双级永磁螺杆式空气压缩机的节能原理与应用

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　　摘  要：研究一种全新的双级永磁螺杆式空气压缩机，介绍了该新型空气压缩机的结构和工作原理，分析了双级永磁螺杆式空气压缩机的节能原理。结合工程应用实例，验证了双级永磁螺杆式空气压缩机的节能效果。
　　关键词：空气压缩机;双级永磁螺杆式;永磁同步电机;节能原理
　　中图分类号：TP273 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）15-0183-02
　　Abstract： A new two-stage permanent magnet screw air compressor is studied， the structure and working principle of the new air compressor are introduced， and the energy-saving principle of the two-stage permanent magnet screw air compressor is analyzed. Based on examples of engineering application， the energy-saving effect of two-stage permanent magnet screw air compressor is verified.
　　Keywords： air compressor; two-stage permanent magnet screw; permanent magnet synchronous motor; energy saving principle
　　1 概述
　　空气压缩机是将动能转变为气体压力能、并输出压力气体的机械[1]。空气压缩机是工农业生产中常用的机电通用设备，其耗能占工农业生产设备耗能的10%-40%[2]。因此，空气压缩机节能改造，实现其节能降耗的空间很大。螺杆式空气压缩机就是近些年在国内流行起来的新型空气压缩机，目前，约占市场60%的份额[3]。本文主要研究一种全新的双级永磁螺杆式空气压缩机，在介绍该新型空气压缩机的结构和工作原理的基础上，分析了双级永磁螺杆式空气压缩机的节能原理，并结合工程实践，验证了该新型空气压缩机的节能效果。
　　2 双极永磁螺杆式空气压缩机结构与工作原理
　　如图1，双级永磁螺杆压缩机的主机打破传统螺杆主机的结构[4]，是由一个输入轴带两对螺杆转子，两对转子的直径长短和转速均不同，其工作原理和单级压缩类似。
　　3 永磁同步电机节能原理
　　双级永磁空气压缩机的节能分为两个方面，第一个方面是永磁同步电机，其具备以下突出优点：
　　3.1 效率高
　　永磁同步电机磁场部分由永磁体产生，减少了励磁电流损耗。另外，永磁同步电动机的高效区很宽，特别是低速运行时就有很高的效率，这是Y系列异步电动机不能比的。永磁同步电动机与Y系列异步电动机的效率-转速曲线对比如图2所示。可见，尽管他们的最高效率接近，但永磁同步电动机在（30-100）%nN范围的效率都接近最高效率，而Y系列异步电动机的高效区近在额定转速（N）左右。而实际运行中，空气压缩机负荷变动时主要运行在（30-100）%nN的转速范围。此时，Y系列异步电动机的效率只有（50-70）%左右，所以Y系异步电动机运行转速在75-100%，效率较好，而永磁同步电动机5-100%的效率都接近最高效率，节能效果十分明显（如图2）。
　　3.2 功率因数不随极数变化，因而功率因数高
　　由于永磁同步电机不需要励磁来建立磁场，没有无功损耗，因此功率因数很高，额定功率因数cos？覬可达到0.95以上，而且多极、低速运行时能保证高功率因素不变。而Y系列异步电动机的额定功率因素一般只有0.9左右，而且，其功率因数会随着极数增加而降低，也会随运行转速降低而降低。这一点对低速运行的空气压缩机而言是很不利的。
　　3.3 起动转矩高
　　永磁同步电机起动力矩与额定力矩之比可达3倍以上，而一般Y系列异步电动机仅有1.6倍。非常适合如抽油机、空气压缩机等需要重载启动的负载。
　　3.4 其它优点
　　精度高，响应快;体积小，通常都会小一个机座号;重量轻。
　　4 双级永磁螺杆式压缩机节能原理
　　传统的单级喷油螺杆式压缩机顾名思义是有一对转子，而双级压缩机是有两对转子，相对单级压缩，双级压缩机有明显的节能优势。
　　4.1 双级压缩降低了每一级的压缩比，提高了容积效率
　　相对单级来说双级压缩的每一级压缩比的降低，提高了容积效率，降低了每一级的内外泄露。举例单级压缩螺杆机转子：进气端压力为大气压力约1bar，经转子压缩至出口压力8bar，该压缩过程的压缩比为8/1，即单级空压机压缩比为8。而双级进气端压力为大气压力约1bar，经一级转子压缩至出口压力3bar左右，再进入二级转子压缩提升压力至所需要的8bar出口压力。一级低压转子的压缩比约为3，二级高压转子端的压缩比为8/3≈2.67，即二级端的压缩比大约为2.67。双级压缩转子系统的最高压缩比为3左右。
　　4.2 等温压缩，提高了压缩机的能效
　　等温压缩是油气混合物在一级排气进入二级吸气之前，可充分混合，起到级间冷却的作用，这一较为充分混合的油气混合物进入压缩机的第二级进行压缩，也使得第二级的压缩过程更为接近等温过程，提高了压缩机的能效。将一级压缩转子和二级压缩转子组合在一个机壳内，并分别通过斜齿轮直接传动，使每级转子都能获得最佳线速度，压缩传递效率最高。
　　4.3 两级的压缩过程
　　自然空气通过空气过滤器进入第一级压缩，在压缩腔与少量润滑油混合，同时将混合气体压缩到级间压力。压缩后的气体进入冷却通道，与大量油雾接触，从而大大降低了温度。降温后的压缩气体进入第二级转子，进行二次压缩，被压缩到最终排气压力。最后通过排气法兰排出压缩机，完成整个压缩过程。（如图5）
　　所以说双级压缩的主机在同等功率的条件下比单级压缩的喷油螺杆压缩机排气量多10-20%，也可以说在同等气量条件下双级压缩的空压机比单级压缩的空压机节能10-20%。双级永磁空压机是节能的永磁同步电机和节能的双级压缩主机组合而成的，成为压缩机节能产品的又一款利器。
　　5 成功案列及分析
　　安徽銅陵某科技有限公司，主要生产印刷电路板。压缩空气主要用途是气动控制钻床，给覆铜电路板钻孔用和吹扫使用，是该科技公司的主要动力输出设备。原采用多个品牌的多台单级空气压缩机，各单级空气压缩机参数如表1所示。
　　原有空气压缩机共四台，三用一备。实际运行需要开机功率：225kW，排气量：29.5m3/s，平均工作压力0.5Mpa。由于设备陈旧老化，2019年9月使用新型双级永磁螺杆空气压缩机替代。替代时仅用1台单机功率160kW新型空气压缩机，因为，其排气量达到33m3/s，满足排气量：29.5m3/s的要求。空气压缩机更新前后运行数据对比见表2。
　　表2数据可见，一台新型双级永磁螺杆空气压缩机的排气量达到33m3/s，大于原来三台空气压缩机运行时的排气量29.5m3/s，满足企业运行需求。而新旧设备的功率比为：160/225=71%，即采用新设备后，空气压缩机年耗电减少了29%，年节约电费达到520000度。按工业企业用电0.79元/度计算，年节约开支410800元，18个月即可收回设备更新改造投资。可见新型双级永磁螺杆空气压缩机的节能效果是十分明显的。
　　参考文献：
　　[1]孙铁源.压缩空气系统的运行现状与节能改造[J].机床与液压，
　　2010，38（13）：110-110.
　　[2]王步来.高效节能永磁同步电机设计研究[J].电机技术，2006（2）：3-6.
　　[3]刘乾业，施明灿.我国电工节能技术热点[J].电世界，2006，6：4-6.
　　[4]郁永章，姜培正，孙嗣萤.压缩机工程手册[M].北京：中国石化出版社，2012.
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