螺桿壓縮機(jī)經(jīng)過半個多世紀(jì)的開發(fā)應(yīng)用，在技術(shù)上得到了很大的發(fā)展。其中又以噴油螺桿空氣壓縮機(jī)的應(yīng)用發(fā)展最快、最廣泛。在空氣動力用的壓縮機(jī)領(lǐng)域，作為同是容積式壓縮機(jī)的螺桿空壓機(jī)，其綜合運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性已被事實(shí)證明，比習(xí)慣使用的往復(fù)式空壓機(jī)來得更優(yōu)越。 盡管如此， 作為越來越廣泛使用的螺桿空壓機(jī)，仍然消耗著大量的能源，仍是許多企業(yè)中的用電大戶。 因此， 如何進(jìn)一步改善螺桿機(jī)械的性能，特別是降低螺桿空壓機(jī)的運(yùn)行能耗，仍是當(dāng)前研發(fā)的重大課題。

圖 1　摘自美國能源部 2002 年調(diào)查報(bào)告

螺桿空氣壓縮機(jī)的節(jié)能途徑

自從螺桿機(jī)械誕生，螺桿轉(zhuǎn)子的型線， 經(jīng)歷了多次的改革。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們已能開發(fā)目前所認(rèn)識的多種高效率的型線。世界上制造螺桿空壓機(jī)的廠商，也都能使用所謂的第三代高效率的型線。同樣，對整個螺桿空壓機(jī)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，也已大致類同。要在短期內(nèi)，從螺桿機(jī)械上獲取可觀的節(jié)能則顯得更為艱巨。同時(shí)，從能耗角度上講，用戶更關(guān)心的不是空壓機(jī)軸功率的能耗比，而是輸入功率的能耗比。為此，人們把節(jié)能的潛力關(guān)注在空壓機(jī)的運(yùn)行上。

另一方面，根據(jù)美國能源部2002 年的調(diào)研報(bào)告，各國空壓機(jī)使用的負(fù)載率幾乎不可能超過90%(圖 1)。因此，空壓機(jī)要運(yùn)行節(jié)能，除了滿載時(shí)，輸入的能耗比要低，而且在部分負(fù)載和無負(fù)載時(shí)也要節(jié)能。就此而言，對螺桿空壓機(jī)的氣量調(diào)節(jié)提出了更高的要求。

通常調(diào)節(jié)螺桿空壓機(jī)氣量有三種方法：

( 1)進(jìn)氣節(jié)流調(diào)節(jié)。

( 2)改變轉(zhuǎn)子有效長度調(diào)節(jié)。

( 3)改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

從節(jié)能角度講，改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是最有效的。為此，人們想到了變頻電機(jī)，當(dāng)然它比固定轉(zhuǎn)速的其他調(diào)節(jié)方法要節(jié)能。但是，由于通常的變頻電機(jī)在轉(zhuǎn)速下降時(shí)，會引起電機(jī)功率因素和效率的下降，根據(jù)測試它比傳統(tǒng)空壓機(jī)在相同的功率下產(chǎn)氣量會下降10%~15%。因此，它還不是最理想的驅(qū)動機(jī)。 而且， 通常的電機(jī)還不能頻繁地啟、停。在此，螺桿空壓機(jī)要消耗 25%~30% 的空載功率。

于是人們期待著一種新的驅(qū)動電機(jī)的出現(xiàn)。

圖 2 HPM 混合永磁電機(jī)

一種新的螺桿空壓機(jī)變速驅(qū)動電機(jī)

為了滿足螺桿空壓機(jī)運(yùn)行中的節(jié)能，必須有一種高效率變轉(zhuǎn)速的驅(qū)動電機(jī)。當(dāng)空壓機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)， 電機(jī)能高效運(yùn)行; 當(dāng)空壓機(jī)處于部分負(fù)載時(shí)，電機(jī)能隨氣量改變轉(zhuǎn)速，并仍保持高的效率;當(dāng)空壓機(jī)不需要負(fù)載時(shí)，電機(jī)能無限制地啟、停，將能耗降為零。

這就是美國英格索蘭公司同世界著名電氣制造商，共同開發(fā)的一種 HPM 混合永磁電機(jī)。HPM 混合永磁電機(jī)同普通三相異步電機(jī)相比，在結(jié)構(gòu)上有如下不同： 1) 電機(jī)定子的繞阻非整體式繞制， 而是分為8~12組鑲裝在電機(jī)的定子座里。 2) 電機(jī)轉(zhuǎn)子的矽鋼片上分別鑲裝著幾條永磁鐵(見圖 2)。由于永磁鐵的存在，使電機(jī)定子上的電磁線圈在定子和一排排永磁鐵之間產(chǎn)生了強(qiáng)大的電磁力，磁通量被增加三倍，從而使同功率下電機(jī)的長度可縮短至 1/3。因此，電機(jī)的轉(zhuǎn)子可省去支承，懸掛在任何被驅(qū)動的轉(zhuǎn)子軸上。

混合永磁電機(jī)同普通的三相變頻電機(jī)相比，在性能上有如下的特點(diǎn)：

( 1) 變速范圍大。 在整個變速范圍，電機(jī)的效率及功率因素幾乎不變。

( 2)電機(jī)可無限制地起、停。不會造成電機(jī)溫升增高，電流增大。

( 3)電機(jī)冷卻效果和運(yùn)行可靠性好。這是由于磁力強(qiáng)度的增大，使電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙增大了一倍，大大改善了冷卻效果。

英格索蘭 NIRVANA 螺桿空氣壓縮機(jī)

美國英格索蘭公司利用 HPM混合永磁電機(jī)來驅(qū)動噴油和無油螺桿空壓機(jī)，開發(fā)了 NIRVANA 系列新一代節(jié)能型螺桿空壓機(jī)。由于篇幅的限制，本文僅介紹 NIRVANA噴油螺桿空壓機(jī)的特點(diǎn)。

NIRVANA 噴油螺桿空壓機(jī)同普通噴油螺桿空壓機(jī)相比，驅(qū)動部分的結(jié)構(gòu)被大大簡化。使用 H P M 混合永磁電機(jī)的NIRVANA噴油螺桿空壓機(jī)， 其電機(jī)的定子是用法蘭同螺桿主機(jī)的機(jī)殼面聯(lián)接，而電機(jī)的轉(zhuǎn)子是懸掛在螺桿主動轉(zhuǎn)子的軸上。因此，它省去了電機(jī)的軸承、 密封。 從整個傳動裝置上看，又省去了傳統(tǒng)齒輪箱、齒輪以及聯(lián)接的同心度要求。所以，除了機(jī)組傳動效率高，還令用戶高興的是省去了日常麻煩的定期更換電機(jī)軸承潤滑油脂的維護(hù)。

圖 3　傳統(tǒng)的螺桿驅(qū)動同 NIRVANA 螺桿驅(qū)動的比較

使用 HPM 混合永磁電機(jī)要在運(yùn)行中節(jié)能，還要借助于一套完整的控制系統(tǒng)。 NIRVANA 空壓機(jī)也進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。它將電機(jī)的變速控制、軟啟動控制以及空壓機(jī)的常規(guī)運(yùn)行和保護(hù)控制，全部整合在一起，用模塊化集成于機(jī)箱內(nèi)一個低壓控制柜內(nèi)。不但操作維護(hù)方便，而且運(yùn)行可靠。每臺空壓機(jī)相當(dāng)于有80套電子齒輪，可按用戶實(shí)際用氣的氣量和壓力，自動實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。當(dāng)空壓機(jī)負(fù)載率低于 25% 時(shí)，空壓機(jī)不需要空載運(yùn)行消耗電能，而可直接停機(jī)，將能耗降為零。一旦系統(tǒng)壓力低于設(shè)定壓力，空壓機(jī)又會自動軟啟動。另外， NIRVANA噴油螺桿空壓機(jī)同普通變頻空壓機(jī)還有一點(diǎn)不同，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低，氣量減少時(shí)，它能實(shí)現(xiàn)噴油量的調(diào)節(jié)，使流動損失更小，更節(jié)能。

NIRVANA 噴油螺桿同普通噴油螺桿測試性能比較如下(圖4)， 如果按空壓機(jī)通常情況下， 平均負(fù)載率為 70%計(jì)算， NIRVANA空壓機(jī)可降低22%～ 30%能耗。所以， NIRVANA可以說是目前惟一真正意義上擁有調(diào)速變頻驅(qū)動的螺桿空壓機(jī)。

圖 4 NIRVANA 空壓機(jī)(110kW)同普通噴油螺桿空壓機(jī)變工況測試

多臺螺桿空壓機(jī)的節(jié)能運(yùn)行

對大多數(shù)用戶來講，出于對用氣的考慮，在壓縮站房內(nèi)，往往會使用多臺空壓機(jī)。從運(yùn)行節(jié)能考慮，除了利用多臺空壓機(jī)來調(diào)節(jié)用氣負(fù)荷外，最理想的方法是選其中一臺為節(jié)能型調(diào)速螺桿空壓機(jī)，來用作部分負(fù)載時(shí)的調(diào)節(jié)，這樣不但初次投資增加不多，而且日后的運(yùn)行更節(jié)能。下面是一個實(shí)際用氣的配置。IRN-75 是 NIRVANA 調(diào)速節(jié)能型螺桿空壓機(jī)，氣量是 3 . 7 ～13m3/min。

對于上述用戶空壓機(jī)站房的配置，可通過英格索蘭IEO智能控制器來設(shè)置系統(tǒng)的單點(diǎn)控制壓力，實(shí)現(xiàn)自動切換控制。

壓 縮 空 氣 系 統(tǒng) 的 集 中 控制，除了要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單點(diǎn)壓力控制，以避免過大壓力帶所造成的功率損失，而且，還要盡量避免系統(tǒng)控制壓力同實(shí)際使用壓力的差異，這可以通過英格索蘭提供的 IntelliFlow 智能壓力控制器來實(shí)現(xiàn)，其系統(tǒng)控制的壓力同實(shí)際使用的壓力波動僅為 0.005MPa。

美國英格索蘭采用 H P M 混合永磁電機(jī)開發(fā)的 NIRVANA 調(diào)速螺桿空氣壓縮機(jī)，對于螺桿空氣壓縮機(jī)的節(jié)能，的確是一次重大的技術(shù)革新。雖然，到目前為止，在國內(nèi)投入運(yùn)行才近百臺，還需要不斷地收集和積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。而且，目前此類 HPM混合永磁電機(jī)還只開發(fā)到 160kW，有待于進(jìn)一步研究開發(fā)。但是，作為大量使用的螺桿空壓機(jī)，提出非常切合實(shí)效的運(yùn)行節(jié)能的嘗試，還是非常令人可喜的，我們堅(jiān)信經(jīng)過不斷努力，一定會帶來螺桿空氣壓縮機(jī)革命性的變革。為改善人類日漸緊缺的能源做出貢獻(xiàn)。