淺談工廠供風系統的節能改造

周華亮 趙西磊 石振華 冉祥鵬 梁偉

摘要

首先以海洋石油工程股份有限公司使用的供風系統為例進行了介紹，對其中的不足進行了闡述，隨后重點探討了變頻技術在工廠供風系統（空壓機）節能改造過程中的應用，最后通過比較改造前后，實現了節能減排。

關鍵詞：供風系統節能變頻

1．引言

目前我國經濟正處于高速發展階段，但是，高發展也帶來了高能耗。據計算，2003年我國單位國民生產總值的能耗，比美國高2.3倍，比歐盟高4.5倍，比日本高8倍。能源利用率低在未來將大大制約國民經濟發展。基于此，國家提出要節能降耗，海總和海工也相繼制定了各項措施與目標，以求節約能源，降低生產成本，實現效益的最大化。在建造公司的電費中，供風系統的電力消耗所占比重接近30％，因此，供風系統如果能有效節能，將大大降低公司的生產成本。本文就著重討論了場地供風系統在能源消耗及浪費方面存在的各種問題，對其進行了分析，并提出了對供風系統節能問題的建議和看法。

經大量現場實際調研得知，場地對風的需求量較大，空壓機運行時間較長，而且運行時間不均衡。海工公司對風的使用主要集中在兩個方面：一、舾裝車間噴砂噴漆，以及噴漆后風干。其中噴砂是整個建造場地中，風的主要消耗源。二、各個車間對風動工機具的使用。噴砂要求風壓要高(約為7bar以上)而且用風量相當大，風動工機具大部分都是中小型工具，對風壓的要求相對要稍小一些，但也基本上在6bar以上，風量要小的多。另外，二者之間的不同是：舾裝車間噴砂噴漆場所比較固定 ，風動工機具為手持工具， 所用風管線不固定。

2．場地供風系統的組成

供風系統主要由5臺阿特拉斯螺桿式空氣壓縮機（參數見下表）、儲氣罐、風包、流量計、控制閥以及供風管線組成。另外設有4臺移動式空壓機,以滿足突發情況的用風。

額定輸氣量 額定排氣壓力 加/卸載壓力 實際用氣壓力 滿負荷運行功率 滿負荷運行電流 驅動電機效率

31.8m3/min 13bar 7-8bar 7.5bar 268kw 400A 93%

圖1阿特拉斯空氣壓縮機參數表（1bar=105 N/m2 ）

3．供風系統存在的主要問題

3.1 空壓機存在的問題

3.1.1 供氣控制方式

空壓機現在的供氣方式為加卸載供氣控制方式，就是通過控制進氣閥門的開關量來控制進氣量的多少，從而控制排風量。用氣量低于空壓機額定排氣量時，儲氣罐壓力上升。當壓力超過事先設定的最小Pmin，進氣閥門部分關閉，減少進氣量，以使供氣與用氣趨于平衡。若管線壓力繼續上升，超過設定的最大值Pmax時，進氣口則完全關閉，空壓機卸載運行，此時管線的壓力開始下降，當壓力下降到低于Pmin時，進氣閥就全部打開，空壓機組全負荷運行。Pmin與Pmax即空壓機的加載壓力和卸載壓力。與此同時，會帶來以下幾點問題；

◆在卸載運行時，由于進氣閥已經關閉，空壓機并不再壓縮氣體進行作功，但是空壓機在空轉中仍然需要帶動螺桿作功。即空壓機在卸載運行時，幾乎全部在作無用功，此時消耗的電能其實被白白浪費，空壓機卸載運行時間越長，能量浪費越多。

◆機械方式調節進氣閥，使供氣量無法連續調節，當用氣量不斷變化時，供氣壓力也會不可避免的產生大幅波動，一方面影響供氣質量，另一方面也使管網不斷受壓力變化的沖擊，縮短了使用壽命。

◆當空壓機頻繁的加載卸載時，使電動機頻繁加減負荷，容易產生較大沖擊電流，對設備和電網造成危害。另外，由于頻繁的加減載運行，造成電磁閥動作、進氣閥門開閉也都比較頻繁，縮短這些元件的使用壽命。

3.1.2 電氣方面

◆空壓機采用了標準的三相鼠籠式交流異步電動機，電機的轉速近似的決定于電機的極對數和頻率。當接到工頻電源上時，電機的轉速是恒定的。空壓機啟動以后，不管是加載還是卸載，電動機一直以額定轉速運轉。由供氣控制方式的問題得知，當空壓機運行在卸載狀態時，電機本身在作無用功，因為使用交流三相異步電機，卸載時，電機轉速不會下降，仍以額定轉速運轉。雖然這時進氣量減少，使電機空載運行，導致耗電量減少，但是據測算，即使是在卸載時間所占比例不大的情況下，空壓機卸載時的能耗也能占到滿載運行時的10％~15％。

◆另外，阿特拉斯空壓機的電動機采用Y－Δ降壓啟動，比全壓啟動時的電流要小很多（約為全壓啟動時的1/3），但是，由于全壓啟動電流可以達到電動機額定電流的7倍，再加上空壓機額定電流原本就比較大，所以空壓機啟動時對設備和電網仍能構成相當大的沖擊。

4．場地供風系統的改進建議

4.1 空壓機的改造方案節能原理

空壓機在管路特性曲線（1）工作時，工況點為A，此時風壓為H2，風量為Q1，軸功率N1與Q1、H2的乘積成正比，在圖中可用面積AH20Q1表示。如果生產工藝要求，風量需要從Q1減至Q2，可以看出，用調節風門的方法相當于增加管網阻力，使管網阻力特性變到曲線（3），系統由原來的工況點A變到新的工況點B運行。從圖中看出，風壓反而增加，軸功率與面積BH10Q2成正比。顯然，軸功率下降不大。如果采用變頻器調速器調速控制方式，空壓機轉速由N1降到N2，根據空壓機參數的比例定律，畫出在轉速N2風量（Q-H）特性，如曲線（4）所示。可見在滿足同樣風量Q2情況下，風壓H3大幅度降低，功率N3隨著顯著減少，用面積CH30Q2表示。節省的功率△N=（H1-H3）*Q2，用面積BH1H3C表示。顯然，節能的經濟效果是十分明顯的。

圖2風機風壓H—風量Q曲線特性圖

曲線（1）為空壓機在額定轉速N1時的風壓—風量（H-Q）特性

曲線（2）為管路阻力最小時的阻力特性

曲線（3）為管路阻力增大到某一數組時的阻力特性

曲線（4）為空壓機降速運行在N2時的風壓—風量（H-Q）特性

電動機調速有三種方法：變頻調速、變極調速和改變轉差率調速。綜合比較后選擇變頻調速的方法，原因是變頻調速效率高，沒有附加轉差損耗，調速的范圍大、精度高、實現無級調速容易。由于可以利用原鼠籠式電動機，所以特別適合用于對舊設備的技術改造，它既保持了原電動機結構簡單、可靠耐用、維護方便的優點，又能達到節電的顯著效果。

4.2 空壓機改造方案

4.2.1 系統工作原理

將儲氣罐壓力作為控制對象，壓力傳感器檢測儲氣罐的壓力并將壓力信號轉變為電信號，傳遞給控制器，控制器與事先設定的壓力值進行比較，然后根據兩者差值，產生控制信號送到變頻器，通過變頻器調節電動機的工作頻率和轉速。

4.2.2 變頻器及其控制方式的選擇

選擇變頻器時遵循的主要原則就是：變頻器的輸出功率和電流選擇必須等于或大于被驅動異步電機的功率和電流。因為變頻器的過載能力沒有電機的過載能力強，一旦電機過載，首先損壞的將是變頻器。變頻器型號的選擇應該根據使用要求及使用環境作詳細的選擇。

對于通用變頻器，一般采用恒壓頻比的調速方式，即V/F為常數。此方式的特點是實現起來比較容易，調速效果好。

4.2.3 新方案的電路

按照恒壓供氣方式的思路，只要在原電路中加幾個電氣元件就可以，因此并不需要對原有電路進行大規模改動。況且在生產如此緊張的情況下，也不允許長時間停工對供風系統進行改造。該方案只是在原有電路中添加了傳感器、控制器、變頻器三個元件，并且改造裝置并不改變空壓機原有控制原理，保留了電動機原有的Y－Δ啟動方式，這也是為了保證當變頻器發生故障時仍能正常供風。

4.2.4 新方案的擴展性

該方案僅僅給出了一臺變頻器控制一臺空壓機的簡單電路，由于變頻器價格比較昂貴，在實際操作中，我們也可以像變頻空調那樣采用一拖二的調速方式，用一臺變頻器拖動兩臺空壓機。先變頻啟動一臺空壓機，滿負荷以后，若壓力達不到設定要求，將此空壓機工頻運行，啟動另一臺空壓機即可，當檢測到變頻器運轉在下限頻率壓力值還偏高時，停止一臺空壓機，另一臺變頻運行。

控制器也可以選用PLC，一方面PLC可以通過傳感器信號控制變頻器， 另一方面利用PLC比較強大的功能，對五臺空壓機組成的供風系統實現集中控制，并且可以實時監測空壓機的運行狀況，利于對空壓機的維護保養。

4.3 供風系統中其它問題的改進

4.3.1 漏風問題

一方面要加強對供風管線的巡查，隨時發現問題隨時解決，另一方面要考慮減少漏風口的數量。由于對管網進行大面積改造存在較大難度，因此可以考慮劃片供風這一思路，就是將場地按照用風多少、用風頻率及管線接口的多少，劃分成幾個區域，進行區域性供風，并在這幾大區域間的供風管線上加裝控制閥。當僅僅是某個區域用風時，則將通往其它區域的閥門關閉，這樣就將風限制在了用風的這個區域里，相對減少了供風系統中的漏風口的數量。

4.3.2 管壓降問題

管壓降與管線內徑和風在管線中經過的長度有關，增大內徑，縮短長度，管壓降都會減小。考慮到工廠狀態，縮短長度是一個比較好的辦法。當場地上有臨時用風時，用風量又比較大的情況時，可以考慮用移動式空壓機直接到用風地點進行供風，這樣就縮短了管線長度。不過，如果沒有對移動式空壓機進行節能改造的話，只有在需風量比較大的時候用此法更劃算。若用風量比較少，移動式空壓機達不到滿負荷工作狀態，仍會浪費電能。

4.4 改進后系統的特點

◆節能明顯。根據空壓機原理，軸功率與轉速的立方成正比，空壓機轉速下降可以得到立方級的節能效果。

◆采用變頻器，調速范圍大、精度高，變頻器調速范圍能適應各種調速的要求。

◆維護成本降低。空壓機軟啟動，減少對電機電氣元件的電沖擊的同時，也減少了對設備的機械沖擊，啟動電流小延長了電機和接觸器的壽命，機械沖擊小則延長了軸承、齒輪箱的壽命，使電氣與機械故障率降低，節約維護費用。

◆系統的工頻與變頻可以切換，改造后使供氣質量提高，從而提高生產效率，缺點是變頻器價格較高，而且使用過程中易發熱，如果沒有良好的散熱設施容易燒毀。

5．結束語

供風系統的節能改造，在節能的同時減輕了設備的機械負荷，延長了設備的使用壽命。據統計，空壓機經過節能改造后，大約可以節約20％到30％的電費，不僅提高了公司的效益，而且實現了節能減排的計劃。

6.參考文獻

[1] 徐忠主編離心式壓縮機原理西安交通大學2000

[2] 李峰，許全錄，孫敬榮變頻調速技術在空壓機上的應用【J】煤礦安全，2000（5）：14-15

[3] 歐陽焰嘯關于空壓機節能方法的探索【J】環境保護，2009（5）：58-60

[4] 洪天星空壓機的變頻調節技術【J】壓縮機技術，2006,8（8）：27-29

Brief talk on energy conservation of air supplying system in factory

Zhou Hualiang Zhao Xilei Shi Zhenhua Ran Xiangpeng Liangwei

(Offshore Oil Engineering (Qing Dao) Co., Ltd.)

(NO.492 Lianjiang Road, Qingdao ETD Zone, China 266520)

Abstract

Firstly, introduce the air supplying system used by COOEC and talk about its some deficiencies, then discuss how to use transducer technology on the modification of air supplying system, finally by comparison, the energy conservation is achieved.

7.作者簡介

周華亮（1981.7—），男，本科，海洋石油工程（青島）有限公司電氣工程師，主要從事海洋平臺機電儀的質量檢驗及管理工作。

趙西磊 （1985.8—），男，本科，海洋石油工程（青島）有限公司電儀工程師，主要從事海洋平臺機電儀的質量檢驗工作。

石振華（1984.4—），男，本科，海洋石油工程（青島）有限公司電儀工程師，主要從事海洋平臺機電儀的質量檢驗工作。

冉祥鵬（1983.2—），男，本科，海洋石油工程（青島）有限公司電儀工程師，主要從事海洋平臺機電儀的質量檢驗工作。

梁偉（1986.2—），男，本科，海洋石油工程（青島）有限公司電儀工程師，主要從事海洋平臺機電儀的質量檢驗工作。