螺桿壓縮機經(jīng)過半個多世紀的開發(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的應(yīng)用發(fā)展最快、最廣泛。在空氣動力用的壓縮機領(lǐng)域，作為同是容積式壓縮機的螺桿空壓機，其綜合運行經(jīng)濟性已被事實證明，比習(xí)慣使用的往復(fù)式空壓機來得更優(yōu)越。 盡管如此， 作為越來越廣泛使用的螺桿空壓機，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， 如何進一步改善螺桿機械的性能，特別是降低螺桿空壓機的運行能耗，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)查報告
螺桿空氣壓縮機的節(jié)能途徑
自從螺桿機械誕生，螺桿轉(zhuǎn)子的型線， 經(jīng)歷了多次的改革。 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人們已能開發(fā)目前所認識的多種高效率的型線。世界上制造螺桿空壓機的廠商，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)，從螺桿機械上獲取可觀的節(jié)能則顯得更為艱巨。同時，從能耗角度上講，用戶更關(guān)心的不是空壓機軸功率的能耗比，而是輸入功率的能耗比。為此，人們把節(jié)能的潛力關(guān)注在空壓機的運行上。
另一方面，根據(jù)美國能源部2002 年的調(diào)研報告，各國空壓機使用的負載率幾乎不可能超過90%(圖 1)。因此，空壓機要運行節(jié)能，除了滿載時，輸入的能耗比要低，而且在部分負載和無負載時也要節(jié)能。就此而言，對螺桿空壓機的氣量調(diào)節(jié)提出了更高的要求。
通常調(diào)節(jié)螺桿空壓機氣量有三種方法：
( 1)進氣節(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，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在轉(zhuǎn)速下降時，會引起電機功率因素和效率的下降，根據(jù)測試它比傳統(tǒng)空壓機在相同的功率下產(chǎn)氣量會下降10%~15%。因此，它還不是最理想的驅(qū)動機。 而且， 通常的電機還不能頻繁地啟、停。在此，螺桿空壓機要消耗 25%~30% 的空載功率。
于是人們期待著一種新的驅(qū)動電機的出現(xiàn)。
圖 2 HPM 混合永磁電機
一種新的螺桿空壓機變速驅(qū)動電機
為了滿足螺桿空壓機運行中的節(jié)能，必須有一種高效率變轉(zhuǎn)速的驅(qū)動電機。當(dāng)空壓機滿負荷運行時， 電機能高效運行; 當(dāng)空壓機處于部分負載時，電機能隨氣量改變轉(zhuǎn)速，并仍保持高的效率;當(dāng)空壓機不需要負載時，電機能無限制地啟、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。HPM 混合永磁電機同普通三相異步電機相比，在結(jié)構(gòu)上有如下不同： 1) 電機定子的繞阻非整體式繞制， 而是分為8~12組鑲裝在電機的定子座里。 2) 電機轉(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)生了強大的電磁力，磁通量被增加三倍，從而使同功率下電機的長度可縮短至 1/3。因此，電機的轉(zhuǎn)子可省去支承，懸掛在任何被驅(qū)動的轉(zhuǎn)子軸上。
混合永磁電機同普通的三相變頻電機相比，在性能上有如下的特點：
( 1) 變速范圍大。 在整個變速范圍，電機的效率及功率因素幾乎不變。
( 2)電機可無限制地起、停。不會造成電機溫升增高，電流增大。
( 3)電機冷卻效果和運行可靠性好。這是由于磁力強度的增大，使電機定子與轉(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
美國英格索蘭公司利用 HPM混合永磁電機來驅(qū)動噴油和無油螺桿空壓機，開發(fā)了 NIRVANA 系列新一代節(jié)能型螺桿空壓機。由于篇幅的限制，本文僅介紹 NIRVANA噴油螺桿空壓機的特點。
NIRVANA 噴油螺桿空壓機同普通噴油螺桿空壓機相比，驅(qū)動部分的結(jié)構(gòu)被大大簡化。使用 H P M 混合永磁電機的NIRVANA噴油螺桿空壓機， 其電機的定子是用法蘭同螺桿主機的機殼面聯(lián)接，而電機的轉(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軸承潤滑油脂的維護。
圖 3 傳統(tǒng)的螺桿驅(qū)動同 NIRVANA 螺桿驅(qū)動的比較
使用 HPM 混合永磁電機要在運行中節(jié)能，還要借助于一套完整的控制系統(tǒng)。 NIRVANA 空壓機也進行了優(yōu)化設(shè)計。它將電機的變速控制、軟啟動控制以及空壓機的常規(guī)運行和保護控制，全部整合在一起，用模塊化集成于機箱內(nèi)一個低壓控制柜內(nèi)。不但操作維護方便，而且運行可靠。每臺空壓機相當(dāng)于有80套電子齒輪，可按用戶實際用氣的氣量和壓力，自動實現(xiàn)優(yōu)化控制。當(dāng)空壓機負載率低于 25% 時，空壓機不需要空載運行消耗電能，而可直接停機，將能耗降為零。一旦系統(tǒng)壓力低于設(shè)定壓力，空壓機又會自動軟啟動。另外， NIRVANA噴油螺桿空壓機同普通變頻空壓機還有一點不同，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低，氣量減少時，它能實現(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)， 如果按空壓機通常情況下， 平均負載率為 70%計算， NIRVANA空壓機可降低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。
圖 4 NIRVANA 空壓機(110kW)同普通噴油螺桿空壓機變工況測試
多臺螺桿空壓機的節(jié)能運行
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。從運行節(jié)能考慮，除了利用多臺空壓機來調(diào)節(jié)用氣負荷外，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，來用作部分負載時的調(diào)節(jié)，這樣不但初次投資增加不多，而且日后的運行更節(jié)能。下面是一個實際用氣的配置。IRN-75 是 NIRVANA 調(diào)速節(jié)能型螺桿空壓機，氣量是 3 . 7 ～13m3/min。
對于上述用戶空壓機站房的配置，可通過英格索蘭IEO智能控制器來設(shè)置系統(tǒng)的單點控制壓力，實現(xiàn)自動切換控制。
壓 縮 空 氣 系 統(tǒng) 的 集 中 控制，除了要實現(xiàn)系統(tǒng)的單點壓力控制，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現(xiàn)，其系統(tǒng)控制的壓力同實際使用的壓力波動僅為 0.005MPa。
美國英格索蘭采用 H P M 混合永磁電機開發(fā)的 NIRVANA 調(diào)速螺桿空氣壓縮機，對于螺桿空氣壓縮機的節(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)投入運行才近百臺，還需要不斷地收集和積累運行經(jīng)驗。而且，目前此類 HPM混合永磁電機還只開發(fā)到 160kW，有待于進一步研究開發(fā)。但是，作為大量使用的螺桿空壓機，提出非常切合實效的運行節(jié)能的嘗試，還是非常令人可喜的，我們堅信經(jīng)過不斷努力，一定會帶來螺桿空氣壓縮機革命性的變革。為改善人類日漸緊缺的能源做出貢獻。
