第三讲 压缩机变频调速节能技术

科陆变频节能技术讲座：第三讲 压缩机变频调速节能技术目 录一、 概 论 11.1 压缩机的分类： 11.2 压缩机的工作原理 11.3 压缩机的主要功能和用途 : 8二 、 压 缩 机 拖 动 系 统 的 负 载 特 性 .102.1 活 塞 式 压 缩 机 102.2 螺 杆 式 压 缩 机 112.3 离 心 式 压 缩 机 12三 、 压 缩 机 拖 动 系 统 的 节 能 分 析 .123.1 活 塞 式 压 缩 机 123.2 螺 杆 式 压 缩 机 133.3 离 心 式 压 缩 机 133.4 工 业 企 业 压 缩 机 系 统 节 能 改 造 10四、压缩机变频调速和液力耦合器调速节能比较 .144.1 液力耦合器的工作原理和主要特性参数 .144.2 液力耦合器在压缩机调速中的节能效果 .144.3 压缩机变频调速和液力耦合器调速节能对比计算 14五、压缩机并列运行节能分析5.1. 相 同 参 数 离心式压缩机并列运行节能分析5.2. 不 同 参 数 离心式压缩机并列运行节能分析5.3. 河南天方药业压缩机组节能分析：附 录：球磨机的节能技术1一、 概 论1.1 压缩机的分类：（1）往复式活塞（柱塞）压缩机；(2) 螺杆式压缩机（类似罗茨式风机） ；(3) 离心式压缩机（类似离心式风机） ；风机除按工作原理分类外，还常按其产生全压的高低来分类：（a） 风扇 指在标准状况下，风机产生的额定全压低于 98Pa 的风机。这类风机无机壳，故又称自由风扇。（b） 通风机 指在设计条件下，风机产生的额定全压值在98Pa14700Pa 之间的风机。在各类风机中，通风机应用最为广泛，如发电厂中用的各种风机基本上都是通风机。（c） 鼓风机 指气体经风机后的压力升高在 14700Pa196120Pa 之间的风机。也称高压风机。（d） 压缩机 指气体经风机后的压力升高大于 196120Pa，或压缩比大于3.5 的风机。也称超高压风机。1.2 压缩机的工作原理根据工作方式的不同，压缩机可分为两大类 容积型与速度型。容积型压缩机是靠工作腔容积的改变来实现吸汽、压缩、排汽等过程。属于这类压缩机的有往复式压缩机和回转式压缩机。速度型压缩机是靠高速旋转的叶轮对气体做功，压力升高，并完成输送气体的任务。属于这类压缩机的有离心式和轴流式压缩机，目前常用的是离心式压缩机。1、往复式压缩机的工作原理往复式压缩机又称活塞式压缩机。压缩机的工作腔是汽缸。活塞在汽缸内作上下往复运动，从而完成了压缩、排汽、膨胀、吸汽等过程。（1）工作原理：图 1 所示为往复式压缩机示意图，图中的四个过程分别表示了压缩机工作中的四个过程：到最低位置(称活塞的下止点)时，汽缸吸满蒸气。而活塞转而向上，这时吸、排汽门都关闭，汽缸容积缩小，蒸气被压缩，一直2压缩到排汽压力为止。图中(b)为排汽过程：当压力达到一定值 (大于排汽管内压力)时，排汽阀开启，活塞继续上移，蒸气排出，一直到活塞上移到最高位置(这位置称活塞的上止点) 时，排汽结束。图中(c)是余隙膨胀过程：为了防止活塞与吸排汽阀碰撞，活塞上移到上止点时，活塞与汽缸顶部之间留有一定间隙，称余隙。当活塞转而向下运动时，排汽结束时留在余隙内的高压蒸气阻止吸汽阀开启，吸汽不能开始。这时余隙内的蒸气随着活塞下移而进行膨胀，一直膨胀到吸汽压力以下时才结束。图中之(d)是吸汽过程：吸汽阀开启，随着活塞往下运动而吸汽，一直进行到活塞下移到活塞下止点为止。图 1 活塞式压缩机( 2) 优点：它应用比较广泛，制造技术成熟，结构简单，而且对加工材料和加工 lT 艺要求较低，造价比较低，适应性强，能适应广阔的压力范围和制冷量要求，可维修性强。(3) 缺点：无法实现较高转速，机器大而重，不容易实现轻量化，排气不连续，气流容易出现波动，而且工作时有较大的振动。由于曲轴连杆式压缩机的上述特点，已经很少有小排量压缩机采用这种结构形式，曲轴连杆式压缩机目前大多应用在客车和卡车的大排量空调系统中。32、螺杆式压缩机的构造与工作过程螺杆式压缩机是一种回转式容积式压缩机。它利用螺杆的齿槽容积和位置的变化来完成蒸气的吸人、压缩和排 IqJ 过程。无油螺杆压缩机在本世纪三十年代问世，主要用于压缩空气。后来汽缸内喷油的螺杆式压缩机出现，性能得到提高，目前，喷油式螺杆压缩机已是制冷压缩机中主要机种之一。螺杆式压缩机分为双螺杆和单螺杆两大类，双螺杆压缩机习惯上称为螺杆式压缩机。(1) 图 2 为喷油式螺杆式压缩机的构造。在断面为双圆相交的汽缸内，装有一对转子 阳转子和阴转子。阳转子有四个齿，阴转子有六个齿，两根转子相互啮合。当阳转子旋转一周，隐转子旋转 23 周，或者说，阳子的转速比阴转子的转速快 50。图 3 是螺杆式压缩机从吸汽到排汽的工作过程，在汽缸的吸汽端座上开有吸汽口，当齿槽与吸汽口相通时，吸汽就开始，随着螺杆的旋转，齿槽脱离吸汽口，一对齿槽空间吸满蒸气，如图(a)。螺杆继续旋转，两螺杆的齿与齿槽相互啮合，有汽缸体、啮合的螺杆和排汽端座组成的齿槽容积变小，而且位置向排汽端移动，完成了对蒸气压缩和输送的作用，如图(b) 。当这对齿槽空间与端座的排汽口相通时，压缩终了，蒸气被排出，如图(c)。每对齿槽空间都存在着吸汽、压缩、排汽三个过程：a)吸气结束 b)压缩行程 c)排出开始之前。在同一时刻存在着吸汽、压缩、排汽三个过程，不过它们发生在不同的齿槽空间而已。4(2) 螺杆式压缩机的优点：螺杆式压缩机只有旋转运动，没有往复运动，因此压缩机的平衡性好，振动小，可以提高压缩机的转速。螺杆式压缩机的结构简单、紧凑，重量轻，无吸、排汽阀，易损件少，可靠性高，检修周期长。在低蒸发温度或高压缩比工况下，用单级压缩仍然可正常工作，且有良好的性能。这是由于螺杆式压缩机没有余隙，没有吸、排汽阀，故在这种不利工况下仍然有较高的容积效率。螺杆式压缩机对湿压缩不敏感。5螺杆式压缩机的制冷量可以在 10一 100范围内无级调节，但在 40以上负荷时的调节比较经济。(3)缺点：噪声较大，以及需要设置一套润滑油分离、冷却、过滤和加压的辅助设备，造成机组体积大。(4)应用范围双螺杆压缩机在化工、制冷及空气动力工程中，它所占的比重较大。螺杆压缩机的容积流量范围是 250m 312f 。螺杆式压缩机由包容在机壳中的两根相互啮合的螺旋转子组成，转子之间和机壳与转子之间的间隙仅为 510 丝，主转子（又称阳转子或凸转子），通过由发动机或电动机驱动(多数为电动机驱动) ，另一转子（又称阴转子或凹转子）是由主转子通过喷油形成的油膜进行驱动，或由主转子端和凹转子端的同步齿轮驱动。所以驱动中没有金属接触（理论上）。转子的长度和直径决定压缩机排气量（流量）和排气压力，转子越长，压力越高；转子直径越大，流量越大。螺旋转子凹槽经过吸气口时充满气体。当转子旋转时，转子凹槽被机壳壁封闭，形成压缩腔室，当转子凹槽封闭后，润滑油被喷入压缩腔室，起密封。冷却和润滑作用。当转子旋转压缩润滑剂+气体（简称油气混合物）时，压缩腔室容积减小，向排气口压缩油气混合物。当压缩腔室经过排气口时，油气混合物从压缩机排出，完成一个吸气压缩排气过程。螺杆机的每个转子由减摩轴承所支承，轴承由靠近转轴端部的端盖固定。进气端由滚柱轴承支承，排气端由一以对靠的贺锥滚柱支承通常是排气端的轴承使转子定位，也就是止推轴承，抵抗轴向推力，承受径向载荷，并提供必须的轴向运行最小间隙。（3）螺杆式空压机工作过程 1）吸气过程： 螺杆式的进气侧吸气口，必须设计得使压缩室可以充分吸气，而螺杆式压缩机并无进气与排气阀组，进气只靠一调节阀的开启、关闭调节，当转子转动时，主副转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时，其空间最大，此时转子的齿沟空间与进气口之自由空气相通，因在排气时齿沟之空气被全数排出，排气结束时，6齿沟乃处于真空状态，当转到进气口时，外界空气即被吸入，沿轴向流入主副转子的齿沟内。当空气充满整个齿沟时，转子之进气侧端面转离了机壳之进气口，在齿沟间的空气即被封闭。 2）封闭及输送过程： 主副两转子在吸气结束时，其主副转子齿峰会与机壳闭封，此时空气在齿沟内闭封不再外流，即封闭过程。两转子继续转动，其齿峰与齿沟在吸气端吻合，吻合面逐渐向排气端移动。 3）压缩及喷油过程： 在输送过程中，啮合面逐渐向排气端移动，亦即啮合面与排气口间的齿沟间渐渐减小，齿沟内之气体逐渐被压缩，压力提高，此即压缩过程。而压缩同时润滑油亦因压力差的作用而喷入压缩室内与室气混合。 4）排气过程： 当转子的啮合端面转到与机壳排气相通时，（此时压缩气体之压力最高）被压缩之气体开始排出，直至齿峰与齿沟的啮合面移至排气端面，此时两转子啮合面与机壳排气口这齿沟空间为零，即完成（排气过程），在此同时转子啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度又达到最长，其吸气过程又在进行3、离心式压缩机的工作原理和应用离心式压缩机通过高速旋转的叶轮，把原动机的能量传送给气体，使气体压力和速度提高，气体在压缩机内固定元件中将速度能转换为压力能。主要用来压缩和输送气体。离心式压缩机的工作原理是气体进入离心式压缩机的叶轮后，在叶轮叶片的作用下，一边跟着叶轮作高速旋转，一边在旋转离心力的作用下向叶轮出口流动，并受到叶轮的扩压作用，其压力能和动能均得到提高，气体进入扩压器后，动能又进一步转化为压力能，气体再通过弯道、回流器流入下一级叶轮进一步压缩，从而使气体压力达到工艺所需的要求。离心式压缩机的原理与活塞式压缩机有根本区别，它不是利用气缸容积减小的方式来提高气体的压力，而是依靠动能的变化来提高气体压力。离心式压缩机具有带叶片的工作轮，当工作轮转动时，叶片就带动气体运动或者使气体得到动能，然后使部分动能转化为压力能，从而提高气体的压力。这种压缩机由7于它工作时不断地将制冷剂蒸汽吸入，又不断地沿半径方向被甩出去，所以称这种型的压缩机为离心式压缩机。它与离心式风机有很大的相似之处。离心式空气压缩机原理是由叶轮带动气体做高速旋转，使气体产生离心力，由于气体在叶轮里的扩压流动，从而使气体通过叶轮后的流速和压力得到提高，连续地生产出压缩空气。离心式空气压缩机属于速度式压缩机，在用气负荷稳定时离心式空气压缩机工作稳定、可靠。结构紧凑、重量轻，排气量范围大；易损件少，运转可靠、寿命长；排气不受润滑油污染，供气品质高；大排量时效率高、且有利于节能。 离心式空气压缩机的结构特点： 离心式空气压缩机组结构简单，运行可靠；离心压缩机主要由转子和定子两大部分组成。转子包括叶轮和轴。叶轮上有叶片，此外还有平衡盘和轴封的一部分。定子的主体是机壳(气缸)，定子上还安排有扩压器、弯道、回流器、迸气管、排气管及部分轴封等。离心压缩机的工作原理为，当叶轮高速旋转时，气体随着旋转，在离心力作用下，气体被甩到后面的扩压器中去，而在叶轮处形成真空地带，这时外界的新鲜气体进入叶轮。叶轮不断旋转，气体不断地吸入并甩出，从而保持了气体的连续流动。 离心式空气压缩机主要构件、空气动力部分、级间冷却器、整体传动装置、润滑系统和操作控件的制造都能够保证提供可靠的性能；在压缩空气气道中，离心式空气压缩机没有任何需润滑部件；离心式空气压缩机精确平衡的挠性碟片式联轴器，将振动降至最低，并且不需要联接器润滑油，也可以提供其它联接方法；离心式空气压缩机紧凑的成套底座，将框架、中间冷却器和润滑油箱集成在一起，从而具有出色的扭转刚度。离心式空气压缩机的应用：离心式空气压缩机广泛应用于汽车、化工、制药、采矿和空气分离等行业，离心式空气压缩机也在这些行业有着良好的发展前景离心式空气压缩机的优点：与往复式压缩机比较，离心式压缩机具有下述优点：1、结构紧凑，尺寸小，重量轻；2、排气连续、均匀，不需要级间中间罐等装置；3 、振动小，易损件8少，不需要庞大而笨重的基础；4、除轴承外，机件内部不需润滑，省油，且不污染被压缩的气体；5 、转速高； 6、维修量小，调节方便。 1.3 压缩机的主要功能和用途 :（1） 空 气 压 缩 机 的 特 点由电动机直接驱动压缩机，使曲轴产生旋转运动，带动连杆使活塞产生往复运动，引起气缸容积变化。由於气缸内压力的变化，通过进气阀使空气经过空气滤清器（消声器）进入气缸，在压缩行程中，由於气缸容积的缩小，压缩空气经过排气阀的作用，经排气管，单向阀（止回阀）进入储气罐，当排气压力达到额定压力 0.7MPa 时由压力开关控制而自动停机。当储气罐压力降至0.5-0.6MPa 时压力开关自动联接启动。（2）空气压缩机的选择空 气 压 缩 机 的 选 择 主 要 依 据 气 动 系 统 的 工 作 压 力 和 流 量 。气 源 的 工 作 压 力 应 比 气 动 系 统 中 的 最 高 工 作 压 力 高 20%左 右 ， 因 为 要考 虑 供 气 管 道 的 沿 程 损 失 和 局 部 损 失 。 如 果 系 统 中 某 些 地 方 的 工 作 压 力 要 求较 低 ， 可 以 采 用 减 压 阀 来 供 气 。 空 气 压 缩 机 的 额 定 排 气 压 力 分 为 低 压（ 0.71.0MPa） 、 中 压 （ 1.010MPa） 、 高 压 （ 10100MPa） 和 超 高 压（ 100MPa 以 上 ） ， 可 根 据 实 际 需 求 来 选 择 。 常 见 使 用 压 力 一 般 为 0.7-1.25MPa。首 先 按 空 压 机 的 特 性 要 求 ， 选 择 空 压 机 的 类 型 。 再 根 据 气 动 系 统 所 需 要的 工 作 压 力 和 流 量 两 个 参 数 ， 确 定 空 压 机 的 输 出 压 力 pc 和 吸 入 流 量 qc，最 终 选 取 空 压 机 的 型 号 。1） 空 压 机 的 输 出 压 力 pcpc=p+ ppc： 空 压 机 的 输 出 压 力p： 气 动 执 行 元 件 的 最 高 使 用 压 力 p： 气 动 系 统 的 总 压 力 损 失 。一 般 情 况 下 ， p=0.150.2MPa。92） 空 压 机 的 吸 入 流 量 qc不 设 气 罐 ， qb=qmax设 气 罐 ， qb=qsaqb： 气 动 系 统 提 供 的 流 量qmax： 气 动 系 统 的 最 大 耗 气 量qsa： 气 动 系 统 的 平 均 耗 气 量空 压 机 的 吸 入 流 量 ， qc=kqbqc： 空 压 机 的 吸 入 流 量k： 修 正 系 数 。 主 要 考 虑 气 动 元 件 、 管 接 头 等 处 的 漏 损 、 气 动 系 统 耗 气量 的 估 算 误 差 、 多 台 气 动 设 备 不 同 时 使 用 的 利 用 率 以 及 增 添 新 的 气 动 设 备 的可 能 性 等 因 素 。 一 般 k=1.52.0.3)空 压 机 的 功 率 Pp=（n+1）*k*p1*qc*(pc/p1)(k-1)/(n+1)*k-1/(k-1)*0.06 （3）空气压缩机的用途a 、 传 统 的 空 气 动 力 ： 风 动 工 具 ， 凿 岩 机 、 风 镐 、 气 动 扳 手 ， 气 动 喷砂 ；b 、 仪 表 控 制 及 自 动 化 装 置 ， 如 加 工 中 心 的 刀 具 更 换 等 c、 车 辆 制 动 ，门 窗 启 闭 ；d 、 喷 气 织 机 中 用 压 缩 空 气 吹 送 纬 纱 以 代 替 梭 子 ；e 、 食 品 、 制 药 工 业 ， 利 用 压 缩 空 气 搅 拌 浆 液 ；f 、 大 型 船 用 柴 油 机 的 起 动 ；g 、 风 洞 实 验 、 地 下 通 道 换 气 、 金 属 冶 炼 ；h 、 油 井 压 裂 ；i、 高 压 空 气 爆 破 采 煤 ；j 、 武 器 系 统 ， 导 弹 发 射 、 鱼 雷 发 射 ；k、 潜 艇 沉 浮 、 沉 船 打 捞 、 海 底 石 油 勘 探 、 气 垫 船 ；l、 轮 胎 充 气 ；m、 吹 瓶 机 ；n、 喷 漆 ；10二 、 压 缩 机 拖 动 系 统 的 负 载 特 性2.1 活 塞 式 压 缩 机根 据 上 述 活 塞 式 压 缩 机 的 工 作 原 理 ， 按 四 个 过 程 分 析 活 塞 式 压 缩 机 的 负载 特 性 ：a) 吸 气 过 程 ： 进 气 门 打 开 ， 排 气 门 关 闭 ， 汽 缸 内 压 力 为 进 气 压 力 ， 活 塞在 汽 缸 内 作 恒 转 矩 匀 速 运 动 ；b) 压 缩 过 程 ： 进 、 排 气 门 关 闭 ， 汽 缸 内 的 气 体 在 活 塞 的 推 动 下 进 行 压 缩 。根 据 理 想 气 体 的 状 态 方 程 ， 并 假 设 在 压 缩 的 过 程 中 气 体 的 温 度 不 变 ， 即 根 据玻 意 尔 -马 略 特 定 律 ： P1.V1 = P2.V2 = nRT 在 压 缩 的 过 程 中 气 体 的 体 积不 断 缩 小 ， 压 力 则 不 断 增 大 ， 与 体 积 成 反 比 例 的 关 系 ： P2 = P1.V1/V2 = nRT/V2。 即 活 塞 上 的 压 力 与 体 积 成 反 比 例 的 关 系 增 大 。c) 排 气 过 程 ： 当 汽 缸 内 的 压 力 达 到 排 气 压 力 时 ， 排 气 门 打 开 ， 压 缩 气 体 排出 ， 体 积 增 大 ， 压 力 与 体 积 成 反 比 例 的 关 系 减 小 。d) 膨 胀 过 程 ： 当 活 塞 运 动 到 上 止 点 后 ， 气 隙 内 的 气 体 膨 胀 ， 推 动 活 塞 运动 ， 电 动 机 短 时 呈 发 电 状 态 运 行 。 随 之 进 气 门 打 开 ， 吸 气 过 程 又 开 始 了 。根 据 以 上 的 分 析 ， 电 动 机 的 拖 动 转 矩 可 画 成 如 图 4 所 示 的 曲 线 ：图 4图 4 活 塞 式 压 缩 机 的 拖 动 转 矩 曲 线11由 图 4 可 以 看 出 ： 活 塞 式 压 缩 机 的 负 载 特 性 属 周 期 性 冲 击 负 载 ， 其 平 均转 矩 不 随 转 速 的 改 变 而 变 化 ， 即 可 按 “（ 平 均 ） 恒 转 矩 ”负 载 处 理 ， 其 轴功 率 只 与 转 速 的 一 次 方 成 正 比 即 ： P = F.n 。2.2 螺 杆 式 压 缩 机螺杆式压缩机是一种回转式容积式压缩机，其负载特性与活 塞 式 压 缩 机 相似 ， 只 是 在同一时刻存在着吸汽、压缩、排汽三个过程，不过它们发生在不同的齿槽空间而已。这就相当于说活 塞 式 压 缩 机 的 负 载 曲 线 是 “单 相 ”的 ， 而螺杆式压缩机则是“多相”的而已，电 动 机 的 拖 动 转 矩 可 画 成 如 图 5 所 示 的曲 线 ：图 5图 5 螺 杆 式 压 缩 机 的 拖 动 转 矩 曲 线由 图 5 也 可 以 看 出 ： 活 塞 式 压 缩 机 的 负 载 特 性 属 周 期 性 冲 击 负 载 ， 其 平12均 转 矩 不 随 转 速 的 改 变 而 变 化 ， 即 可 按 “（ 平 均 ） 恒 转 矩 ”负 载 处 理 ， 其轴 功 率 只 与 转 速 的 一 次 方 成 正 比 即 ： P = F.n 。2.3 离 心 式 压 缩 机离 心 式 压 缩 机 即 为 超 高 压 的 离 心 式 风 机 ， 其 负 载 特 性 同 离 心 式 风 机 的 负载 特 性 ， 即 为 平 方 转 矩 特 性 。 分 析 方 法 同 离 心 式 风 机 ， 只 是 要 注 意 系 统 反 压和 最 低 出 口 压 力 的 要 求 。 因 为 离 心 式 压 缩 机 与 通 风 机 和 鼓 风 机 不 一 样 ： 通 风机 和 鼓 风 机 系 统 一 般 不 存 在 反 压 ， 所 以 基 本 满 足 流 体 力 学 的 三 个 相 似 条 件 ，可 以 用 比 例 定 律 的 三 个 公 式 计 算 ： qv/q v=n/n (1)H/H =( n/n )2，p/p =( n/n )2 (2)P/P =( n/n )3 (3)而 离 心 式 压 缩 机 系 统 一 般 都 存 在 反 压 力 ： 储 气 罐 压 力 或 母 管 压 力 ， 其 原理 就 像 水 泵 系 统 的 静 扬 程 一 样 。 所 以 离 心 式 压 缩 机 系 统 不 满 足 流 体 力 学 的三 个 相 似 条 件 ， 因 而 不 能 直 接 用 比 例 定 律 的 三 个 公 式 计 算 ， 而 必 须 进 行 相似 折 算 后 才 能 用 比 例 定 律 的 三 个 公 式 计 算 ， 其 原 理 就 像 水 泵 系 统 在 不 同 静扬 程 和 不 同 流 量 时 的 节 能 计 算 一 样 。三 、 压 缩 机 拖 动 系 统 的 节 能 分 析压 缩 机 系 统 一 般 采 用 “卸 压 ”方 式 或 通 过 打 开 回 流 阀 的 方 式 进 行 气 罐压 力 或 母 管 压 力 的 控 制 ， 这 样 无 疑 会 有 一 部 分 能 量 白 白 的 浪 费 掉 ， 如 果 采用 调 节 压 缩 机 转 速 的 方 式 来 控 制 压 力 的 话 ， 则 既 能 起 到 节 能 的 效 果 ， 又 改 善了 控 制 性 能 ， 降 低 了 运 行 噪 音 ， 延 长 了 设 备 寿 命 ， 减 少 了 维 护 费 用 。3.1 活 塞 式 压 缩 机根 据 以 上 的 分 析 ， 活 塞 式 压 缩 机 可 按 “（ 平 均 ） 恒 转 矩 ”负 载 处 理 ，其 轴 功 率 只 与 转 速 的 一 次 方 成 正 比 ， 即 ： P = F.n 。在 压 缩 机 加 载 时 ， 其 节 电 率 约 为 ： （ 0.96n/ne） 100% .考 虑 到 压 缩机 的 卸 载 工 况 ， 其 节 电 率 会 有 所 下 降 ， 具 体 的 下 降 幅 度 ， 要 视 卸 载 /加 载 的时 间 比 例 而 定 。 其 最 低 转 速 受 主 轴 油 泵 的 压 力 限 制 。13对 于 容 积 式 压 缩 机 来 讲 ， 在 调 速 运 行 时 ， 其 出 口 压 力 不 变 ， 与 转 速 无关 ！ 所 以 可 不 考 虑 反 压 的 影 响 。 其 流 量 和 所 消 耗 的 电 功 率 均 与 转 速 的 一 次 方成 正 比 ！3.2 螺 杆 式 压 缩 机同 活 塞 式 压 缩 机 ！3.3 离 心 式 压 缩 机离 心 式 压 缩 机 的 节 能 计 算 原 理 就 像 水 泵 系 统 在 不 同 静 扬 程 和 不 同 流 量 时的 节 能 计 算 一 样 。 只 要 知 道 反 压 （ 气 罐 压 力 或 母 管 压 力 ） 所 占 额 定 全 压 的百 分 比 和 实 际 流 量 所 占 额 定 流 量 的 百 分 比 ， 就 可 查 表 求 出 其 相 应 的 转 速 、轴 功 率 和 节 电 率 。表 1 水泵系统在不同静扬程和不同流量时转速、轴功率和节电率：流量 Q/Qe静扬程 Hst零流量10 20 30 40 50 60 70 80 90转速% 31.6 37.1 42.8 48.5 54.8 61.3 68.4 75.8 83.3 91.2轴功率% 3.16 4.27 7.84 11.4 16.5 23.1 32.0 43.6 57.8 75.910节电率% 90.5 86.7 82.2 75.5 70.4 62.5 51.2 38.3 20.9转速% 44.7 49.5 54.4 59.4 64.5 69.6 74.8 80.1 85.8 92.1轴功率% 8.93 12.1 16.1 21.0 26.8 33.7 41.9 51.4 63.2 78.120节电率% 79.4 75.2 70.8 65.3 59.2 51.5 42.4 31.2 17.0转速% 54.8 58.6 62.5 66.5 70.6 74.7 78.9 83.4 88.1 93.0轴功率% 16.5 20.1 24.4 29.4 35.2 41,7 49.1 58.0 68.4 80.430节电率% 65.6 62.2 59.1 53.4 49.5 42.6 35.0 25.8 14.5转速% 63.2 66.2 69.3 72.5 75.8 79.2 82.7 86.3 90.0 93.9轴功率% 25.2 29.0 33.3 38.1 43.6 49.7 56.6 64.3 72.9 82.840节电率% 55.8 53.5 49.9 46.0 40.5 34.5 28.0 20.9 12.0转速% 70.7 73.1 75.6 78.1 80.7 83.4 86.2 88.9 91.8 94.850轴功率% 35.5 39.1 43.2 47.6 56.7 58.0 64.1 70.3 77.4 85.214节电率% 43.6 41.5 36.0 32.7 29.5 25.8 21.3 16.1 9.4转速% 77.5 79.2 80.9 82.6 84.5 86.6 88.8 91.0 93.3 95.7轴功率% 46.6 49.7 52.9 56.4 60.3 65.0 70.1 75.4 81.2 87.760节电率% 30.1 28.4 26.6 24.5 22.2 18.9 15.5 11.9 6.8转速% 83.7 85.0 86.3 87.6 88.9 90.3 91.8 93.3 94.8 96.6轴功率% 58.6 61.4 64.3 67.2 70.3 73.6 77.4 81.2 85.2 90.270节电率% 12.4 11.4 10.3 9.3 8.3 7.2 6.2 5.1 4.2转速% 89.5 90.3 91.1 91.9 92.7 93.6 94.5 95.4 96.4 97.5轴功率% 71.7 73.6 75.6 77.6 79.7 82.0 84.4 86.8 89.6 92.780节电率% 5.9 5.1 4.3 3.6 3.1 2.6 2.2 1.8 1.5阀门 调节功耗 73 77 80 84 87 90 93 96 98注意：1. 表中最左边一栏为水泵系统静扬程与全扬程的百分比；2. 表中最上边一栏为水泵系统的实际流量与额定流量的百分比。3. 本表所列数据系根据某典型水泵特性得出，与实际的泵有一定误差。3.4 工 业 企 业 压 缩 机 系 统 节 能 改 造在 工 业 企 业 中 ， 一 般 有 多 台 压 缩 机 组 成 压 缩 机 系 统 ， 采 用 母 管 制 运 行 ；母 管 压 力 采 用 启 停 压 缩 机 和 卸 载 控 制 相 结 合 的 办 法 ， 也 能 达 到 经 济 运 行 的 目的 。在 这 样 的 压 缩 机 系 统 中 ， 若 是 容积式压缩机（即活 塞 式 压 缩 机 和 螺杆式压缩机）单机采用调速运行时，只影响流量而不会影响并汽压力，因 此 可 以 单台 或 部 分 压 缩 机 实 现 变 频 调 速 ， 在 不 影 响 供 汽 压 力 的 前 提 下 实 现 供 汽 流 量 调节 。若 是 离心式压缩机，在单 台 或 部 分 压 缩 机 实 现 变 频 调 速 时 ， 就 要 考 虑 并汽压力的问题了：因为母管压力限制了压缩机的调速范围，如果母管压力较高，调速压缩机稍一降速就会并不了汽，就像是静扬程较高的水泵系统一样。工程中也不乏这样的失败先例，我们一定要记住这样的教训！a) 广 州 南 方 制 碱 厂 有 两 台 锅 炉 给 水 泵 ， 由 于 静 扬 程 （ 汽 包 压 力 ） 很 高 ，占 到 额 定 扬 程 的 70%， 上 海 科 达 公 司 只 改 了 一 台 泵 变 频 运 行 ， 当 变 频 泵 和 工15频 泵 并 列 运 行 时 ， 变 频 泵 的 频 率 降 到 48 赫 兹 时 就 出 不 了 水 了 ， 只 能 当 软 启动 器 用 ！b) 石 家 庄 华 北 制 药 厂 一 共 有 十 一 台 离 心 式 压 缩 机 ， 平 时 只 要 开 5 一 6台 就 可 以 满 足 供 汽 压 力 的 要 求 ， 北 京 利 德 华 福 公 司 只 改 了 一 台 压 缩 机 变 频运 行 ， 由 于 母 管 压 力 很 高 （ 5 台 压 缩 机 工 频 运 行 ） ， 变 频 压 缩 机 的 频 率 降 到48 赫 兹 时 就 并 不 了 汽 了 ， 运 行 一 个 月 的 结 果 是 不 但 不 节 能 ， 反 而 还 费 能 ， 最后 只 好 拆 回 去 了 ！四、 压缩机变频调速和液力耦合器调速节能比较4.1. 液力耦合器的工作原理和主要特性参数（略，见第一讲）4.2. 液力耦合器在压缩机调速中的节能效果a) 液力耦合器在活塞式压缩机和螺杆式压缩机的调速中不节能，其转差功率都变成热量消耗掉了！b) 液力耦合器在离心式压缩机调速中的节能效果同离心式风机。4.3 压缩机变频调速和液力耦合器调速节能对比计算a) 液力耦合器在活塞式压缩机和螺杆式压缩机的调速中不节能，其转差功率都变成热量消耗掉了.甚至还不如卸载方式节能! 改用变频调速后，如果变频器和液力耦合器的固有损耗可以相抵消，其 节 电 率 约 为 ： （ 1.0n/ne）100% . 考 虑 到 压 缩 机 的 卸 载 工 况 ， 其 节 电 率 会 有 所 下 降 ， 具 体 的 下 降 幅 度 ，要 视 卸 载 /加 载 的 时 间 比 例 而 定 。b) 液力耦合器在离心式压缩机调速中的节能效果同离心式风机，改用变频器后的相对节电率为：（ 1.0n/ne） 100% .如 果 不 拆 除 液力耦合器，则还要减去液力耦合器在最高转速运行时的固有损耗和丢转引起的损耗：（ 0.960.04-0.04n/ne） 100% . 实 际 约 为 ： （ 0.88 - n/ne） 100% .如 果 拆 除 液力耦合器，则还应考虑当变频器因故障而退出运行，投工频旁路时的启动措施，如加软启动器。16五、离心式压缩机并列运行节能分析5.1 相 同 参 数 离心式压缩机并列运行节能分析例 5-1：图 6 所示为两台压缩机机并联运行且其中一台转速降低时并联运行工况点的变化情况。并联运行工作点由 M 点逐渐移到 MM” M点，工频压缩机的工作点则相应的由 N 点逐渐移到 NN” N点，由图上可见，工作点所对应的流量减小，同时压力下降；而工频压缩机的流量反而会增加。最后工作点移到 B 点，变频压缩机的流量为零，而工频压缩机的流量约增加了 60%，压力下降了 40%左右，工频压缩机有可能过载，应采取相应的措施，如关小进气门以防止其过载。根据压力减小的比例可以算出变频压缩机的最低转速：Pb/Pm 开平方即为最低转速与额定转速的比值。如 Pb/Pm=0.6，则n1/ne=0.77。此时对于变频压缩机来说， Pb 就成了其静压力了，已不再符合相似定律了，所以在调速的过程中，流量已不再与转速的一次方成正比了，而是流量比恒大于转速比了！其中心调节频率也不再是额定频率与最低频率的中间值了，而应查表 1 求出 50%流量时的转速（频率）了！如果本例的静压力 Pb为全压的 50%的话，则其中心调节频率为 83.4%额定频率（转速） ，而不是0.77 与 1.00 的中间值 88.5%！这个转速也是我们计算变频压缩机功率消耗的依据。可以根据不同流量时的转速查出（或算出）其消耗的电功率和节电率来。图 6 两机并联其中一台转速降低时并联运行工况点的变化17如果压缩机在工频运行时采用卸载或启停控制的话，就要根据加/卸载或启/停控制的时间比和相应的电功率消耗的值进行计算了。一般在这种工况下，仅一台机采用变频调速控制收不到什么节能效果，只能对出口压力的稳定性起到作用；只有两台压缩机同时采用变频调速，才能取得良好的节能效果。图 7 多机并联其中一台转速降低时并联运行工况点的变化例 5-2：图 7 所示为三台压缩机机并联运行且其中一台转速降低时并联运行工况点的变化情况。与上例相比，变频压缩机的静压力更高，因而调速范围更小，节能效果也就更差了。如果其中还有一台压缩机采用启停控制的话，则有可能不但不节能，反而还费能了，就如华北制药厂的案例一样！5.2 不 同 参 数 离心式压缩机并列运行节能分析HqVHHH”1 2 3(Hq)-3(H-q)2(H-q)1GOI IIE F图 8 不 同 参 数 离心式压缩机并列运行分析18例 5-3： 工程案例：河南天方药业压缩机节能分析：河南天方药业集团共有各种压缩机 31 台：650m 3/min 进口压缩机 4 台，400 m3/min 国产压缩机 11 台，活塞式压缩机 16 台，它们的参数和工作数据如下：1. 进口离心式压缩机 4 台：压缩机参数：型 号：TA95M2D (二级压缩)额定流量：650m 3/min吸气压力：0.0993MPa (大气压力 0.1013MPa)吸气温度： 35 oC 相对湿度： 80%排气压力：0.33MPa （绝对压力）轴 功 率： 2058 kW (+ - 4%)电动机参数：型 号：TECO 三相感应电动机额定功率：2200kW额定电压：10000 V额定电流：139 A (运行电流 118-122A)额定转速：2960 rpm功率因数：0.882. 国产离心式压缩机 11 台：压缩机参数：型 号：额定流量：400m 3/min吸气压力：98.68 kPa (大气压力 100.68 kPa)吸气温度： 20-155 oC 相对湿度： 80%排气压力：280.68 kPa （绝对压力）轴 功 率：1098 kW (+ - 4%)电动机参数：型 号：YKOS 1250 -2 三相感应电动机额定功率：1250kW额定电压：10000 V19额定电流：84 A (运行电流 78-82A)额定转速：2985/1760 rpm 速比：5.89功率因数：0.853. 国产活塞式压缩机 16 台： （用作末端压力微调。 ）压缩机参数：型 号：额定流量：80m 3/min吸气压力：98.68 kPa (大气压力 100.68 kPa)吸气温度： 20-155 oC 相对湿度： 80%排气压力： 320 kPa （绝对压力）轴 功 率： 208 kW (+ - 4%)电动机参数：型 号： 三相感应电动机额定功率：240kW额定电压：380 V额定电流： 54 A 额定转速：1485 rpm 功率因数：0.85图 9 所示为压缩机组的示意图： 压 缩 机 组 发 酵 罐 群发 酵 罐 群S1S1Y432Y1 J9J16J8J1图 9 河南天方药业集团二分厂压缩机组示意图20由于所有的压缩机都并入同一管网系统工作，管线很长，所以管网阻力很大。离心式压缩机采用进气门控制，活塞式压缩机则采用运行台数控制。在目前（冬季）用气量约为 60%左右，管网压力为 0.16MPa（表压，即相对压力）的工况下，压缩机运行电流已达 90%98%，若再开大进气门电动机就会过载；夏天由于空气密度变小，所以进气门要开大，而电功率增加并不多。由于压缩机在小流量工作时效率降低，所以电流太小工作不经济；由于压缩机台数很多，所以采用工作台数来调节用气量，让运行压缩机都工作在高效状态。由于管网阻力很大，还要保证进入发酵罐的压力，所以管网压力应满足不小于 0.15MPa。图 10 压 缩 机 组 的 综 合 性 能 曲 线 和 调 速 分 析图 10 为 两 组 共 15 台 压 缩 机 组 的 综 合 性 能 曲 线 ， 第 一 组 为 11 台 额 定 流量 为 400m3/min， 出 口 全 压 为 0.18Mpa 的 国 产 压 缩 机 ， 第 二 组 为 4 台 额定 流 量 为 650m3/min， 出 口 全 压 为 0.23Mpa 的 国 产 压 缩 机 ， 选 择 出 口 压 力较 大 的 四 台 进 口 压 缩 机 变 频 调 速 改 造 ， 可 以 取 得 较 好 的 节 能 效 果 。由 图 10 可 以 看 出 ： 压 缩 机 组 目 前 的 工 作 点 在 M， 总 流 量 约 为 6800 m3/min， 压 力 为 0.16Mpa； 若 将 四 台 进 口 压 缩 机 关 掉 （ 或 者 将 转 速 降 低 到21足 够 低 ， 以 至 于 不 能 并 气 ） ， 压 缩 机 组 的 工 作 点 将 移 到 B 点 ， 流 量 为 5400 m3/min， 压 力 为 0.11Mpa， 总 的 轴 功 率 约 为 ： Pz = P×Q/f = 90×110/0.85 = 11647 kW， 11647kW/11 = 1059 kW， 尚 未 超 过 额 定 轴 功 率（ 1098kW） ， 所 以 电 动 机 也 不 会 过 载 。对 于 变 频 压 缩 机 组 来 说 ， 其 静 压 约 占 全 压 的 50%， 取 平 均 调 节 流 量 为 额定 流 量 的 50%计 算 ： 其 转 速 为 83.4%额 定 转 速 ， 管 道 压 力 约 为 0.14Mpa， 轴功 率 为 58%， 节 电 率 为 14.5%； 若 流 量 为 60%， 节 电 率 为 25.8%； 若 流 量 为70%， 节 电 率 为 21.3%； 若 流 量 为 80%， 其 转 速 为 91.8%额 定 转 速 ， 管 道 压力 约 为 0.15Mpa， 节 电 率 为 16.1%； 若 流 量 为 90%， 节 电 率 为 9.4%； 如 下 表所 示 ：流量 Q/Qe静扬程 Hst零流量10 20 30 40 50 60 70 80 90转速% 70.7 73.1 75.6 78.1 80.7 83.4 86.2 88.9 91.8 94.8轴功率% 35.5 39.1 43.2 47.6 56.7 58.0 64.1 70.3 77.4 85.2管道压力 MPa .115 .120 .125 .130 .135 .140 .145 .150 .155 .16050节电率% 43.6 41.5 36.0 32.7 29.5 25.8 21.3 16.1 9.4若 只 有 一 台 压 缩 机 采 用 变 频 调 速 的 话 ， 其 静 压 为 0.15Mpa， 约 占 全 压 的65%， 如 图 12 所 示 。 图 12取 平 均 调 节 流 量 为 额 定 流 量 的 50%计 算 ： 其 转 速 为 88.4%额 定 转 速 ， 管道 压 力 约 为 0.14Mpa， 轴 功 率 为 69.1%， 节 电 率 为 14.5%； 若 流 量 为 60%，节 电 率 为 13.2%； 若 流 量 为 70%， 节 电 率 为 11.3%； 若 流 量 为 80%， 其 转 速为 94.1%额 定 转 速 ， 节 电 率 为 8.1%； 若 流 量 为 90%， 节 电 率 为 5.4%； 如 下表 所 示 ：22流量 Q/Qe静扬程 Hst零流量10 20 30 40 50 60 70 80 90转速% 80.2 82.1 83.6 85.1 86.7 88.4 90.3 92.2 94.1 96.2轴功率% 51.6 55.3 58.4 61.6 65.2 69.1 73.6 78.4 83.3 89.0管道压力 MPa .150 .151 .152 .153 .154 .155 .156 .157 .158 .15965节电率% 20.4 18.5 17.0 15.7 14.5 13.2 11.3 8.1 5.4如 果 反 过 来 ： 进 口 压 缩 机 组 工 频 定 速 运 行 ， 国 产 压 缩 机 组 变 频 调 速 运 行 ，则 其 静 压 为 0.144Mpa， 约 占 全 压 的 80%， 见 图 13 所 示 ：图 13计 算 结 果 如 下 表 ：流量 Q/Qe静扬程 Hst零流量10 20 30 40 50 60 70 80 90转速% 89.5 90.3 91.1 91.9 92.7 93.6 94.5 95.4 96.4 97.5轴功率% 71.7 73.6 75.6 77.6 79.7 82.0 84.4 86.8 89.6 92.780节电率% 5.9 5.1 4.3 3.6 3.1 2.6 2.2 1.8 1.5在 这 种 情 况 下 ， 如 果 只 有 一 台 压 缩 机 采 用 变 频 调 速 运 行 的 话 ， 就 更 不 能取 得 什 么 节 能 效 果 了 ！23附 件： 球磨机节能技术1. 球磨机的工作原理目前球磨机普遍采用的驱动方式是：三相交流电动机 液力耦合器 齿轮减速器 皮带轮减速器。在这里，球磨机的料筒作为了减速器的皮带轮用。在球磨机重载起动时，电动机起动电流可达到额定电流的十倍以上。为了缓解起动时的机械冲击，传动环节中加入了液力耦合器，液力耦合器是通过控制工作腔内工作油的动量矩变化来传递电机的驱动能量的。电动机通过液力耦合器的输入轴拖动其主动工作轮旋转，对工作油加速，被加速后的工作油再带动液力耦合器的从动工作涡轮旋转，把驱动能量传递到其输出轴和负载。传动系统中的液力耦合器在起动时起缓冲作用，让电动机可以轻载起动，以减小起动电流，等电动机起动后再慢慢加载，达到顺利起动球磨机的作用，减小起动时的机械冲击。在工作时通过液力耦合器的调速作用，搜索球磨机的最佳工作转速，提高球磨机的效率。由于球磨机属恒转矩负载，在用液力耦合器调速时，其调速效率等于调速比，有很大一部分能量在液力耦合器中被浪费掉。2. 球磨机的生产工艺球磨机一般以固定转速运行，筒体的转速是由皮带轮或齿轮减速机构（也有用液力耦合器）决定的。球磨机的转速直接影响到钢球和物料的运动状况及物料的研磨过程，在不同的转速下，筒体内的钢球和物料的运动状况如下图所示：（a） （b） （c）（a）当转速较低时，钢球和物料随筒体内壁上升，当钢球和物料的倾角等于或大于自然倾角时，沿斜面滑下，不能形成足够的落差，钢球对物料的研磨作24用很小，球磨机的效率很低。（c）如果筒体的转速很高，由于离心力的作用，以致使物料和钢球不再脱离筒壁，而随其一同旋转，这时钢球对物料已无撞击作用，研磨效率则更低。这种状态的最低转速称为临界转速。（b）当筒体的转速处于上述二者之间的某一转速时，钢球被带到一定的高度后沿抛物线落下，对筒底物料的撞击作用最大，研磨效率最高，此时的转速称为最佳工作转速。球磨机的临界转速 nlj 为： nlj = 42.3/D （r/min ）（D 为筒体内径）球磨机的最佳工作转速 nzj 为： nzj = 0.765 nlj （r/min）实际运行表明，最佳工作转速与钢球的直径及其装载量、护甲形状，钢球与护甲之间的磨擦系数等因数有关。一般的最佳工作转速通常为临界转速的0.70.8，可见转速还是有一定的可调范围，但调节范围不大。实际球磨机的转速与最佳工作转速的误差一般小于 6%，所以若球磨机采用变频调速搜索最佳工作转速，提高研磨效率的节能效果也在+ - 6%以内。3. 球磨机变频调速节能控制系统的工作原理。除了采用变频调速搜索最佳工作转速，提高球磨机的研磨效率所取得的节能效果之外，由于球磨机在设计时，都考虑到保证电动机的最大输出转矩，而实际生产过程中，往往达不到最大输出转矩，电动机处于轻载（不满载）工作状态，其功率因数和效率都较低。这时可通过变频器的节能运行功能，通过降低变频器的输出电压，自动调整与生产实际需要相匹配的输出转矩，达到提高电动机的功率因数和效率而节能的目的。另外由于变频器一般为“交直交”电压源型变频器，中间直流环节有大的滤波电容的存在，可以大大提高变频器输入端的网侧功率因数，降低传输电流，从而降低电能在线路中的传输损耗，不但具有节能效果，而且可以降低供电系统的容量，减少设备投资。或在同样的电网容量下，允许多安装球磨机设备。254. 应用效果球磨机安装变频节能控制系统后，取得了以下效果： 因消除了起动时的冲击，延长了机轴、波箱齿轮，皮带等机械件的使用寿命，减少了维修费用。 球磨机使用变频调速后，起动电流可比原先小 5 倍以上， （如 400kW/6kV电机原先的起动电流在 200A 以上，变频节能控制系统起动电流为 20A30A之间） ，实现了真正的软起动，也收到了节能的效果。由于起动电流大大减小，不会造成对电网的冲击和电网电压的下降，消除了因球磨机起动而引起的其它用电设备跳闸或故障，在同样的电网容量下，并可增加装机台数。 可以通过变频器方便地设定研磨时间，加磨时间和自动停机功能，使操作更加智能化，人性化。球磨机变频调速节能系统的节能效果一般可达 8%10%左右。