螺桿式空氣壓縮機節(jié)能改造

郝繼運，南海鳳，潘顯明

(莘縣華祥鹽化有限公司，山東 聊城 252429)

在石油化工生產(chǎn)過程中，常常用到大量的壓縮空氣，來滿足工藝、設(shè)備、安全等的需要，如管道吹掃、物料輸送、正壓通風(fēng)、氣體置換、攪拌、儀器儀表的執(zhí)行等等。螺桿式空氣壓縮機(以下簡稱“空壓機”)是為工廠中各個生產(chǎn)現(xiàn)場提供壓縮空氣的設(shè)備，通過螺桿等機構(gòu)將從外界吸入的常壓空氣進行壓縮，存貯于壓力容器中，通過管路送至生產(chǎn)現(xiàn)場供使用。

1 螺桿式空壓機工作、控制原理

1.1 工作原理

在電動機的拖動下，一對相互平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子(也稱螺桿)在氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子齒槽內(nèi)的空氣周期性的產(chǎn)生容積變化，空氣則沿著轉(zhuǎn)子軸線由輸入側(cè)送到輸出側(cè)，從而實現(xiàn)空壓機的吸氣、壓縮和排氣的全過程。陰陽轉(zhuǎn)子固定在一個容腔內(nèi)，里邊充滿潤滑油，起潤滑和傳熱的作用。

1.2 控制原理

空壓機的控制過程如下：按下啟動按鈕，空壓機在進氣閥門關(guān)閉的情況下啟動，開始加載運行，系統(tǒng)壓縮空氣壓力逐漸升高，當(dāng)升高到設(shè)定壓力上限值時，進口閥門關(guān)閉，壓縮機空載運行(也叫卸載模式)。隨著生產(chǎn)現(xiàn)場空壓氣用量增加，系統(tǒng)壓力下降，當(dāng)下降到空壓機壓力設(shè)定值下限時，進口閥打開，空壓機開始加載運行。如此周而復(fù)始地工作。

2 空壓機運行現(xiàn)狀

(1)在實際生產(chǎn)過程中，為了保證空壓氣穩(wěn)定的壓力和流量，減少波動，一般增設(shè)空氣緩沖罐。同時，為了保證遠(yuǎn)距離輸送到生產(chǎn)現(xiàn)場時仍滿足用氣壓力的要求，還要考慮管道壓降，一般空壓機壓力設(shè)定值高于實際使用值0.1～0.2 MPa。

(2)空壓機運行過程中，電能轉(zhuǎn)化為機械能，機械能轉(zhuǎn)化為熱能。在機械能轉(zhuǎn)化為熱能的過程中，空氣被壓縮，溫度升高，放出熱量，同時螺桿等機械摩擦，也產(chǎn)生一定熱量。

據(jù)測算，以上兩部分熱量相當(dāng)于空壓機輸入能量的80%左右。為維持設(shè)備正常運行，必須對空壓機進行降溫，這部分熱量就通過風(fēng)機被排放到大氣中。在空壓機廠房內(nèi)，特別是夏季，因為熱量排放量大，室內(nèi)溫度升高，須額外增加機械排風(fēng)設(shè)施，才能滿足空壓機運行需要，嚴(yán)重影響空壓機出力，造成能耗損失。

(3)實際生產(chǎn)過程中，企業(yè)根據(jù)用氣量的多少、生產(chǎn)重要程度、空壓氣的用途等情況，選擇多臺空壓機或增加備機，這樣會出現(xiàn)多臺空壓機并列運行的情況。多臺空壓機并列運行時，每臺空壓機根據(jù)各自設(shè)定的壓力范圍，周而復(fù)始地進行加載—卸載—加載—卸載的操作。這種工作狀況下，每臺設(shè)備各自為政，既不便于統(tǒng)一管理，出現(xiàn)壓力傳感器故障，還會造成各空壓機運行負(fù)荷不均衡；此外，如果空壓機壓力范圍設(shè)定值窄，會造成空壓機頻繁加載—卸載運行，造成電網(wǎng)和空壓氣系統(tǒng)壓力波動；如果壓力范圍設(shè)定值寬，會造成空壓機運行時間延長，即便卸載運行時，電動機不停止工作，仍然工頻運行，運行電流接近電動機額定電流的50%，造成電能浪費。

3 降低能耗的改造方案

可以從以下幾個方面進行改造，以降低空壓機運行過程中的能耗。

(1)根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場所需的空壓氣實際壓力，降低空壓機壓力設(shè)定值，達(dá)到節(jié)約電能的目的。研究表明，空壓機出口壓力每降低0.1 MPa，可以減少7%電能消耗。該方法簡單明了，不需要任何投資，見效快，各企業(yè)可以根據(jù)自身情況，摸索數(shù)據(jù)，進行及時調(diào)整。

(2)對空壓機系統(tǒng)進行改造，增加余熱回收裝置，以熱水的形式回收利用壓縮熱，回收效率最高可達(dá)空壓機功率的70%左右，回收熱水溫度可達(dá)60 ℃(進水溫度20 ℃)。此方案須結(jié)合各企業(yè)空壓機運行情況及功率大小，由余熱回收裝置供貨廠家進行現(xiàn)場測試，出具具體改造方案，計算具體節(jié)能量。通過以上余熱回收裝置，可以降低熱量排放量，節(jié)約電能。

(3)根據(jù)空壓機工作原理可知：降低電動機轉(zhuǎn)速可以使單位時間內(nèi)的進氣量相應(yīng)下降，壓縮機做功減少，電動機運行電流下降，從而達(dá)到減少電能的目的。此方案可以通過增加變頻器來實現(xiàn)。壓縮機在變頻器拖動下，根據(jù)空壓機出口設(shè)定的壓力值，及時調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速，減少電能消耗。

使用變頻器進行調(diào)速，還有以下優(yōu)點：變頻器可以實現(xiàn)軟啟動，減少加載時啟動電流過大對電網(wǎng)的沖擊；設(shè)定壓力是一個值，而不是一個范圍，控制準(zhǔn)確，壓力波動小；在控制器控制下，根據(jù)壓力變化，及時調(diào)整壓縮機運轉(zhuǎn)速度，沒有加載—卸載的明顯轉(zhuǎn)化過程，減少了對設(shè)備的沖擊，延長設(shè)備使用壽命。

(4)增加空壓機集中控制系統(tǒng)的工作原理：通過傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測空壓氣系統(tǒng)的輸出壓力、用氣量和各項運行參數(shù)，根據(jù)控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)計算，實現(xiàn)空壓氣高質(zhì)量按需輸出，滿足生產(chǎn)需要。

優(yōu)點如下： 降低電能成本，可以使壓縮機組運行在較小的壓力設(shè)定范圍內(nèi)，提高氣壓穩(wěn)定性，降低電能消耗；實現(xiàn)多臺聯(lián)控，根據(jù)設(shè)定程序，按順序啟動、停止任何一臺空壓機，當(dāng)一臺出現(xiàn)故障時，自動啟動備用設(shè)備，降低生產(chǎn)風(fēng)險；優(yōu)化各臺空壓機運行時間，使每臺空壓機都在最佳狀況下運行，提高運行效率；根據(jù)生產(chǎn)情況，及時修改壓力控制值，適應(yīng)不同的生產(chǎn)需要(如開停車和正常生產(chǎn)時用氣量不同，可采取不同的控制值)，實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，降低電能消耗；運行參數(shù)集中管理，實時了解各臺空壓機運行情況，不用頻繁去現(xiàn)場抄表，提高自動化管理水平。

(5)在用氣量變化大的生產(chǎn)場所，可以采用工頻+變頻的運行方式，節(jié)能更加顯著。正常生產(chǎn)時，某幾臺空壓機并列運行，受控于節(jié)能控制系統(tǒng)集中管理；氣量變化時，及時啟動變頻控制空壓機，快速、精準(zhǔn)地保證用氣壓力。變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)節(jié)能量一般可以達(dá)到10%～30%(跟空壓機負(fù)荷有關(guān))。

4 節(jié)能效益分析

4.1 空壓機運行狀況

(1)莘縣華祥鹽化有限公司(以下簡稱“華祥鹽化”)現(xiàn)有空壓機10臺，正常生產(chǎn)時運行3臺，裝機容量總功率700 kW(8#機200 kW,7#機250 kW ，10#機250 kW)，設(shè)定空壓機出口壓力范圍0.6～0.8 MPa，空壓機滿載運行，空壓氣緩沖罐壓力可以達(dá)到0.65 MPa。當(dāng)生產(chǎn)用氣量加大，造成壓力降低時，人工啟動第4臺備用空壓機(最小功率為3#機，120 kW)，滿足生產(chǎn)需求。

(2)華祥鹽化生產(chǎn)現(xiàn)場直接用空壓氣的裝置不多，空壓氣主要用在空壓制氮和儀表氣。

生產(chǎn)裝置現(xiàn)場氣動執(zhí)行機構(gòu)需要的儀表氣壓力達(dá)到0.5 MPa就能滿足調(diào)節(jié)閥要求。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，到達(dá)氯乙酸車間時儀表氣壓力為0.63 MPa(其他距離較近的車間也能達(dá)到要求),從儀表氣使用角度考慮，空壓氣設(shè)定壓力過高，余量大，可以降低0.1 MPa的設(shè)定壓力。

空壓氣的另一個用途是制造氮氣，制氮機產(chǎn)氣量跟進制氮機的空壓氣壓力成正比，但降低空壓氣壓力將會影響制氮量。根據(jù)工藝需要，氯乙酸車間、氯丙烯車間需要的氮氣壓力為0.45 MPa，燒堿車間需要的氮氣壓力僅為0.1 MPa。因此，從氮氣使用角度考慮，空壓氣設(shè)定壓力也可以降低0.1 MPa。

根據(jù)以上空壓氣的兩種用途及現(xiàn)場運行情況分析可知，在滿足生產(chǎn)需求的情況下，華祥鹽化空壓機設(shè)定壓力值可以降低0.1 MPa，仍能滿足生產(chǎn)需要。

4.2 節(jié)能效益計算

(1)按空壓機設(shè)定壓力降低0.1 MPa計算(壓力每降低0.1 MPa，空壓機消耗的電能減少7%)，每年節(jié)約電能約為：700 kW×7%×8 000 h=39.2萬(kW·h)。此項節(jié)能量根據(jù)企業(yè)空壓機運行數(shù)量、需要空壓氣的壓力綜合考慮，節(jié)能量有大有小。

(2)根據(jù)余熱回收系統(tǒng)廠家提供的數(shù)據(jù)，250 kW空壓機可以回收175 kW，200 kW空壓機可以回收140 kW，3臺空壓機每年可以回收電能：(175 kW×2+140 kW×1)×8 000=392萬(kW·h)。

如果考慮壓力降低后發(fā)熱量也相應(yīng)降低，以及不能達(dá)到最大節(jié)能效率的情況，粗略計算，每年可回收200萬～300萬kW·h電能。同時，會降低空壓機維修費用，延長空壓機使用壽命和保養(yǎng)周期，改善生產(chǎn)現(xiàn)場勞動環(huán)境。

5 結(jié)論

研究表明，空壓機的能耗大約占所有工業(yè)用電的10%，其應(yīng)用幾乎涵蓋所有工業(yè)領(lǐng)域，各企業(yè)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場情況，摸索數(shù)據(jù)，合理控制運行參數(shù)，減少電能浪費。