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风机水泵压缩机变频调速节能技术讲座（十一）第三讲 压缩机变频调速节能技术（2）2 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：（1） 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。（2） 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，即根据波意尔马略特定律：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。（3） 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。（4） 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3-4所示的曲线。图3-4活塞式压缩机的拖动转矩曲线由图3-4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3-5所示的曲线。图3-5螺杆式压缩机的拖动转矩曲线由图3-5也可以看出，螺杆式压缩机的负载特性属性周期性冲击负载，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。2.3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。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。因为连续数月时间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, （3-1）H/H,=(n/n,)2，p/p,=(n/n,)2 （3-2）P/p,=(n/n，)3 （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思条件，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。3、 压缩机拖动系统的节能分析4、 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：（0.96-n/ne)100。考虑到压缩机加载的卸载工况，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。其最低转速收主轴油泵的压力限制。对于容积式压缩机来说，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。采用加载/卸载控制方式压缩机的变频节电率对于采用加载/卸载控制方式的压缩机来说，如果以加载功率为100，卸载功率为30的话，可以计算出加载/卸载的时间占空比从10-100时的工频/变频电功率和节电率，如表3-1所示。 表3-1工频/变频电功率和节电率占空比100908070605040302010工频功率100938679726558514437变频功率103938374645445362718节省功率-303581113151719节电率-3036111722293851由上表可见，对于采用加载/卸载控制方式的压缩机来说，变频调速后的节电效果不容乐观：最大节省电功率不会超过加载功率的20（加载占空比10时），当占空比为50时，仅节省加载功率的11而节电率则是个相对值，尽管节省的电功率还是挺可观的（就像是液力耦合器改变频一样：节省的电功率虽然并不多，但节电率还是不小的。），尤其是当加载占空比50（17）以下时，最大可达50（10加载占空比时）。3.2螺杆式压缩机同活塞式压缩机3.3离心式压缩机（1） 当单台压缩机工作，或所有的工作压缩机同步变频运行且没有储气罐和系统反压时，离心式压缩机的节能计算方法同离心式风机；（2） 当系统中有储气罐，或并列运行的压缩机中的一部分采用变频器运行时的母管压力时，离心式压缩机的节能计算方法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（见表3-2）。 表3-2离心式压缩机系统在不同反压和不同流量时转速、轴功率和节电率罐压力Pst流量Q/Qe零流量10203040506070809010转速31.637.142.848.554，861.368.475.883.391.2轴功率3.164.277.8411.416.523.132.043.657.875.9节电率90.586.782.275.570.462.551.238.320.920转速44.749.554.459.464.569.674.880.185.892.1轴功率8.9312.116.121.026.833.741.951.463.278.1节电率79.475.270.865.359.351.542.431.217.030转速54.858.662.566.570.674.778.983.488.193.0轴功率16.520.124.429.435.241.749.158.068.480.4节电率65.662.259.153.449.542.635.025.814.540转速63.266.269.372.575.879.282.786.390.093.9轴功率25.229.033.338.143.649.756.664.372.982.8节电率55.853.549.946.040.534.528.020.912.050转速70.773.175.678.180.783.486.288.991.894.8轴功率35.539.143.247.656.758.064.170.377.485.2节电率43.641.536.032.729.528.021.316.19.460转速77.579.280.982.684.586.688.991.093.395.7轴功率46.649.752.956.460.365.070.375.481.287.7节电率30.128.426.624.522.221.315.511.96.870转速83.785.086.387.688.990.391.093.394.896.6轴功率58.661.464.367.270.373.675.481.285.290.2节电率12.411.410.39.38.315.56.25.14.280转速89.590.391.191.992.793.693.395.496.497.5轴功率71.773.675.677.679.782.084.486.889.692.7节电率5.95.14.33.63.12.62.21.81.5阀门调节功率7377808487909396983.4工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；母管压力采用起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。石家庄莫制药厂一共有十一台离心式压缩机，平时只要开5-6台就可以满足供汽压力的要求，北京某公司只改造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。3.5压缩机变频调速节能改造能效审计参数调查表（见表3-3）表3-3参数调查表客户资料单位名称联系部门联系人联系电话设备名称同类型同型号台数（使用/备用）压缩机参数项目数据备注电机参数项目数据备注型号型号效率功率*进口流量m/min额定功率kW*进口压力MPa额定电压kV进口温度额定转速rpm*类型1离心式2往复3螺杆4_额定电流A*出口压力MPa类型1同步 2鼠笼 3绕线 4_出口温度功率因数*主轴转速Rpm启动方式*轴功率kW备注若中间有其他调速设备，请注明该设备参数备注若为线绕电机，请注明，转子参数运行参数调节参数1.起停控制2满载/空载3满载/半载4进气门控制目前如何调节*阀门开度进口： %；出口 %目前阀门情况*电网电压KV*空载电流A空载时间min*满载电流A满载时间min半载电流A半载时间min*长期运行点电流A长期运行点时间min*风压需求KPa(目前运行风压)*风量需求m /min（目前运行风量）运行时间小时/天 天/年*电费元/度控制参数1压力 2流量 3人工调节 4进气门开度备注放风阀，关严（列出该设备与系统的运行规律）表中有选项的地方用红色加括号表示如（1离心式）（2鼠笼式）（4.进气门控制）改造要求四 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（1） 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。（2） 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（1） 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，其转差功率都变成了热量消耗掉了。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：（1.0-n/ne)100。考