一、前言

在工業(yè)生產中，壓縮氣體的使用非常普遍。在工廠內，若干臺空氣壓縮機安裝在一個地方，就構成一個空壓機站。四川自貢鴻鶴化工實業(yè)有限公司有一氫壓機站，安裝有3臺110kW防爆往復式活塞式氫壓縮機，用來壓縮氫氣。在設計選用氫氣壓縮機電動機容量時，過多考慮建設前后長期工藝要求的差異，使裕量過大。另外，設計過程中很難作準確的計算，考慮長期運行過程中可能發(fā)生的各種問題，通常是將氫氣壓縮機滿負荷長時間運行來作為選型的依據，但氫氣壓縮電動機的系列是有限的，往往選不到合適電動機型號就往上靠，大20%~30%的比較常見。由于上述的原因，實際生產中氫氣壓縮機輕載運行的時間會顯著增長。

另外，由于生產上使用氫氣的不均勻性，用氣量是在動態(tài)變化的，有時需要同時運行數臺氫壓縮機供氣，而有時一臺氫壓縮機產的氣都有富余，但氫壓縮機仍在全速運行。氫氣壓縮機出廠時配套的排氣壓力調節(jié)裝置為關閉進氣管式壓力調節(jié)器，其工作原理是當儲氣罐(風包)內空氣壓力達到或超過設定壓力(0.82MPa)時，壓縮機進氣管上碟閥自動關閉，壓縮機進入空轉卸荷狀態(tài)。當儲氣罐內空氣壓力低于設定壓力(0.77MPa)時，壓縮機進氣管碟閥自動開啟，壓縮機又進入滿載工作狀態(tài)。

氫氣壓縮機的排氣量和壓力，在運轉中也不是不變的，但工藝上的需求是動態(tài)改變的，所以氫氣壓縮機工作時總是在重復滿載-卸荷工作方式。滿載時的工作電流接近電動機的額定電流，而卸荷時的空轉電流約為35~50%電動機額定電流，這部分電流不是做有用功，而是機械在額定轉速下的空轉損耗。這種機械式調節(jié)裝置雖然也能起到壓力調節(jié)作用，但是壓力調節(jié)精度低，壓力波動大。氫壓縮機總是在額定轉速下工作，機械磨損大、且運行在低效狀態(tài)，電耗高。

如采用變頻調速，根據需要來調節(jié)電動機的轉速，使之在高效狀態(tài)下減少電動機的運行功率，可在滿足生產工藝要求的條件下達到節(jié)能的目的。從運行質量的角度看，氫壓縮機系統(tǒng)大多不能根據負載的輕重連續(xù)地進行調整。而采用變頻調速后，則可以十分方便有效地進行連續(xù)調節(jié)，保持壓力、流量等參數的穩(wěn)定，從而大大提高壓縮機工作效率及性能。

二. 氫壓縮機節(jié)能原理

根據空氣壓縮理論，氫壓縮機的軸功率P_Z(kW)，排氣量Q_D(m³/min)和轉速n(r/min)符合下列公式：

式中：--氫壓縮機輸入的平均扭矩N·m

      K—與氣缸容積、壓力、溫度和泄露有關的系數

      n₂—調節(jié)后的壓縮機轉速，r/min

      --氣缸容積,m³

根據上述理論分析，在氫壓縮機的氣缸容積不能改變的條件下，只有調節(jié)氫壓縮機的轉速來改變排氣量；氫壓縮機是恒轉矩負載，壓縮機軸功率與轉速的一次方成正比變化；在氫壓縮機總排氣量大于供氣量時，通過降低壓縮機轉速調節(jié)供氣壓力，是達到壓縮機經濟運行的有效方法。

在可以選用的交流異步電動機調速方法有變極調速、改變皮帶輪傳動比、繞線式電動機轉子串電阻調速等。變頻調速與其它調速方法相比，具有無極調速、容易實現自動控制、不用改變設備結構和安裝工作量小的特點，高效調速且節(jié)能。即交流異步電動機變頻調速，是一種不耗能的高效的調速方法。

三. 變頻恒壓供氣

變頻器、壓力變送器構成壓力閉環(huán)系統(tǒng)，自動按需降低氫壓縮機轉速調節(jié)供氣壓力，達到壓縮機經濟運行。考慮在儲氣罐上安裝一只壓力變送器，將壓力信號反饋到變頻器的端子上，構成恒壓供氣系統(tǒng)，供氣壓力設置為0.8MPa。

氫壓縮機電動機的額定電流應等于或小于恒轉矩變頻器額定電流。變頻器要有內置PID調節(jié)器和4～20mA模擬信號接口。本例選用一臺森蘭SB70G132變頻器，壓力變送氣選用森納斯DG13W=BZ-A，1.6MPa。恒壓供氣原理圖如圖2所示：

圖中：由壓力傳感器PT從貯氣罐取出壓力反饋信號，送至變頻器內部PID調節(jié)器的輸入端，與預置的壓力給定信號相比較，經PID調節(jié)器處理后，從而決定電動機的工作頻率和轉速。此種控制方式在保證儲氣罐氫氣的壓力始終保持恒定的前提下，在用氣量改變時自動調節(jié)電動機轉速，保持高效率運轉實現節(jié)能。

圖2  恒壓供氣原理圖

變頻器控制第一臺氫壓縮機，給定調節(jié)用變頻器上的操作鍵盤，變頻器的多功能輸出Y1、Y2接第二和第三臺氫壓縮機的自耦減壓起動器的起動/停止電路，這樣可由變頻器的輸出控制另外兩臺氫壓縮機的運行或停機。手動運行時，第一臺氫壓縮機由變頻器控制，第二和第三臺的氫壓縮機可用自耦減壓起動器人工起動/停止。自動運行時，第一臺氫壓縮機首先變頻運行，當變頻器的輸出頻率已達到50Hz，供氣量仍不足，變頻器的輸出節(jié)點Y1、Y2動作，起動第二和第三臺氫壓縮機工作；如供氣量大于給定值時，系統(tǒng)自動停止第二和第三臺的氫壓縮機工作，通過閉環(huán)調節(jié)可實現恒壓供氣。

氫氣為可燃性氣體，氫壓縮機的工作場地有爆炸危險，SB70G系列變頻器的防護等級為IP2O，顯然不能在有爆炸危險的場合。將變頻安裝在沒有爆炸危險的配電房內，用遠方控制盒在壓縮機旁進行操作，遠方控制盒也要考慮為本質安全性的。

四、注意事項

1、由于空氣壓縮機的轉動慣量大，在選用變頻器時應根據具體的工況條件和現場的運行電流情況確定選配的變頻器容量。

2、壓力傳感器應在壓力變化不是相對劇烈地方，最好安裝在儲氣罐上。為避免干擾，壓力傳感器的信號盡量采用4～20mA電流信號，傳輸線用雙芯屏蔽線。

3、在變頻器的控制系統(tǒng)中應設有開環(huán)和閉環(huán)兩種控制模式，以便于調試和特殊情況下使用。

4、由于空氣壓縮機不允許長期工作在低頻狀態(tài)下，在低頻下運行不但穩(wěn)定性變差，而且容易出現喘振，另一方面也使缸體的潤滑變差，會加快磨損，故應設定合理的、有效的、安全的工作頻率下限。具體的設定要根據不同的工況、不同的使用條件和要求，耐心細致地調整。

五、節(jié)能改造后的效果

壓縮機于2005年8月改造完成，經過三個月的運行，達到了預想的目的。不論生產工藝如何改變，也不論供氣量如何改變，恒壓供氣的氫氣壓力維持在0.8MPa左右，供氣質量大幅度提高。

變頻調速后，空壓機零速平滑起動，提高生產安全性。氫壓縮機任何時候不再是全速運轉，轉速降低后，工作環(huán)境噪音也相應下降；轉速降低后，機械的磨損隨之減小，有利于增長壓縮機的壽命，降低維修成本。

節(jié)能方面，由壓縮機的公式可見，壓縮機消耗的軸功率P_Z(kW)與軸轉速n(r/min)成正比，而壓縮機的排氣量Q_D(m³/min)又與軸轉速成正比，則壓縮機消耗的軸功率P_Z(kW)就與壓縮機的排氣量Q_D(m³/min)成正比，降低轉速可節(jié)省軸功率，經實測節(jié)電率達到26%，取得了較好的經濟效益。