作為連續(xù)運(yùn)行機(jī)械設(shè)備，各個(gè)部件之間相互協(xié)作的集成系統(tǒng)，在精密機(jī)械零件的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其與傳感器和控制系統(tǒng)集成，以達(dá)到系統(tǒng)性能最佳[3]。在電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下，壓縮機(jī)體腔在進(jìn)氣側(cè)形成負(fù)壓真空區(qū)，吸入空氣進(jìn)到齒槽間，轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，齒槽間隙縮小，空氣不壓縮，溫度升高，經(jīng)過噴油嘴區(qū)域時(shí)，噴入潤(rùn)滑油，形成油氣混合物，齒槽間隙繼續(xù)縮小，油氣混合物繼續(xù)被壓縮，在排氣側(cè)附近形成高壓區(qū)，到達(dá)排氣口排出。潤(rùn)滑油附著在主機(jī)體腔內(nèi)各個(gè)部件表面，形成油膜，有效地保護(hù)工作部件及腔體的磨損，同時(shí)也達(dá)到密封和降溫的效果。分離出來(lái)的熱油經(jīng)過散熱器風(fēng)冷降溫后循環(huán)使用。空壓機(jī)工作流程如圖2所示。

2? 空氣壓縮原理

2.1 吸氣過程

螺桿式的進(jìn)氣側(cè)吸氣口，可以使壓縮室充分的吸氣，在齒槽間隙經(jīng)過進(jìn)氣口時(shí)，其容積最大，形成負(fù)壓真空帶，在壓力作用下完成吸氣過程。

2.2 密封及送氣過程

齒槽間隙轉(zhuǎn)過進(jìn)氣口后，空氣被密封在齒溝內(nèi)。隨著齒輪的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，齒槽間隙空間縮小，空氣被壓縮并推向排氣側(cè)，從而完成由“密封”到“送氣”過程。

2.3 壓縮油氣混合物形成過程

轉(zhuǎn)子齒輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)過程中，齒槽間隙逐漸縮小，密封的空氣逐漸被壓縮，壓力增大，溫度升高，經(jīng)過噴油嘴區(qū)域時(shí)，潤(rùn)滑油系統(tǒng)噴油，形成油氣混合物。

2.4 排氣過程

齒槽間隙旋轉(zhuǎn)到排氣側(cè)時(shí)，形成的高壓油氣混合氣體，經(jīng)過排氣口時(shí)在壓力作用下，排出空壓機(jī)體腔，完成排氣過程。

2.5 連續(xù)準(zhǔn)備過程

排氣完成時(shí)齒槽間隙空間最小，轉(zhuǎn)子齒輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)齒槽間隙轉(zhuǎn)過排氣口后，齒槽間隙開始逐漸增大，容積逐漸變大的密封空間，壓力就會(huì)下降，最終形成負(fù)壓真空帶，為吸氣過程做好準(zhǔn)備。

3? 空壓機(jī)電機(jī)的工作方式

3.1 固定轉(zhuǎn)速方式

采用星三角啟動(dòng)或降壓?jiǎn)?dòng)，工頻運(yùn)行，壓力傳感器配合加載和卸載閥來(lái)控制空壓機(jī)的供氣。

3.2 變頻運(yùn)行方式

采用變頻器啟動(dòng)變頻運(yùn)行、壓力傳感器恒壓控制，減少加載和卸載動(dòng)作，變頻節(jié)能運(yùn)行供氣。

4? 螺桿空壓機(jī)的散熱器冷卻系統(tǒng)

此系統(tǒng)主要有兩種方式：軸流風(fēng)機(jī)冷卻方式和水循環(huán)冷卻方式。

4.1 軸流風(fēng)機(jī)冷卻方式

安裝在散熱器上的軸流風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)空氣吹向散熱片，熱的潤(rùn)滑油經(jīng)過散熱器時(shí)，熱量傳遞到散熱片上，被快速流動(dòng)空氣帶走，達(dá)到散熱降溫的效果。

4.2 水循環(huán)冷卻方式

水循環(huán)冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵是冷卻水溫的控制，循環(huán)水溫要控制在空壓機(jī)能夠穩(wěn)定工作狀態(tài)的溫度，對(duì)水質(zhì)要進(jìn)行軟化處理。冷卻塔、循環(huán)泵、冷卻系統(tǒng)管網(wǎng)及散熱器等須定期進(jìn)行維護(hù)清理，使水循環(huán)冷卻系統(tǒng)工作安全可靠。冬季機(jī)組停機(jī)后，注意排水，防止散熱器凍裂;夏季水循環(huán)冷卻系統(tǒng)在持續(xù)工作時(shí)要防止缺水。

4.3 兩種冷卻方式不足

軸流風(fēng)機(jī)冷卻方式受散熱器上散熱片導(dǎo)熱及透氣性影響，如果散熱片長(zhǎng)期沒有清理維護(hù)，透氣性能下降或者周圍空氣流動(dòng)性很差，導(dǎo)致散熱效果不好，會(huì)使?jié)櫥蜏囟冗^高而頻繁報(bào)警，嚴(yán)重時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)。因此應(yīng)定期對(duì)散熱片進(jìn)行維護(hù)清理，保持散熱器散熱表面清潔，改善散熱片周圍空氣流動(dòng)方向，使散熱片的散熱效果達(dá)到最佳狀態(tài)。水循環(huán)冷卻方式對(duì)水溫的要求非常嚴(yán)格，同時(shí)受季節(jié)變化影響，夏季要加強(qiáng)循環(huán)水的降溫措施;冬季要防止水溫過低導(dǎo)致潤(rùn)滑油過涼而變得粘稠，不利于空壓機(jī)的潤(rùn)滑冷卻。油冷卻系統(tǒng)出了問題會(huì)導(dǎo)致油溫過高潤(rùn)滑效果降低，滑油品質(zhì)下降，空壓機(jī)工況惡化，排氣量減少等問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成空壓機(jī)缸體和轉(zhuǎn)子齒輪磨損甚至損壞。

5? 空壓機(jī)潤(rùn)滑油的散熱器軸流風(fēng)機(jī)冷卻方式能耗測(cè)算

螺桿空壓機(jī)潤(rùn)滑油的散熱器軸流風(fēng)機(jī)冷卻方式中冷卻風(fēng)扇一般為2組/臺(tái)，以阿特拉斯160kW空壓機(jī)為例，散熱器配2組7.5kW三相風(fēng)扇，開機(jī)工頻持續(xù)運(yùn)行，能耗測(cè)算如下：

每小時(shí)耗電量計(jì)算：

每年按310d計(jì)算年總耗電量：

這只是1臺(tái)小型空壓機(jī)軸流風(fēng)機(jī)冷卻方式的能耗測(cè)算，如果是空壓機(jī)群組，則能耗累計(jì)相當(dāng)可觀。如果能對(duì)空壓機(jī)潤(rùn)滑油的散熱器風(fēng)冷方式工藝進(jìn)行改進(jìn)，降低風(fēng)扇的運(yùn)行時(shí)間或者風(fēng)扇只是備用狀態(tài)，則可以達(dá)到節(jié)電降耗，增收節(jié)能的效果。

6? 空壓機(jī)潤(rùn)滑油的散熱器軸流風(fēng)機(jī)冷卻方式系統(tǒng)升級(jí)改造

6.1 用戶現(xiàn)狀

西安市進(jìn)出口加工區(qū)某外資企業(yè)生產(chǎn)車間配阿特拉斯GA160系列螺桿空壓機(jī)6臺(tái)，每臺(tái)潤(rùn)滑油的散熱器配2臺(tái)AC380V 7.5kW冷卻風(fēng)扇，開機(jī)工頻持續(xù)運(yùn)行。整個(gè)車間還有阿特拉斯GA110系列螺桿空壓機(jī)2臺(tái)，GA132系列螺桿空壓機(jī)1臺(tái)，GA315系列螺桿空壓機(jī)4臺(tái)。由于13臺(tái)空壓機(jī)群組，集中安裝在一個(gè)廠房?jī)?nèi)，導(dǎo)致車間溫度高、噪音大，不利于空壓機(jī)持續(xù)有效工作，特別是夏季高溫天氣，空壓機(jī)冷卻效果很差，空壓機(jī)故障率很高，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，車間提出對(duì)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，原則是對(duì)現(xiàn)有的空壓機(jī)進(jìn)行節(jié)能節(jié)電改造，提高空壓機(jī)性能，降低空壓機(jī)故障率。

6.2 改造方案

針對(duì)車間提出的要求，結(jié)合空壓機(jī)車間的實(shí)際工況，給用戶提出了改造方案：

（1）前期先對(duì)6臺(tái)GA160系列螺桿空壓機(jī)的風(fēng)扇冷卻進(jìn)行改造，在原來(lái)的每臺(tái)散熱器中再串接一組新散熱器，新散熱器是循環(huán)水冷卻，6組新散熱器出口的熱水，通過1臺(tái)7.5kW循環(huán)泵輸送到室外冷卻塔進(jìn)行噴淋和風(fēng)機(jī)雙冷卻后，經(jīng)過冷卻塔出口回到新散熱器進(jìn)口，完成冷卻系統(tǒng)的循環(huán)過程。

（2）改造后，原散熱器風(fēng)扇只是備用狀態(tài)，在極端天氣下水冷卻效果達(dá)不到要求時(shí)偶爾啟用;這樣6臺(tái)空壓機(jī)散熱器風(fēng)扇7.5kW共計(jì)2×6=12臺(tái)。

每小時(shí)節(jié)省電能：

每年工作310d年總節(jié)省電能：

（3）7.5kW循環(huán)泵一用一備，依據(jù)水泵變頻調(diào)速運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)分析[4]，以及變頻恒壓控制系統(tǒng)的原理[5]，采用ABB變頻器控制，循環(huán)管道出水口和進(jìn)水口分別安裝溫度傳感器，以出水口的水溫為依據(jù)，進(jìn)行恒溫變頻節(jié)能控制運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行情況是，夏天極端天氣下變頻器運(yùn)行在42Hz左右，冬天極端天氣下變頻器運(yùn)行在12Hz左右。

（4）系統(tǒng)配有壓力傳感器，監(jiān)視水循環(huán)系統(tǒng)的壓力。

（5）冷卻塔選用FZP-70B干濕兩用冷卻塔2臺(tái)，一用一備。每臺(tái)冷卻塔配2.2kW風(fēng)扇2臺(tái)，一用一備;1.5kW噴淋泵2臺(tái)，一用一備。工作方式是夏季以噴淋工作為主，風(fēng)扇備用;冬季以風(fēng)扇工作為主，噴淋備用。實(shí)際運(yùn)行中：夏季2臺(tái)噴淋完全滿足冷卻效果，冬季1臺(tái)風(fēng)扇都可以滿足冷卻效果。冷卻塔能耗計(jì)算如下：

噴淋泵和風(fēng)扇平均功耗：

每小時(shí)耗電量：

每年工作310d年總耗電量：

（6）自動(dòng)控制的基本方式[6]：整套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)以可編程控制器PLC為核心，PLC技術(shù)也可以輸入和輸出程序模塊，并與相關(guān)接口建立相對(duì)應(yīng)的聯(lián)系關(guān)系，從而加強(qiáng)對(duì)于機(jī)械電氣設(shè)備的控制[7]。應(yīng)用全閉環(huán)控制系統(tǒng)[8]中的負(fù)溫度反饋原理，進(jìn)行恒溫控制;通過PID自動(dòng)調(diào)節(jié)更能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)化控制;觸摸屏人機(jī)界面友好，自動(dòng)化程度更高，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守控制及遠(yuǎn)程監(jiān)控[5]。

（7）系統(tǒng)效果如下：

①每年工作310d年總節(jié)約電能：

WJD=W總-（WB+Wpf）

=669600-（30132+27528）=611940（kw h）

②空壓機(jī)的故障率及設(shè)備維修維護(hù)頻次明顯下降。

③空壓機(jī)車間溫度及環(huán)境有了明顯改善。

④改造后6臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)行更穩(wěn)定，散熱器上的2臺(tái)風(fēng)扇不用工作，噪音明顯減少。

7? 空壓機(jī)冷卻循環(huán)變頻控制系統(tǒng)

7.1 系統(tǒng)介紹

空壓機(jī)冷卻循環(huán)控制系統(tǒng)是陜西榮成智控機(jī)電科技有限公司節(jié)能降耗和清潔環(huán)保系列產(chǎn)品之一，主要適用于空壓機(jī)冷卻循環(huán)風(fēng)冷控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)主要硬件組成由昆侖通態(tài)10寸觸摸屏、西門子200SMART可編程邏輯控制器及模擬量模塊、ABB變頻器、現(xiàn)場(chǎng)溫度傳感器和壓力傳感器組成，預(yù)留遠(yuǎn)程以太網(wǎng)通訊接口。針對(duì)系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用數(shù)字PID控制算法[9]及恒溫控制工藝技術(shù)，不僅可以達(dá)到循環(huán)冷卻的目的，而且有效降低了能耗和工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)管理水平。冷卻循環(huán)變頻控制系統(tǒng)工藝技術(shù)的特點(diǎn)是，對(duì)冷卻塔出口溫度進(jìn)行判斷，調(diào)整循環(huán)泵變頻運(yùn)行，使冷卻系統(tǒng)溫度穩(wěn)定在設(shè)定值。同時(shí)有“本柜”或“屏控”啟停方式，“手動(dòng)”或“自動(dòng)”無(wú)擾動(dòng)自由切換模式，“工頻”和“變頻”運(yùn)行方式，功能齊全，性能穩(wěn)定，操作方便靈活，安全可靠，具有無(wú)人值守自動(dòng)運(yùn)