壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)備異常分析與改造

王 斌，武 丹

（陜西萊特邁思光電材料有限公司，陜西西安 710038）

0 引言

某產(chǎn)線壓縮空氣系統(tǒng)由1 臺(tái)永磁變頻螺桿空氣壓縮機(jī)、1 臺(tái)1 m3儲(chǔ)氣罐、1 臺(tái)冷凍式干燥機(jī)、1 臺(tái)微熱型吸附式干燥機(jī)組成，整套系統(tǒng)設(shè)備位于鋼構(gòu)廠房樓頂，有簡(jiǎn)易雨棚遮擋，系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)見表1。壓縮空氣在產(chǎn)線端用于設(shè)備腔室吹掃，同時(shí)為各類氣動(dòng)閥提供動(dòng)力，用氣要求壓力≥0.6 MPa，用氣量500 L/min。壓縮空氣系統(tǒng)運(yùn)行以來，為產(chǎn)線很好地提供了動(dòng)力氣源保障。但空壓機(jī)一直存在著頻繁啟停的現(xiàn)象，在運(yùn)行約11 000 h 后，空壓機(jī)頻繁無規(guī)律地出現(xiàn)“風(fēng)機(jī)過載”報(bào)警，導(dǎo)致空壓機(jī)停機(jī)，經(jīng)多次進(jìn)行維保、檢修均未得到有效改善。

表1 壓縮空氣系統(tǒng)氣源設(shè)備主要參數(shù)

對(duì)故障的徹底排查處理，異常現(xiàn)象已全部消除。通過對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)備架構(gòu)的改造，明確現(xiàn)有設(shè)備的實(shí)際用氣需求，提高了現(xiàn)有產(chǎn)線運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性，為后續(xù)擴(kuò)建產(chǎn)線提供了有力支撐，并在節(jié)能降耗方面取得了明顯效果。

1 異?，F(xiàn)象與分析

1.1 空壓機(jī)頻繁“風(fēng)機(jī)過載”報(bào)警

“風(fēng)機(jī)過載”報(bào)警異常現(xiàn)象在2 個(gè)月內(nèi)共發(fā)生12 次，每次停機(jī)后復(fù)位故障，空壓機(jī)又能正常啟動(dòng)運(yùn)行。先后對(duì)該空壓機(jī)進(jìn)行了全面保養(yǎng)、徹底清理冷卻器積塵，協(xié)同廠商檢查測(cè)溫裝置、風(fēng)機(jī)性能、控制電路等，異常現(xiàn)象均未消失。由于該異常的出現(xiàn)無規(guī)律可循，于是在現(xiàn)場(chǎng)以“蹲點(diǎn)”的方式捕捉異常出現(xiàn)時(shí)的設(shè)備狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)散熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，交流接觸器偶然發(fā)生頻繁吸合、斷開的現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)過載報(bào)警現(xiàn)象恰好發(fā)生在接觸器頻繁吸合、斷開的過程中，但并非每次出現(xiàn)接觸器頻繁吸合、斷開現(xiàn)象都會(huì)發(fā)生“風(fēng)機(jī)過載”報(bào)警。

接觸器的每次吸合對(duì)于風(fēng)機(jī)來說都是一次重新啟動(dòng)，啟動(dòng)電流遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行電流。當(dāng)接觸器頻繁吸合、斷開時(shí)，恰好在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)與散熱風(fēng)機(jī)電流互感器的監(jiān)測(cè)頻率重疊，控制器認(rèn)為風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)大電流，于是發(fā)出了“風(fēng)機(jī)過載”的假報(bào)警。

接觸器頻繁吸合、斷開現(xiàn)象有3 個(gè)可能原因：①接觸器自身存在異常；②接觸器線圈電壓過低；③控制信號(hào)不穩(wěn)定。針對(duì)上述可能原因進(jìn)行逐一排除，重點(diǎn)檢查控制器對(duì)接觸器控制電路的參數(shù)及性能，二次電路變壓器輸出電壓221 V 正常，各線路連接牢固。更換新的交流接觸器后開機(jī)運(yùn)行，故障現(xiàn)象未得到有效改善。

將接觸器控制回路中串接的急停按鈕觸點(diǎn)進(jìn)行跨接后，發(fā)現(xiàn)該異?，F(xiàn)象得到改善，但半個(gè)月后又再次出現(xiàn)。而整個(gè)控制回路中的觸點(diǎn)共有兩組，一組是急停開關(guān)的常閉觸點(diǎn)，另一組是控制器內(nèi)的繼電器觸點(diǎn)。由此分析，接觸器控制信號(hào)不穩(wěn)定與空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)有很大關(guān)系，空壓機(jī)運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)，誘發(fā)其控制回路觸點(diǎn)偶發(fā)性地出現(xiàn)顫動(dòng)?？諌簷C(jī)機(jī)身以焊接的形式安裝在槽鋼底座上，整套設(shè)備又位于鋼構(gòu)車間樓頂，所以運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)比較強(qiáng)烈。

由于產(chǎn)線運(yùn)行無法隨時(shí)停機(jī)改造，結(jié)合散熱風(fēng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間僅十余秒，所以選用熱過載繼電器暫時(shí)替代電流互感器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)，利用熱過載繼電器的電流時(shí)間特性避開了互感器監(jiān)測(cè)的靈敏性，使空壓機(jī)可以持續(xù)運(yùn)行。

在后續(xù)的整套系統(tǒng)改造中，在空壓機(jī)與底座之間加裝了1 cm厚的橡膠減振墊，并恢復(fù)風(fēng)機(jī)電流互感器監(jiān)測(cè)線路。開機(jī)運(yùn)行數(shù)月，再未出現(xiàn)風(fēng)機(jī)過載的報(bào)警停機(jī)現(xiàn)象，至此，該異常原因已明了。

1.2 空壓機(jī)啟停頻繁

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，該空壓機(jī)1 個(gè)啟停周期約5 min，其中加載運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)約4 min20 s，停機(jī)時(shí)長(zhǎng)約40 s，每小時(shí)啟停頻次達(dá)到12 次以上。經(jīng)分析論證，此異常現(xiàn)象是系統(tǒng)硬件與實(shí)際用氣量匹配不當(dāng)造成的。

產(chǎn)線設(shè)備要求壓縮空氣壓力≥0.6 MPa，壓縮空氣流量為500 L/min，折合成大氣壓（以0.1 MPa 為基準(zhǔn)）狀態(tài)流量約為3.0 m3/min。由于輸氣管線至車間入口長(zhǎng)度約80 m，考慮壓力損失，結(jié)合空壓機(jī)參數(shù)性能，將壓力下限設(shè)定為0.65 MPa，上限設(shè)定為0.77 MPa，空壓機(jī)額定排氣量為5.85～6.35 m3/min，為便于分析，此處按6 m3/min 計(jì)算。微熱型吸附式干燥機(jī)再生用氣量為空壓機(jī)排氣量的10%，約0.6 m3/min，故標(biāo)定總用氣量為3.6 m3/min，空壓機(jī)額定排氣量大于標(biāo)定用氣量約2.4 m3/min。現(xiàn)場(chǎng)配套的緩沖儲(chǔ)氣罐容積為1 m3，顯然較小。綜上所述，空壓機(jī)排氣量選用過大，在壓力下限時(shí)空壓機(jī)啟動(dòng)，但很快就突破了產(chǎn)用氣平衡點(diǎn)達(dá)到壓力上限，空壓機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。緩沖儲(chǔ)氣罐選用過小，加之管線過長(zhǎng)，有效儲(chǔ)氣量?jī)H能短時(shí)支撐產(chǎn)線用氣，所以空壓機(jī)待機(jī)后系統(tǒng)壓力快速降至下限，空壓機(jī)再次啟動(dòng)。如此循環(huán)往復(fù)，造成空壓機(jī)頻繁啟停。

在后續(xù)的系統(tǒng)改造中，擴(kuò)充了儲(chǔ)氣罐容量，使得空壓機(jī)啟停周期有效延長(zhǎng)，再未出現(xiàn)頻繁啟?，F(xiàn)象，空壓機(jī)運(yùn)行工況得到很大改善。

2 系統(tǒng)改造與評(píng)估

2.1 系統(tǒng)改造目標(biāo)

在原有位置增設(shè)空壓機(jī)房，改善現(xiàn)有空壓機(jī)運(yùn)行環(huán)境；新增1 臺(tái)儲(chǔ)氣罐，改善當(dāng)前空壓機(jī)運(yùn)行工況；新增1 臺(tái)空壓機(jī)，實(shí)現(xiàn)1用1 備交替使用，保障產(chǎn)線不間斷供氣，并為2 年內(nèi)擴(kuò)建1 條同規(guī)格產(chǎn)線預(yù)留用氣需求。

2.2 系統(tǒng)改造方案

2.2.1 新增空壓機(jī)

產(chǎn)線設(shè)備對(duì)壓縮空氣壓力要求≥0.6 MPa，故新增空壓機(jī)為1 臺(tái)相同等級(jí)的低壓永磁變頻螺桿空壓機(jī)?，F(xiàn)有產(chǎn)線標(biāo)定壓縮空氣需求量為3.0 m3/min，壓縮空氣凈化再生用氣量為0.6 m3/min，考慮2 年內(nèi)產(chǎn)線擴(kuò)大一倍及保留10%排氣裕量，故從空壓機(jī)排氣量上選用一臺(tái)排氣量≥7.26 m3/min 的空壓機(jī)?，F(xiàn)有永磁變頻螺桿空壓機(jī)調(diào)頻范圍為80～150 Hz，供氣量及壓力滿足需求，但排氣量起點(diǎn)高、壓力波動(dòng)較大，同時(shí)有啟動(dòng)噪聲及振動(dòng)大的現(xiàn)象，所以選用了頻率控制下限更低、調(diào)頻范圍更寬的空壓機(jī)。

隨著企業(yè)規(guī)模不斷發(fā)展，產(chǎn)線規(guī)模逐步擴(kuò)大，明確單產(chǎn)線實(shí)際用氣量與設(shè)備標(biāo)定用氣量差異很有必要，故從綜合控制上選用空壓機(jī)應(yīng)具備數(shù)據(jù)分析功能，空壓機(jī)能在運(yùn)行中對(duì)負(fù)載率、產(chǎn)氣量等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

綜上，選定某品牌37 kW 永磁變頻螺桿空壓機(jī)，額定排氣壓力范圍0.40～1.3 MPa，額定排氣量范圍1.49～7.89 m3/min，控制頻率范圍28～130 Hz，控制器具有運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)功能。

2.2.2 新增儲(chǔ)氣罐

為改善原有空壓機(jī)頻繁啟停的異常現(xiàn)象，重新進(jìn)行儲(chǔ)氣罐容積選型。原空壓機(jī)一個(gè)啟停周期待機(jī)時(shí)長(zhǎng)為40 s，改善目標(biāo)為待機(jī)時(shí)長(zhǎng)≥2 min，按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中,V 為儲(chǔ)氣罐容積，P 為本地大氣壓常壓，K 為壓縮空氣實(shí)際消耗量3.6 m3/min，T 為儲(chǔ)氣罐有效供氣時(shí)長(zhǎng)2 min，P2為空壓機(jī)排氣壓力上限0.77 MPa，P1為空壓機(jī)排氣壓力下限0.65 MPa，由此可計(jì)算得出系統(tǒng)需儲(chǔ)氣罐總?cè)萘繛?.8 m3，由于原系統(tǒng)已有1 m3緩沖儲(chǔ)氣罐，故新增儲(chǔ)氣罐容量選擇5 m3。

針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)布局進(jìn)行確定新增儲(chǔ)氣罐安裝位置及材料選型，由于現(xiàn)有系統(tǒng)管線較長(zhǎng)，且氣源設(shè)備位于鋼構(gòu)廠房樓頂，考慮供氣壓力穩(wěn)定性與設(shè)施安全性，將新增儲(chǔ)氣罐安裝于靠近產(chǎn)線端的地面位置，用于存儲(chǔ)凈化后的成品壓縮空氣，并起到一定的緩沖作用。因此，常規(guī)的碳鋼材料儲(chǔ)氣罐顯然不符合該方案的要求，本文選用不銹鋼（06Cr19Ni10）材料儲(chǔ)氣罐，罐體配套有壓力表、安全閥、排污閥，儲(chǔ)氣罐出口管道配套精密管道過濾器，罐體安裝于預(yù)制混凝土基座上。

綜上，新增儲(chǔ)氣罐選型為I 類5 m3，設(shè)計(jì)壓力0.84 MPa 的不銹鋼儲(chǔ)氣罐。

2.2.3 機(jī)房配套

由于原系統(tǒng)設(shè)備位于鋼構(gòu)廠房樓頂，且原有壓縮空氣凈化設(shè)備、電氣配套線路、輸氣管路不做大的變動(dòng)，所以決定空壓機(jī)房以簡(jiǎn)易板房形式搭建。為便于后期維修保養(yǎng)作業(yè)，確保每臺(tái)空壓機(jī)四周距離墻面有效距離≥1 m，機(jī)房整體長(zhǎng)寬高尺寸定為5.5 m×3.2 m×3.8 m?？諌簷C(jī)房整體底座采用12#鍍鋅槽鋼焊接，通過混凝土與樓面結(jié)合，并在機(jī)房整體底座上預(yù)制兩臺(tái)空壓機(jī)安裝基座，基座上安裝1 cm 厚橡膠減振墊。機(jī)房主體架構(gòu)采用60 mm 方鋼搭建，墻體采用5 cm 厚隔熱巖棉彩鋼板鋪設(shè)，有效減弱夏季夕曬與冬季嚴(yán)寒等極端天氣對(duì)空壓機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的影響。機(jī)房中線對(duì)立墻面水平高度1 m 位置各設(shè)置600 mm×900 mm進(jìn)風(fēng)口1 個(gè)，進(jìn)風(fēng)口外側(cè)安裝百葉窗遮擋雨水進(jìn)入室內(nèi)，進(jìn)風(fēng)口內(nèi)鑲嵌工業(yè)防塵過濾無紡布，避免惡劣天氣揚(yáng)塵或柳絮飛蟲等進(jìn)入空壓機(jī)空氣過濾器內(nèi)造成塞堵?？諌簷C(jī)冷卻器上方設(shè)置通徑導(dǎo)熱通道，高效排出空壓機(jī)散熱，通道口徑尺寸與空壓機(jī)散熱器尺寸保持一致，垂直向上延伸1 m 后直角彎轉(zhuǎn)向室外，室外通道口位置設(shè)置直插式風(fēng)閥，室內(nèi)導(dǎo)熱通道外側(cè)鋪設(shè)保溫隔熱棉，避免對(duì)機(jī)房室溫造成不必要溫升。2 臺(tái)空壓機(jī)分別配置獨(dú)立電源，并掛接計(jì)量電表用于能耗分析，機(jī)房排風(fēng)通道側(cè)配置獨(dú)立排風(fēng)扇1 臺(tái)，以應(yīng)對(duì)夏季極端高溫天氣。

壓縮空氣系統(tǒng)改造整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 壓縮空氣系統(tǒng)改造整體結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)改造效果評(píng)估

2.3.1 系統(tǒng)泄漏率測(cè)試

工程案例表明，壓縮空氣系統(tǒng)若存在一個(gè)1 mm 直徑的沙眼，1 年泄漏的壓縮空氣成本約3000 元，且與供氣壓力成正比，因此不論是新系統(tǒng)還是改造后的系統(tǒng)，泄漏率測(cè)試很有必要。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，中小型壓縮空氣系統(tǒng)泄漏率一般在5%～7%之間，此處泄漏率合格標(biāo)準(zhǔn)定為S≤5%。結(jié)合實(shí)際用氣壓力情況，泄漏率測(cè)試壓力P1為0.77 MPa，壓機(jī)排氣壓力設(shè)置為0.8 MPa，空壓機(jī)停機(jī)后關(guān)閉產(chǎn)線端管路總閘，手動(dòng)卸壓至0.77 MPa，保壓3 h。測(cè)試時(shí)間結(jié)束后，系統(tǒng)壓力顯示P2=0.75 MPa，可得：

故系統(tǒng)泄漏率合格。

2.3.2 原系統(tǒng)空壓機(jī)運(yùn)行測(cè)試

啟動(dòng)空壓機(jī)后，待系統(tǒng)壓力上升至0.65 MPa 時(shí)，逐步開啟產(chǎn)線用氣設(shè)備正常運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，使用計(jì)時(shí)器記錄空壓機(jī)啟停周期時(shí)長(zhǎng)，一個(gè)啟停周期內(nèi)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)約15 min，待機(jī)時(shí)長(zhǎng)約4 min，每小時(shí)啟停頻次降至3～4 次，且空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)明顯減弱，在長(zhǎng)期運(yùn)行中再未發(fā)現(xiàn)散熱風(fēng)機(jī)交流接觸器頻繁吸合斷開的異?，F(xiàn)象，該空壓機(jī)運(yùn)行工況得到極大改善。

2.3.3 新空壓機(jī)運(yùn)行測(cè)試

新空壓機(jī)排氣壓力設(shè)定為0.67 MPa，整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，主機(jī)加載率恒定在20%～40%之間，監(jiān)測(cè)運(yùn)行510 h 后數(shù)據(jù)，產(chǎn)氣量共51 240 m3，由此計(jì)算出空壓機(jī)實(shí)際排氣量為1.67 m3/min，表明當(dāng)前產(chǎn)線設(shè)備及空氣凈化設(shè)備再生用氣實(shí)際總量為1.67 m3/min，遠(yuǎn)小于各用氣設(shè)備標(biāo)定的總用氣量3.6 m3/min，同時(shí)也由此可得知原空壓機(jī)改造后的待機(jī)時(shí)長(zhǎng)較改善目標(biāo)待機(jī)時(shí)長(zhǎng)多出一倍的原因。所以在后續(xù)產(chǎn)線擴(kuò)大1 倍的情況下，2 臺(tái)空壓機(jī)均能滿足需求，且留有較大裕量，當(dāng)前系統(tǒng)配套的空氣凈化設(shè)備處理量也完全滿足需求，不需再做額外改造。

2.3.4 能耗指標(biāo)評(píng)估

原有空壓機(jī)在產(chǎn)線負(fù)載正常運(yùn)行的情況下，改造前每小時(shí)平均電耗為16.8 kW·h，改造后統(tǒng)計(jì)500 h 運(yùn)行電耗，每小時(shí)平均電耗為15.5 kW·h，每小時(shí)節(jié)能1.3 kW·h，效果并不理想，這主要由其自身性能決定了在減少啟動(dòng)次數(shù)的情況下能耗微降。新增空壓機(jī)統(tǒng)計(jì)其運(yùn)行500 h 運(yùn)行電耗，每小時(shí)平均電耗為11.2 kW·h，相比原有系統(tǒng)每小時(shí)節(jié)電5.6 kW·h，相同工況下，按照全年運(yùn)行350 d 計(jì)算，年節(jié)電量47 040 kW·h，按平均電價(jià)按照0.75 元/kW·h 計(jì)算，全年節(jié)約能耗成本35 280 元，節(jié)能效果明顯。

3 結(jié)束語(yǔ)

在小型壓縮空氣系統(tǒng)的設(shè)備配套中，空壓機(jī)及凈化設(shè)備的技術(shù)參數(shù)與用氣負(fù)載的需求參數(shù)是緊密結(jié)合的，如果選型不當(dāng)，會(huì)直接造成設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)異常，并在長(zhǎng)期的運(yùn)行工作中不斷出現(xiàn)機(jī)械或電氣運(yùn)行異常，引發(fā)供氣不穩(wěn)定與不可靠問題，同時(shí)還會(huì)造成大量能源的浪費(fèi)，增加不必要的運(yùn)行成本。隨著空氣壓縮技術(shù)的不斷發(fā)展，根據(jù)企業(yè)發(fā)展規(guī)劃可以考慮建立集中式空壓機(jī)站供氣，空壓機(jī)的選型可以考慮控制性能更加優(yōu)良的機(jī)型，以避免由于短期用氣需求的變化反復(fù)改造系統(tǒng)。