高壓變頻器在空氣壓縮機上的應用

1 概述

陶二煤礦位于邯鄲市境內，距離市區15 km，是冀中能源邯礦集團有限公司所建的一座大型的現代化礦井。陶二煤礦1975 年建井，1982 年投產(chǎn)，設計能力為90 萬(wàn)t/年，經(jīng)過(guò)對其進(jìn)行陸續的技術(shù)改造，2006年核定生產(chǎn)能力達125 萬(wàn)t/年。陶二煤礦壓風(fēng)機房分別設在井上和井下。井上壓風(fēng)機房設計在離副井口西側約60 m處，風(fēng)機房?jì)劝惭b有2 臺SM5160-25.5/8 壓風(fēng)機與2 臺SA-250 壓風(fēng)機。壓風(fēng)管路由地面壓風(fēng)機房起始經(jīng)地面壓風(fēng)管路，至副井筒通往井下南北兩翼。南翼分別通往充電峒室、主井底裝載峒室及新南總回風(fēng)巷，以供生產(chǎn)維護使用;北翼分別通往各采區工作面。隨著(zhù)煤礦集團的發(fā)展，設備陳舊落后、耗能的現象日漸凸顯，為響應國家號召和社會(huì )發(fā)展的需要，礦領(lǐng)導決定對原有設備進(jìn)行必要的升級改造。經(jīng)過(guò)礦領(lǐng)導的多方調查研究，決定選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-280F 系列高壓變頻器對其中的2 臺SA-250 螺桿式空氣壓縮機進(jìn)行節能改造。

2 螺桿式空氣壓縮機

螺桿式空氣壓縮機由螺桿機頭、電動(dòng)機、油氣分離桶、冷卻系統、空氣調節系統、潤滑系統、安全閥及控制系統等組成。工作時(shí)電動(dòng)機通過(guò)連軸器(或皮帶)直接帶主轉子，由于主、副轉子相互嚙合，所以，主轉子直接帶動(dòng)副轉子一同旋轉。冷卻液由壓縮機機殼下部的噴嘴直接噴入轉子嚙合部分，并與空氣混合，以帶走因壓縮而產(chǎn)生的熱量，達到冷卻效果。同時(shí)形成液膜，用來(lái)防止轉子間金屬與金屬直接接觸及封閉轉子間和機殼間的間隙。同時(shí)噴入的冷卻液亦可減少高速壓縮所產(chǎn)生的噪音。螺桿機頭通過(guò)吸氣過(guò)濾器和進(jìn)氣控制閥吸氣，同時(shí)將油注入空氣壓縮室，以對機頭進(jìn)行冷卻、密封以及對螺桿及軸承進(jìn)行潤滑，從而使壓縮室產(chǎn)生壓縮空氣。壓縮后生成的油氣混合氣體排放到油氣分離桶內，由于機械離心力和重力的作用，絕大多數的油從油氣混合體中被分離出來(lái)?？諝庠诮?jīng)過(guò)由硅酸硼玻璃纖維做成的油氣分離筒芯后，幾乎所有的油霧都被分離出來(lái)。從油氣分離筒芯分離出來(lái)的油通過(guò)回油管時(shí)，因為在回油管上裝有油過(guò)濾器，所以回油經(jīng)過(guò)油過(guò)濾器過(guò)濾后，才將潔凈的油流回至螺桿機頭內。當油被分離出來(lái)后，壓縮空氣經(jīng)過(guò)最小壓力控制閥離開(kāi)油氣筒進(jìn)入后冷卻器。后冷卻器把壓縮空氣冷卻后排到貯氣罐供各用氣單位使用。冷凝出來(lái)的水集中在貯氣罐內，通過(guò)自動(dòng)排水器或手動(dòng)排出。螺桿式空氣壓縮機原理如圖1 所示。

2.1 螺桿式空氣壓縮機工作原理

螺桿壓縮機的工作循環(huán)可分為進(jìn)氣、壓縮和排氣三個(gè)過(guò)程。隨著(zhù)轉子旋轉，每對相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán)。

1)進(jìn)氣過(guò)程轉子轉動(dòng)時(shí)，陰陽(yáng)轉子的齒溝空間在轉至進(jìn)氣端壁開(kāi)口時(shí)，其空間最大，此時(shí)轉子齒溝空間與進(jìn)氣口相通，因在排氣時(shí)齒溝的氣體被完全排出，排氣完成時(shí)，齒溝處于真空狀態(tài)，所以當其轉至進(jìn)氣口時(shí)，外界氣體即被吸入，沿軸向進(jìn)入陰陽(yáng)轉子的齒溝內。當氣體充滿(mǎn)了整個(gè)齒溝時(shí)，轉子進(jìn)氣側端面轉離機殼進(jìn)氣口，在齒溝內的氣體即被封閉。

2)壓縮過(guò)程陰陽(yáng)轉子在吸氣結束時(shí)，其陰陽(yáng)轉子齒尖會(huì )與機殼封閉，此時(shí)氣體在齒溝內不再外流。其嚙合面逐漸向排氣端移動(dòng)，使嚙合面與排氣口之間的齒溝空間漸漸減小，齒溝內的氣體也隨之被壓縮。

3)排氣過(guò)程當轉子的嚙合端面轉到與機殼排氣口相通時(shí)，被壓縮的氣體開(kāi)始排出，直至齒尖與齒溝的嚙合面移至排氣端面，此時(shí)陰陽(yáng)轉子的嚙合面與機殼排氣口的齒溝空間為0，即完成排氣過(guò)程，在此同時(shí)轉子的嚙合面與機殼進(jìn)氣口之間的齒溝長(cháng)度又達到最長(cháng)，進(jìn)氣過(guò)程又再進(jìn)行。

從上述工作原理可以看出，螺桿壓縮機是一種工作容積作回轉運動(dòng)的容積式氣體壓縮機械。氣體的壓縮依靠容積的變化來(lái)實(shí)現，而容積的變化又是借助壓縮機的一對轉子在機殼內作回轉運動(dòng)來(lái)達到。

2.2 螺桿壓縮機的控制缺點(diǎn)

2.2.1 能耗分析

螺桿式空氣壓縮機的加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在

壓閥減壓至接近Pmin，這一過(guò)程同樣也是一個(gè)耗能過(guò)程。

2)卸載時(shí)調節方法不合理所消耗的能量通常情況下，當壓力達到Pmax 時(shí)，空壓機通過(guò)關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機處于空轉狀態(tài)，同時(shí)將分離罐中多余的壓縮空氣通過(guò)放空閥放空。這種調節方法會(huì )造成很大的能量浪費，因為關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機空轉雖然可以使空壓機不需要再壓縮氣體作功，但空壓機在空轉中還是要帶動(dòng)螺桿做回轉運動(dòng)，據測算，空壓機卸載時(shí)的能耗約占空壓機滿(mǎn)載運行時(shí)的10%耀15%(這還是在卸載時(shí)間所占比例不大的情況下)。換言之，該空壓機10%的時(shí)間處于空載狀態(tài)，在作無(wú)用功。

很明顯，在加、卸載供氣控制方式下，空壓機電機存在很大的節能空間。

2.2.2 其他不足之處

1)靠機械方式調節進(jìn)氣閥，使供氣量無(wú)法連續調節，當用氣量不斷變化時(shí)，供氣壓力不可避免地產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)，從而使用氣精度達不到工藝要求。再加上頻繁調節進(jìn)氣閥，會(huì )加速進(jìn)氣閥的磨損，從而增加維修量和維修成本。