螺桿式空氣壓縮機(jī)能耗損失與節(jié)能途徑

楊忠亮

（云南云天化股份有限公司紅磷分公司，云南開遠(yuǎn) 661699）

0 引言

空氣壓縮機(jī)是將原動機(jī)的動力能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w壓力能以提高氣體壓力并輸送氣體的機(jī)械[1]，由于在實(shí)際使用過程中能耗損失大，是工業(yè)企業(yè)的重點(diǎn)耗能設(shè)備，在大多數(shù)生產(chǎn)型企業(yè)中，其耗能占全部消耗的10%～40%[2]，實(shí)施空氣壓縮機(jī)節(jié)能改造將會顯著降低空氣壓縮機(jī)的使用成本。

1 螺桿式空氣壓縮機(jī)工作原理

螺桿式空氣壓縮機(jī)工作時，主機(jī)通過吸氣、封閉、壓縮、排氣4個過程完成1個工作循環(huán)，自然空氣通過空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣過濾器進(jìn)入主機(jī)，通過一對相互平行的齒合的陰陽轉(zhuǎn)子，陰陽轉(zhuǎn)子通過嚙合運(yùn)動使轉(zhuǎn)子齒槽中存在的空氣不斷產(chǎn)生周期性變化以改變主機(jī)內(nèi)容積，實(shí)現(xiàn)吸氣、封閉、壓縮和排氣過程，這時的空氣則逐漸沿著轉(zhuǎn)子軸線，從吸入的一側(cè)逐漸向輸出一側(cè)傳送，從而使空氣壓縮機(jī)吸氣、密封、壓縮以及排氣得以實(shí)現(xiàn)[4]。同時主機(jī)腔內(nèi)不斷噴油以潤滑和冷卻螺桿，噴入主機(jī)腔內(nèi)的潤滑油因吸收空氣壓縮過程中釋放的熱量，由此產(chǎn)生的高溫油氣混合物通過排氣管進(jìn)入油氣分離器，在油氣分離濾芯的作用下將油、氣在油氣分離器內(nèi)進(jìn)行分離，分離后的高溫潤滑油，經(jīng)油冷卻器冷卻后回到主機(jī)循環(huán)利用，高溫壓縮空氣則通過最小壓力閥進(jìn)入空氣冷卻器冷卻后供用氣設(shè)備使用。

2 螺桿式空氣壓縮機(jī)能耗損失分析

2.1 頻繁加、卸載會造成能源浪費(fèi)

普通螺桿式空氣壓縮機(jī)運(yùn)行時，由于設(shè)備用氣量不斷變化，需要調(diào)整供氣設(shè)備相應(yīng)的生產(chǎn)負(fù)荷。常用加/卸載的方式以滿足連續(xù)用氣控制，以免空氣壓縮機(jī)頻繁啟停。

空氣壓縮機(jī)分3種情況進(jìn)行加載或卸載：淤當(dāng)用氣量大于產(chǎn)氣量時，壓縮機(jī)進(jìn)口閥完全打開，設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行；于當(dāng)用氣量小于供氣量時，壓縮機(jī)排氣壓力超過檢測開關(guān)設(shè)定值時卸載閥門打開，進(jìn)入卸載運(yùn)行狀態(tài)，壓縮機(jī)卸載同時關(guān)閉進(jìn)口閥；盂隨著卸載時間的延長，系統(tǒng)壓力不斷降低，當(dāng)壓縮機(jī)出口壓力低于檢測開關(guān)設(shè)定最小壓力值后，卸載閥門關(guān)閉，同時打開進(jìn)氣閥，壓縮機(jī)進(jìn)入加載運(yùn)行。

壓縮機(jī)運(yùn)行中，壓縮空氣排氣壓力每上升0.1 MPa要多耗電7%～10%[3]，加載、卸載的壓力一直在設(shè)定壓力與高于設(shè)定壓力0.15 MPa之間，這比一直穩(wěn)壓在使用壓力狀態(tài)下要多付出0.15 MPa壓力差所帶來的10.5%～15%的電耗，而且卸載時在零供氣待機(jī)情況下會多消耗45%的空載電能。

在實(shí)際運(yùn)行中，螺桿壓縮機(jī)常常處于變工況運(yùn)行狀態(tài)，負(fù)荷率平均為67%，33%為空載負(fù)荷，在這一負(fù)荷下，常規(guī)螺桿壓縮機(jī)在部分負(fù)荷下因效率低而浪費(fèi)了大量電能[5]，對于使用傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式的螺桿空氣壓縮機(jī)而言，卸載運(yùn)行狀態(tài)下的能耗是滿載運(yùn)行狀態(tài)下能耗的20%以上，部分空氣壓縮機(jī)甚至達(dá)到40%，能耗占總能耗的9%～18%，嚴(yán)重浪費(fèi)能源。

2.2 螺桿式空氣壓縮機(jī)排氣溫度高導(dǎo)致能耗增加

不管是多級還是單級壓縮的螺桿式壓縮機(jī)，其級間、排氣溫度都影響運(yùn)行效率，螺桿式壓縮機(jī)的排氣溫度通常在（65～100）℃，排氣溫度每上升10℃，能耗將會增加3%。

2.3 啟動時能耗增加

固定式普通空氣壓縮機(jī)啟動時，電流為額定工作電流的4～7倍，若頻繁啟動則會浪費(fèi)1%～2%的電能。同時也增加了對電網(wǎng)設(shè)備的沖擊。

3 螺桿式空氣壓縮機(jī)節(jié)能途徑

3.1 實(shí)施多機(jī)組群控、系統(tǒng)監(jiān)控綜合改造節(jié)能

在用氣負(fù)荷波動較大且用氣量大的場合，因使用單臺大容量空氣壓縮機(jī)難以滿足用氣設(shè)備使用的需要，往往需要使用多臺壓縮機(jī)。在對多臺壓縮機(jī)進(jìn)行操作控制中，多數(shù)企業(yè)是通過頻繁啟停多臺空氣壓縮機(jī)的方式以滿足壓縮空氣用氣設(shè)備的要求。有的企業(yè)利用空氣壓縮機(jī)自身設(shè)定的加載/卸載、空運(yùn)行功能，采取不停機(jī)的方式以滿足壓縮空氣用氣設(shè)備的要求，勢必造成大量的能源損失。

多機(jī)組群控技術(shù)是在多臺空氣壓縮機(jī)運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)節(jié)能的有效方法之一。根據(jù)實(shí)際用氣量選定需要的機(jī)器和臺數(shù)，過程中實(shí)施空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控，對各臺空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行情況和系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行管理，對供氣、設(shè)備及能耗狀況，能源效率和維保狀況等都進(jìn)行全面監(jiān)控，能有效消除了不必要的浪費(fèi)情況，實(shí)現(xiàn)最大效能。

3.2 紅磷分公司空壓站以前存在的問題

（1）產(chǎn)氣設(shè)備能耗高，實(shí)際產(chǎn)氣量只能達(dá)到設(shè)計產(chǎn)氣量的60%，耗能比正常水平高出約1.5倍。

（2）裝置活塞式壓縮機(jī)設(shè)備老化、能耗高、出力率低、故障率和維護(hù)費(fèi)用高。

（3）儲氣罐容量不足，只有容量為25 m3和50 m3的儲氣罐各1臺，氣源備用時間為3 min左右，而根據(jù)空壓站設(shè)計規(guī)范并結(jié)合分公司的生產(chǎn)規(guī)模、工藝流程復(fù)雜程度及安全連鎖自動保護(hù)設(shè)計水平，空壓站氣源備用時間應(yīng)為（10～15）min才能保證安全穩(wěn)定生產(chǎn)，由于儲氣罐容量較小，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，氣壓波動大，造成空氣壓縮機(jī)反復(fù)加載和卸載，形成大量的能源浪費(fèi)。

（4）空壓站配置有不同規(guī)格型號的壓縮機(jī)，操作方式采用空氣壓縮機(jī)自身設(shè)定的加載/卸載、空運(yùn)行功能，采取不停機(jī)的方式以滿足壓縮空氣用氣設(shè)備的要求。當(dāng)用氣裝置檢修或其他原因造成用氣量減少時，空壓站采用頻繁啟停多臺空氣壓縮機(jī)的方式以滿足壓縮空氣用氣設(shè)備的要求。這不僅加大了操作人員勞動強(qiáng)度，也造成空氣壓縮機(jī)生產(chǎn)過程中大量的能源損失，不利于空壓站的整體節(jié)能，空壓站壓縮機(jī)配置情況見表1。

表1 空壓站空氣壓縮機(jī)配置情況

3.3 空壓站綜合節(jié)能改造內(nèi)容

（1）淘汰2臺設(shè)備老化、能耗高、出力率低、故障率和維護(hù)費(fèi)用高的LW-22/7型活塞式壓縮機(jī)，同時選用2臺UD180-8VFD型風(fēng)冷式智能變頻螺桿式空氣壓縮機(jī)。新壓縮機(jī)采用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)，運(yùn)行中能利用自動能量優(yōu)化節(jié)電功能，使變頻器能根據(jù)電機(jī)的實(shí)際負(fù)載向其供給最低的電量，變頻螺桿壓縮機(jī)與普通螺桿壓縮機(jī)相比，節(jié)能省電在20%以上[5]。還可以降低電機(jī)噪聲。壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中可通過智能控制器持續(xù)檢測空氣系統(tǒng)壓力，根據(jù)系統(tǒng)壓力的變化改變轉(zhuǎn)速，保證空氣壓縮機(jī)的排氣量與用氣系統(tǒng)的需求量保持一致，最終實(shí)現(xiàn)根據(jù)用戶終端使用氣量的增減，改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，使消耗功率與產(chǎn)氣量成線性比例達(dá)到定壓及節(jié)省能源的目的。

（2）將空壓站7臺壓縮機(jī)螺桿空氣壓縮機(jī)實(shí)施群控、系統(tǒng)監(jiān)控、多機(jī)聯(lián)動通信，實(shí)現(xiàn)就地與遠(yuǎn)程控制，同時對各臺空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行情況和系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行管理，對供應(yīng)、設(shè)備及能耗狀況，能源效率、維保狀況等都進(jìn)行全面的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控節(jié)能、聯(lián)鎖控制運(yùn)行。

3.4 空壓機(jī)聯(lián)鎖運(yùn)行方式

（1）1#、2#機(jī)壓縮機(jī)交替聯(lián)鎖控制運(yùn)行。1#，2#機(jī)壓縮機(jī)每臺產(chǎn)氣量為30 m3/mim，由于產(chǎn)氣量高，故將這2臺壓縮機(jī)作為主機(jī)進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)行，隨時保證一臺處于運(yùn)行狀態(tài)，另一臺備用，當(dāng)其中一臺壓縮機(jī)連續(xù)運(yùn)行1周后，自動切換到另一臺壓縮機(jī)運(yùn)行，這種運(yùn)行方式可避免備用壓縮機(jī)處于長期停運(yùn)狀態(tài)而使零部件銹蝕卡死。

（2）3#-4#-5#-6#-7#空氣壓縮機(jī)參與自動順序聯(lián)鎖啟動。3#-4#-5#-6#-7#空氣壓縮機(jī)由于產(chǎn)氣量小（產(chǎn)氣量12 m3/mim），可用于補(bǔ)充系統(tǒng)空氣而進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)行。具體聯(lián)鎖方式：當(dāng)儲氣罐壓力測量約0.55 MPa時，對3#-4#-5#-6#-7#空氣壓縮機(jī)進(jìn)行順序啟動，順序啟動間隔時間為10 min；當(dāng)儲氣罐壓力測量等于0.6 MPa時，不執(zhí)行以后的順序啟動，并保持現(xiàn)狀運(yùn)行，即控制儲氣罐壓力在（0.55～0.65）MPa；當(dāng)儲氣罐壓力測量值達(dá)到0.7 MPa，按位號排列由高至低的順序停機(jī)，聯(lián)鎖是同時考慮電機(jī)的啟動和停止時間間隔逸20 min，避免頻繁啟動時間間隔小而損壞電機(jī)。

（3）在產(chǎn)氣端加大儲氣罐容量。綜合節(jié)能改造時，增加了50 m3的儲氣罐2臺，通過增大儲氣罐，延長了壓縮機(jī)卸載時間間隔，系統(tǒng)穩(wěn)定性增加，空氣壓縮機(jī)的卸載功耗下降，產(chǎn)生節(jié)能效果。

（4）空壓站改造前后能耗對比。改造前制取壓縮空氣耗電量為0.1493 kW·h，改造后制取壓縮空氣耗電量為0.1125 kW·h/m3，節(jié)省用電0.0368 kW·h/m3，電耗降低24.7%。另一方面，由于實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)操作，提高了裝置運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，同時降低操作人員的勞動強(qiáng)度。

3.5 加強(qiáng)空氣壓縮機(jī)運(yùn)行維護(hù)減少能耗

控制溫度升高能有效降低能源消耗量。控制溫度主要是通過全面檢查、維護(hù)空氣壓縮機(jī)冷卻器，補(bǔ)充潤滑油等措施，將溫度控制在要求的范圍內(nèi)，穩(wěn)定空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，保證空氣壓縮機(jī)合理的運(yùn)行效率和功耗。

壓縮空氣在空氣壓縮機(jī)內(nèi)的傳輸時會產(chǎn)生不可避免的壓力降，控制壓力降能夠達(dá)到降低能耗的目的，過濾器、油分離器濾芯、空氣干燥器、冷干機(jī)等是導(dǎo)致壓力降增加的主要設(shè)備，采取適時維護(hù)、更換并清洗空氣通道系統(tǒng)、控制漏氣點(diǎn)等措施能有效控制壓力降，達(dá)到節(jié)能的目的。

另外，空氣壓縮機(jī)在運(yùn)行中可采取無功補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)行方式節(jié)能，空氣壓縮機(jī)通常使用異步電機(jī)，由于異步電機(jī)的功率因數(shù)多在0.2～0.85，較低的功率因數(shù)隨負(fù)載的變化而大幅度變化，故能量損耗大。而無功補(bǔ)償是在電機(jī)正常運(yùn)行的前提下提高功率因數(shù)以降低能源消耗。故可在受電端安裝電力電容器以改善功率因數(shù)，無功補(bǔ)償尤其適用于連續(xù)運(yùn)行的低、中壓型電機(jī)。

4 結(jié)束語

空氣壓縮機(jī)的能耗情況與設(shè)備選型、運(yùn)行、維護(hù)管理等因素有直接關(guān)系，企業(yè)可根據(jù)壓縮空氣系統(tǒng)狀況從整體監(jiān)控、空氣壓縮機(jī)群控優(yōu)化、空氣壓縮機(jī)單體控制、氣源優(yōu)化、整體綜合方案等角度進(jìn)行研究分析、綜合考慮，選擇先進(jìn)的技術(shù)，確定并實(shí)施可行的節(jié)能措施，能有效降低空氣壓縮機(jī)的能源消耗，對企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益起到積極的作用。