摘 要：文章对空压机的运行特点以及节能优化改进措施进行了阐述，着重介绍了集中控制技术中变频调速及余热回收技术的节能优化，并结合实际案例对空压机节能改造及节能效果进行了分析。
关键词：空压机；集中控制；节能；变频调速；余热回收
1 概述
在社会生产领域中，压缩空气是一种清洁、环保、方便的能源，是目前应用最广泛的第四大能源，主要为气动元件、气动阀门等用气设备提供气源。空气压缩系统是一种运行成本远高于购置成本的生产设备，据有关资料统计空压机的电能消耗成本通常超过总运行成本的75%。随着全球能源危机的不断突显，在空压机的使用中能耗问题已经引起各国的高度重视。因此，如何有效降低空压机的能耗是整个系统的节能关键所在。
2 空压机运行的能耗特点
2.1 空载运行耗能大
一般情况下空压机的选型是按最大负荷量来选型，实际运行中是设定压力控制的上下限。在生产过程中，压缩机的工作是间歇性的进行加载和卸载，在空载状态下，空压机的进气阀关闭，停止输送压缩空气，此时压缩机处于空转状态，压缩机仍然要消耗约30%的功率，这部分的能源就白白的浪费了。
2.2 频繁加卸载对电网冲击大
在工矿企业中，空压机使用的功率往往都较大，其频繁的启动会造成电流对电网的冲击较大，导致电网的不稳定和其他生产设备的安全，进而影响产品的质量；同时，也容易造成空压机本身的机械磨损加大，缩短设备的使用寿命。
2.3 冷却系统对空压机的影响
空压机的冷却系统的作用是提高空压机的运行效率、降低功耗。实际运行中的空压机排气温度每降低10℃，压缩机的功率损耗会下降3%左右。因此，经常做好空压机的冷却系统的检查维护可以减少油耗及系统的运行成本。
2.4 供气压力大小的影响
在实际应用中，供气压力每增加0.1bar时，相对应的功耗会增加0.3%～0.5%，定期对设备的油分离器、精密过滤器、干燥机的清洗和更换能有效地减少压缩空气传输过程中气源压力的下降。供气传输过程中科学合理地配置管网管径大小、增加供气管路的气密性都是有效降低供气管网压力下降的有效方法。
3 空气压缩系统的节能降耗途径
3.1 集中控制技术
目前，很多生产企业使用压缩空气主要还是采用分散的控制方式，在应用中无法对每个用气环节的用气量多少、气压大小、排气温度高低等数据进行一个集中的监控。实际操作中控制精度低、管理不便，无法实时的根据用气量做到精确调节供气出口压力；在管网压力要求较低的时候，空压机效能不能得到很好的利用。
集中控制系统主要包含多台空压机的集中控制和进气方式的集中控制，空压机的集中控制是通过单点的压力控制代替多台空压机的压力控制，从而减少系统的压力带宽。这样可以让系统中的某一台空压机运行在加卸载或变频状态，其它的空压机满载运行，避免多台空压机持续的加卸载产生的电流冲击和能量的浪费，使整个系统的供气压力更为稳定。集中控制系统联机自动控制保护可以避免空压机的同时启动、停止、加载、卸载，有效地防止了大功率设备同时启动对电网的大电流冲击。根据统计，在实际应用中系统的压力每下降1bar时，能耗会减少7%-15%。
采用进气方式的集中预过滤处理也能有效地延长滤芯的使用寿命及设备的重复投入，降低功耗、节省开支。
3.2 余热回收技术
空压机在长期、连续的运行过程中，空气被剧烈压缩，产生大量的热能，同时空压机的机械部件的高速运转也会产生大量的热能，这部分的温度可达90℃左右。节能改造后，通过采用水冷却余热系统的回收技术，压缩空气经冷却器冷却后，最后送入使用系统；而高温高压的润滑油经冷却器冷却后，返回油路进入下一轮循环。对于采用空气冷却系统的设备，余热回收后的热气流通过温控系统、输送系统可作为员工生活用水、办公采暖或热交换器的预热。热量被回收后，实现能源的二次利用，做到了资源的节约。
4 集中控制系统应用案例
4.1 系统的建立
本系统采用ABB的PLC编程软件、SIEMENS WINCC组态软件及ABB的变频器设计为多台空压机的连锁控制。同时通过现场PLC与空气压缩机的电脑控制面板进行485通讯，读取空气压缩机的运行参数，并通过以太网上传至上位机电脑，方便数据查询以及故障回查，使操作人员能随时掌握设备的运行情况。根据实际情况建立三个空压站，系统框图如下。
图1 空压站系统框图 图2 空压机集中控制系统组成结构
集中控制系统的包含3个空压站的控制，每个空压站中都配有三台螺杆式空气压缩机及干燥机、水泵和水塔，每个站中根据不同情况都增加不同负载的变频控制，该变频设备可进行变频或工频两种模式切换。3个空压站系统公用一个上位机系统，每个空压站内包含一个PLC集中控制柜和一个变频柜。当空压机选择变频工作时，不论是远程还是本地操作，只要设备变频工作，PLC系统就会根据压力传感器反馈的压力值对变频器进行PID调节控制。
4.2 变频控制技术
在实际的生产应用中，负载的大小是动态变化过程，故空压机的供气量的大小也要跟着用气端用气量的变化而改变，这样会导致供气的压力产生波动，用气的精度达不到生产工艺的要求影响产品的品质。根据电机的转速与电源频率成正比的关系，采用变频控制技术，可以通过改变电源的频率大小而改变电机的转速，从而达到调控空压机的产气量大小。整个变频控制系统主要由变频器、压力变送器、PLC、空压机等器件组成。通过压力闭环控制系统，使管网的反馈压力与所设置的压力进行比较，得到偏差值，经PID调节器计算后通过PLC实时的控制变频器作用于电动机的运行频率，再由变频器输出相应的频率和幅值的交流电，在电动机上得到对应的转速，从而达到动态调节电机转速的目的，直到管网压力与设定值相同，最终使系统达到恒压控制状态，实现节能优化的效果。通过系统的余热回收技术，解决了企业长期为员工生活热水、生产加热液体、空调系统恒温加热等这些承受的经济负担。
5 结束语
在系统优化节能改造后，通过系统运行半年的数据统计：全厂月平均耗电29.34万度，比改造前节电约5.4万度，节能率约18.5%，按当地电费0.7元计算，全年节约电费可以达到45.4万元左右。空压站集中控制系统供气节能优化改造后，直接带来了可观的经济效益，车间的布局也起到了美化的效果，有效节约了设备的维修成本、人工管理费用。极大地提高了全厂空气压缩系统安全性、可靠性。
参考文献
[1]王廷才.变频器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2009，7.
[2]石征锦.压缩机节能控制系统的设计和应用[J].节能，2008（3）：33-34.
[3]陈诗一.节能减排与工业发展转变的研究[M].北京大学出版社，2011.
作者简介：柳振宇（1974-），男，福建福清人，汉，本科学历，高级讲师，现为天津职业技术师范大学控制理论与控制工程专业在读硕士研究生，主要从事电气自动化方面的研究。
刘玉敏（1965-），女，天津人，汉，本科学历，副教授，主要从事电气工程方面研究。