新一代节能型螺杆空气压缩机.pdf

2 0 0 6 年第3 期 总第1 9 7 期 压缩机技术 聊 - o o s 新一代节能型螺杆空气压缩机 曹 恒 逸 上海英格索兰压缩机有限公司，上海 2 0 0 0 3 0 摘要 介 绍一种 国外研制 的节能型螺杆空气压缩机 ，它由 HP M 混合永磁 电机驱动 ，成为 真正意 义 上 拥有调速变频驱动的螺杆 空气压缩机，并指 出了实际的应用和 节能。它是对 大量使 用 的螺 杆空压机 提 出实际有效的运行 节能的 尝试 。 关键词 混合永磁 电机 ；螺杆空压机 ；节能运行 中图分类号 T H4 5 5 文献标识码 B 螺杆压缩机经过半个多世纪的开发应用 ，在技 术上得到 了很大的发展。其中又以喷油螺杆空气压 缩机 的应 用发 展最 快 、最 广泛 。在 空气 动力 用 的压 缩机领 域 ，作 为 同是 容 积 式 压 缩 机 的 螺 杆 空 压机 ， 其综合运行经济性 已被事实证 明，比习惯使用 的往 复式空压机来得更优越。尽管如此，作为越来越广 泛使用的螺杆空压机，仍然消耗着大量的能源，仍 是许多企业 中的用电大户。因此，如何进一步改善 螺杆机械 的性能，特别是降低螺杆空压机的运行能 耗，仍是当前研发的重大课题。 1 螺杆 空气压缩机的节能途径 自从螺杆机械诞生，螺杆转子的型线，经历了 多次的改革 。随着计算机技术的发展，人们已能开 发 目前 所认 识 的多 种高 效率 的型 线 。世 界上制 造 螺 杆空压机的厂商，也都能使用所谓的第 3代高效率 的型线。同样，对整个螺杆空压机系统 的研究和应 用，也 已大致类同。要在短期 内，从螺杆机械上获 取可观的节能则显得更为艰巨。同时，从能耗角度 上讲，用户更关心的不是空压机轴功率 的能耗 比， 而是输入功率的能耗比。为此，人们把节能的潜力 关注 在空 压机 的运 行上 。 另一方面，根据美国能源部 2 0 0 2年 的调研报 告，各 国 空压 机 使 用 的 负载 率 几 乎 不 可能 超过 9 0 ％ 见 图 1 。因此，空压机 要运行节 能，除了 满载时，输入的能耗 比要低，而且在部分负载和无 负载时也要节能。就此而言 ，对螺杆空压机的气量 调节提出了更高的要求。 收稿 日期2 0 0 6 0 42 4 平均 美国 英国 西班压 法 国 意大利 新加坡 中国 全球各地 区平均使用 空压机 负荷 的百分 比 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 图 1 摘 自美 国能源部 2 0 0 2年调查报告 通常调节螺杆空压机气量有 3种方法 1 进 气节流调节 ； 2 改变转子有效长度调节； 3 改 变转子转速调节。从节能角度讲，改变转子转速调 节是最有效的。为此，人们想到 了变频电机，当然 它比固定转速的其它调节方法要节能。但是，由于 通常的变频电机在转速下降时，会引起 电机功率因 素和效率的下降，根据测试它 比传统空压机在相同 的功率 下产气量会下 降 1 0 ％～1 5 ％。因此，它还 不是最理想的驱动机。而且，通常的电机还不能频 繁地 启、停。在 此，螺 杆 空 压 机 要 消 耗 2 5 ％ ～ 3 0 ％的空载功率 ，于是人们期待着一种新的驱动 电 机 的 出现 。 2 一 种新的螺杆空压机 变速驱动电机 为了满足螺杆空压机运行中的节能，必须有一 种高效率变转速的驱动电机。当空压机满负荷运行 时，电机能高效运行 ；当空压机处于部分负载时， 电机能随气量改变转速，并仍保持高的效率 ；当空 压机不需要 负载时，电机能无限制地启、停，将能 耗降为零。这就是美 国英格索兰公司同世界著名电 维普资讯 4 2 压 缩机 技术 第 3 期 气制造商共 同开发的一种 HP M 混合永磁 电机。 HP M混合永磁 电机同普通三相异步电机相 比， 在结构上有如下不同 1 电机定子的绕阻非整体 式绕制，而是分 为 8～1 2组镶 装在 电机 的定 子座 里 ； 2 电机转子的矽钢片上分别镶装着几条永磁 铁 见图 2 。 由于永磁铁的存在，使 电机定子上 的电磁线 圈在定子和一排排永磁铁之间产生了强大 的电磁力，磁通量被增加 3倍，从而使同功率 下， 电机的长度可缩短至 1 ／ 3 。因此， 电机 的转子可省 去支承，悬挂在任何被驱动的转子轴上。 图 2 HP M 混合永磁电机 混合永磁电机同普通 的三相变频 电机相 比，在 性能上有如下的特点 1 变速范围大。在整个变 速范围，电机的效率及功率因素几乎不变 ； 2 电 机可无限制地启、停，不会造成 电机温升增高 、电 流增大 ； 3 电机冷却效果和运行可靠性好。这是 由于磁力强度的增大，使 电机定子与转子之间的间 隙增 大 了一倍，大大 改善 了冷 却 效果。3 7～1 6 0 k W 混合永磁电机参数见表 1 。 表 1 电机功 最高效 调速 调速 中 调速 中 率，k W 率， ％ 范 围 效率。 ％ c o s t 3 7～ 7 5 9 5， 8 2 5 ～ 1 0 0 9 2． 4～ 9 4． 6 0． 9 6～ 0． 9 4 4 9 0～ 1 6 0 9 7． 2 2 8～ 1 0 0 95 ， 2～ 95． 1 0． 9 03 ～ 0． 91 3 3 英格索兰 NI R VA NA螺 杆空气压缩机 美国英格索兰公司利用 HP M 混合永磁 电机来 驱动喷油 和无油螺 杆 空压机，开发 了 NI R VA NA 系列新一代节能型螺杆空压机，本文仅介绍 NI R v A NA喷油螺杆空压机的特点。 NI RV AN A喷油螺杆空压机同普通喷油螺杆空 压机相 比，驱动部分的结构被大大简化 见图 3 。 传统的喷油螺杆空压机驱动HP M 混合永磁 电机驱动 图 3 传动 的螺杆机驱 动同 NI RV AN A螺 杆驱 动的 比较 使用 HP M 混合永磁电机的 NI R VAN A喷油螺 在一起，用模块 化集成于 机箱 内一个 低压控制柜 杆空压机，其电机的定子是用法兰同螺杆主机的机 内。不但操作维护方便，而且运行可靠。每台空压 壳面联接，而电机的转子是悬挂在螺杆主动转子的 机相当于有 8 0套 电子齿轮，可按用户实际用气的 轴上。因此，它省去了电机的轴承、密封。从整个 气量和压力， 自动实现优化控制。当空压机负载率 传动装置上看，又省去了传统齿轮箱、齿轮 以及联 低于 2 5 ％时，空压 机不需 要空 载运行 消耗 电能， 接的同心度要求。所以，除了机组传动效率高，还 而可直接停机，将能耗 降为零。一旦系统压力低于 令用户高兴的是省去了 日常麻烦的定期更换 电机轴 设定压力 ，空压机又会 自动软启动。 承润滑油脂的维护。 另外，NI RV AN A喷油螺杆空压机同普通变频 使用 HP M 混合永磁 电机要在运行中节能，还 空压机还有一点不同，当转速降低，气量减少时， 要借助于一套完整的控制系统。NI R V ANA空压机 它能实现 喷油量的调 节，使流动 损失更小，更节 也进行了优化设计。它将电机的变速控制、软启动 能。 控制 以及空压机的常规运行和保护控制 ，全部整合 N I R V A N A 喷油螺杆同普通 喷油螺杆测试性 能 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 第 3期 曹恒逸 新一代节能型螺杆空气压 缩机 4 3 比较如下 见图 4 ，如果按空压机通常情况下，平 均负载率 为 7 0 ％计 算，NI R V A NA 空压 机可 降低 喜 碍 芝 箨 NB rA NA Nl l O M l l 0 2 2 ％～3 0 ％能耗。所 以，N I R V AN A 可 以说 是 目前 唯一真正意义上拥有调速变频驱动的螺杆空压机。 流量 m ／ m i n 图 4 NI R VA N A空压机 1 1 0 k w同普 通喷油螺杆空压机变工况测试 4多台螺杆空压机的节能运行 对大多数用户来讲，出于对用气的考虑，在压 缩站房内，往往会使用多台空压机。从运行节能考 虑，除了利用多台空压机来调节用气负荷外，最理 想的方法是选其 中一台为节能型调速螺杆 空压机， 来用作部分负载时的调节，这样不但初次投资增加 不多，而且 日后的运行更节能。表 2是一个实际用 气 的配 置。 表 2 自动切换 的机型 用气量，IT I ／ mi n 日班 ML 1 1 0 ML 7 5 I RN一7 5 3 0 ～4 6 中班 ML 1 1 0 I RN一7 5 2 0 ～3 3 夜班 ML 7 5 I RN一7 5 1 3 ～2 6 用餐时 I R N一7 5 3 ． 7 ～1 3 注 ML l l 0和 ML 7 5是晋通 螺 杆机， 气量 分别 是 2 0 m ／ mi n 和 1 3m ／ mi n 。 I R N一7 5是 NI RV ANA调速 节能型 螺杆 空压机 ，气 量是 3 ． 7 ～1 3 m ／ mi n 。 对于上述用户空压机站房的配置，可通过英格 索兰 l E O智能控制器来设置系统的单点控制压力 ， 实现 自动切换控制。 压缩空气系统的集 中控制，除了要实现系统的 N球、 NA Nl l O M l l O 单点压力控制，以避免过大压力带所造成的功率损 失，而且，还要尽量避免系统控制压力同实际使用 压力 的差 异。这 可 以通过 英格 索兰 提供 的 I n t e 1 ． 1 i F l o w智能压力控制器来实现，其系统控制的压力 同实际使用的压力波动仅为 0 ． 0 5 b a r 。 5 结 束语 美国英格索兰采用 HP M 混合永磁 电机开发 的 NI R V AN A调速螺杆 空气压缩 机，对 于螺杆 空气压 缩机的节能的确是一次重大的技术革新。虽然， 目 前在国内投入运行才近百台，还需要不断地收集和 积累运行经验，此类 HP M混合永磁电机还只开发到 1 6 0 k W，有待我们进一步去研究开发，但是，作为 能向大量使用的螺杆空压机，提出非常切合实效的 运行节能的尝试，还是非常令人可喜的。我们坚信 经过不断努力，一定会带来螺杆空气压缩机革命性 的变革，为改善人类 日渐紧缺的能源做出贡献。 作 者简介 曹恒逸 1 9 4 6一 ，男，高级工程师 ，从 事压缩机制造 、 设计 、应用技术 已 4 0余年，设计 的石油气 负压螺杆 压缩机 和乙烯 气 回收螺杆压缩机 曾获上海市科技进步 2等奖和国家重大科技 3等 奖。现任英格索兰工 业 系统 空气 解决 方案组 团 中国 区技术 经 理，兼任国家压缩机技术标准委员会会员。 上接 第 1 7页 4 结论 这种常规的刀具设计方法，能够非常精确地设 计出各种型线所对应的刀具刃形。而以上简化的校 核方法，则 能够可靠地检验出所设计的刀具是 否正 确，从而缩短设计的周期、避免 因设计失误带来的 损失。 参考文 献 [ 1 ] 李文林，周瑞秋。赵超人 机械工业出版社，1 9 9 0 ． [ 2 ] 邓定国，束鹏程 ．回转式压缩机 修订 本[ M] ．北京 机 械 工业出版社，1 9 8 8 ． [ 3 ] 张诚坚，高健 ，何南忠 ．计 算方法 [ M] ．北京 高等教 育 出版社 。1 9 9 9 ． [ 4 ] 邢子 文．螺杆 式压 缩机 一理 论，设计 及应 用[ M] ．北京 机械工业 出版社 ，2 0 0 0 ． [ 5 ] 吴宝 志．螺杆式制冷压缩机 [ M] ．北京 机械工 业出版社 ， 1 9 8 5． [ 6 ] 刘扬娟 ．铣刀坐标的复 算性计 算 [ J ] ．压缩 机技 术，1 9 9 6 ， 2 6 9 ． [ 7 ] 曹青 ，邱 李 华，郭 志强 ．V i s u a l B a s i c 程 序设 计 教程 [ M] ． 北京 机械工业出版社。2 0 0 1 ． 作者简介 董瑞 兵 1 9 7 9一 ，男，机械工 程师，研 究 方向 螺杆 团转式制冷压缩机 [ M] ．北 京 压缩机的理论及设 计。 维普资讯