变频调速冷却系统在螺杆空压机控制中的应用
发布日期：2016-03-10 来源：《上海设备管理》
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一、引言
目前，在各种工矿企业运行着大量喷油螺杆空压机，其中有部分为变频螺杆空压机，其主要特征是驱动压缩机的主电机通过变频器进行调速，实现恒定压力供气，而其中排气温度控制是通过温控阀分别控制流向油冷却器至机头和旁通短路直接回机头的不同流量比例的润滑油来实现的，随着空压机运行环境温度高低不一，工作负荷状态变化频繁，排气温度波动较大，当排气温度过高时，减小旁通管道的流量，进而增加进入油冷却器管道流量，实现降低润滑油温的目的；当排气温度过低时，增加旁通管道的流量，进而减少进入油冷却器管道流量，进而升高油温，自动控制进入机头的润滑油温度，防止过高或过低的排气温度，延长润滑油寿命，并确保安全。由于石蜡阀芯结构模式的温控阀受本身技术性能限制，其调节行程和响应速度往往不尽人意，在寒冷的冬天，或当压缩机在低频状态下运行时，对于空压机特别是水冷空压机，常常发生温控阀不能完全调节，从而发生润滑油因排气温度低于压力露点温度而发生析水现象，导致润滑油乳化引起机头润滑失效；而在夏天，当压缩机满负载运行时，很有可能发生机头排气温度过高，从而引起润滑油寿命缩短甚至碳化，影响机组的运行效率和使用可靠性。因此需控制压缩机的排气温度，使之在一个合理的范围之内，以避免上述现象的发生。另外，考虑到螺杆空压机须满足在高温环境满负荷状态下长时间运行的需要，因此冷却系统负荷量只能按最大冷却量需求进行设计，空压机运行时，冷却系统在启停模式控制下满负荷运行或停止，排气温度值呈波浪式起伏，同时噪声对整机的影响较为明显，为了响应国家“节能降耗，降本增效”号召，采用变频调速冷却方案实现对变频喷油螺杆特别是大功率机组恒温排气、恒压供气、提高空压机运行可靠性和节能降噪，显得日趋重要和必要。
本文所阐述的变频调速冷却系统应用于普通变频喷油螺杆空压机，也可适用于普通工频喷油螺杆空压机，与传统以稳定排气压力为目的的变频机组合使用，实现压缩机的恒温排气和恒压供气，保证机器的稳定运行，也就是所谓新型双变频喷油螺杆空气压缩机，本文中，以风冷机型变频风扇为例进行分析（如果是水冷机型则为变频水泵），而对传统的恒定压力供气技术，鉴于应用广泛和技术成熟，不再赘述。
二、变频冷却系统技术条件和控制原理
变频调速冷却系统以空压机排气温度（油气混合物）作为控制对象，采用常用的PID过程控制，由风扇用变频器、压力传感器、PLC可编程控制器、风扇电机、冷却器、风扇等组成闭环负反馈恒温控制系统，通过风扇电机变频驱动的冷却系统实现。压缩机的排气露点温度与进气温度（环境温度）、机头进气压力、环境相对湿度、机头排气温度及排气压力有关，进气压力正常默认为标准大气压，环境温度，机头排气压力按最高工作压力进行设置，机头排气温度通过温度传感器将检测到的温度信号送至处理器。相对湿度根据当地实际情况手动输入PLC，通过处理器进行运算得出当前露点温度，在此基础上加上一定的安全裕度形成排气温度目标设定值。DIP智能调节器以实际当前排气温度为被控量的反馈信号，与排气温度目标设定值进行比例；积分计算，转换成4～20mA电流信号后反馈到变频器，构成负反馈系统，从而调节风扇电机输出频率和转速，使空压机的实际排气温度动态的维持在目标设定值上，从而达到恒温与节能的目的。当排气温度高于目标设定值，风扇电机增加工作频率，冷却速度加快，从而降低排气温度；反之，当排气温度低于目标设定值，风扇电机减小工作频率，冷却速度降低，进而排气温度升高。从而实现螺杆空压机的冷却系统的冷却功率动态的匹配机组的即时消耗功率，并实现螺杆空压机排气温度的恒定。
风扇变频器输出变频范围采用15～50Hz，满足从空载、低排气量以及低环境温度到满载、高温环境等各种复杂运行工况，为了保证机组的可靠性，风扇电机同空压机主电机一样，采用独立冷却风扇进行自身的冷却。
三、变频冷却系统技术方案的实施
空压机变频调速冷却系统为：在螺杆机头排气口采样点处安装温度传感器，油气桶出油口与冷却器并联一路配有常闭电磁阀的油路，油冷却器和后冷却器通过变频风扇冷却，变频调速冷却系统设计需兼顾各种工况要求。
冷却系统风扇电机以最高频率50Hz运行时，冷却能力同时满足下述要求：
（1）最高允许环境温度46℃；
（2）最高允许排气工作压力；
（3）空压机主电机最高频率（一般为额定频率50Hz）。
变频调速冷却系统风扇电机以频率15Hz运行时，冷却能力空滤须与下述工况匹配：
（1）较低的环境温度；
（2）机器在卸载状态；
（3）空压机主电机最低频率（全变频空压机，一般采用15Hz）。
当风扇电机以频率15Hz运行时，上述工况同时发生时，有可能发生冷却能力仍超过系统要求，排气温度逐渐越来越低于目标设定值，一旦低于最低控制温度Tmin时，风扇停止运行，在正常情况下，风扇停机几率非常小或周期较长。
关于空压机排气温度控制点，假设以一台额定排气压力为8kgf/cm2机器为例，在60%相对湿度时，从30℃的环境温度标准大气压力下压缩到8kgf/cm2时，相应的饱和温度为63℃，考虑到工况的各种变化和传感器检测精度，为了保证机头排气油气混合物绝对不会出现冷凝水，通常控制排气温度不得低于70℃，我们考虑到变频数据上下波动，在正常情况下，排气温度目标设置值高于排气最低控制温度5～8℃，控制器通过内部计算程式，将目标排气温度自动设置为78℃，PLC控制器对排气温度目标设定值刷新周期一般设定为15～30min为宜。表1为环境温度30℃，相对湿度分别为60%、100%，标准大气压力下，不同排气压力下的控制温度参考设置值。
上述排气温度目标设置值Ta也是风扇启动温度控制点，Tmin为排气最低控制温度，即能够保证用户正常工作的排气最低控制温度，同时也是风扇停止运行温度控制点。
当刚开机时，常闭电磁阀得电，保证机器启动后尽可能较短的时间内，避免因油路完全经过冷却器等管道而延迟对机头供油，一定的时间后，电磁阀失电，油路全部经过冷却器，油温达到目标设置值Ta，变频风扇开始运行。
空压机正常运行时，会有各种工况变化：满载、卸载以及在恒压排气要求下，主电机进行动态变频调速，由于机组的实际功耗不断地的发生变化，需要冷却的功率不断随之发生变化，变频调速冷却系统以空压机排气温度（油气混合物）作为控制对象，风扇电机通过温度传感器输出4～20mA电流信号，经过PLC模拟输入端口送至变频器内部PID智能调节器，与排气温度目标设定值Ta进行比较，根据差值ɛ大小按既定的模式进行运算，空压机对过程时间无须太高的要求，变频调速冷却系统PDI控制模式应用选择PI调节方式即可。PID智能调节器输出的控制信号控制变频器的输出电压和输出频率，不断动态调整风扇电机的转速，对机头排气温度实现快速调节控制，从而使实际排气温度始终维持在排气温度目标设置值Ta附近上下波动。当排气温度高于目标设置值，变频器输出的电源频率升高，风扇电机转速增加，冷却速度增加，使空压机排气温度降低；当排气温度低于目标设置值，变频器输出电源频率降低，风扇电机转速下降，冷却量降低，使空压机排气温度增加；当排气温度与目标设定值基本持平，变频器就会稳定在当前频率下运行，满足系统冷却量要求，这样在变频空压机恒压排气基础上实现了排气温度的恒定，保证空压机运行于最佳运行状态。
四、变频冷却系统控制方案优点
变频调速冷却系统，可以很好的控制空压机排气温度，实现机组的恒定排气温度，相对于普通变频机型采用温控阀控制排气温度，有着如下优点：
1、实现恒定的排气温度，有利于提高压缩机螺杆机头的运行效率和设备使用可靠性，螺杆机头、密封件、橡胶油管路等零部件的工作温度一般说来有一个最佳的温度范围，对于压缩机机头的转子之间的间隙，恒定的温度对保障机头的可靠性和效率会有一定的帮助，当排气温度过高时，压缩机机头的端面间隙和齿顶间隙变小，引发机头零件互相摩擦甚至咬死的风险。
2、有利于降低油耗和延长润滑油使用寿命，保证机组稳定可靠的润滑，排气温度过高也会导致更多的润滑油处于气相，增加油气分离的困难和油耗，另外排气温度过高还会降低油的寿命，发生氧化、碳化或分解现象，而无法保证机器的正常润滑和运行。
3、变频调速冷却系统，针对机组运行时各种复杂工况，系统可准确自动设置合理的排气温度目标值，保障空压机排气温度高于压力露点，可靠的保障空压机稳定运行，目前，市场上很多压缩机的排气温度设置没有考虑到机器的排气压力和相对湿度等动态因素对即时压力露点的影响，经常发生同一型号温控阀应用于不同额定排气压力的空压机，以同一台空压机为例，见上述参数设置表：在排气压力12.5bar，相对湿度100%工况下比7bar/60%工况，压力露点要相差24℃之多，厂家和用户在不经意之中，机头因润滑油乳化、润滑失效常常导致发生机头擦壁、咬死等故障。
4、实现冷却系统的节能降耗，风扇的转速以动态适应机组的即时运行功率和恒定排气温度为目标，特别是在环境温度较低的季节或主电机以较低的转速运行时，冷却系统轻载运行的时间所占的比例是非常高的，风扇可以以较低的频率运行，减少不必要的功率损耗；通过实践证明，一台250kW螺杆空压机，正常配置的风扇轴功率为8kW，如果是采用变频调速冷却系统，风扇年平均轴功率为4～6kW，显著降低设备运行成本。
5、有效降低机组噪声和延长冷却设备使用寿命，传统的工频风扇采用启停和启动后直接满负荷运行，都直接导致运行噪声较大，变频调速冷却系统根据压缩机的实际工况要求，风扇电机根据实际冷却量需求提供相应的转速，风扇电机无须频繁启动，风扇噪声有明显的下降，从而有效地降低空压机整机运行时噪声，仍以250kW螺杆空压机为例，变频调速冷却系统整机噪声由84dB有效降至77～80dB ，另外，变频调速冷却系统使风扇电机启动实现软启动，软停车，启动电流小，无须反复启动和停止，轴承磨损小，延长冷却设备使用寿命。
五、结语
综上所述，新型双变频喷油螺杆空压机采用变频调速冷却系统，整机实现恒温排气，恒压供气，相对采用传统温控阀控制的普通变频螺杆空压机有着不可比拟的许多优点，对提高喷油螺杆空气压缩机运行效率、可靠性和稳定性具有显著的效果，目前变频器制造技术日趋成熟、生产成本逐渐降低，其经济效益非常明显。随着国家“环保节能、降耗降噪和降本增效”要求不断提高以及市场的不断推广，相信变频螺杆空压机特别是大型变频螺杆空压机组应用变频调速冷却系统会越来越广泛，实际生产和应用有着非常广阔的应用前景。
作者：王桂荣 陈鹏高 上海斯可络压缩机有限公司
