螺桿空壓機(jī)節(jié)能改造應(yīng)用案例

空壓機(jī)是工廠里最重要的機(jī)器設(shè)備之一，空壓機(jī)供氣領(lǐng)域能否應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，在節(jié)省電能的同時(shí)改善空壓機(jī)性能，提高供氣品質(zhì)，降低生產(chǎn)設(shè)備故障率，延長設(shè)備的使用壽命備受社會(huì)各界關(guān)注。為了節(jié)約能源，對(duì)企業(yè)原有的空壓站進(jìn)行節(jié)能減排技術(shù)改造，非常有必要。

壓縮機(jī)是一種將氣體壓縮從而提高氣體壓力或輸送氣體的機(jī)器，螺桿式空壓機(jī)的工作原理包含四個(gè)過程：1）吸氣過程； 2）封閉及輸送過程；3）壓縮及噴油過程；4）排氣過程
 

空氣壓縮機(jī)在出廠時(shí)配套的排氣壓力調(diào)節(jié)裝置，多數(shù)為關(guān)閉進(jìn)氣管式壓力調(diào)節(jié)器。其工作原理是當(dāng)儲(chǔ)氣罐（風(fēng)包）內(nèi)空氣壓力超過設(shè)定的壓力時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)氣管上碟閥自動(dòng)關(guān)閉，壓縮機(jī)進(jìn)入空轉(zhuǎn)卸荷狀態(tài)；當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的空氣壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)氣管碟閥自動(dòng)開啟，壓縮機(jī)又進(jìn)入到滿載工作狀態(tài)?？諝鈮嚎s機(jī)的排氣量和壓力，在運(yùn)轉(zhuǎn)中也不是不變的，常因工況變化導(dǎo)致用氣量變化，所以空氣壓縮機(jī)工作時(shí)總是在重復(fù)滿載－卸荷工作方式。滿載時(shí)的工作電流接近電動(dòng)機(jī)的額定電流，卸荷時(shí)的空轉(zhuǎn)電流約為30-50%電動(dòng)機(jī)額定電流，這部分電流不是做有用功，而是機(jī)械在額定轉(zhuǎn)速下的空轉(zhuǎn)損耗。

這種機(jī)械式調(diào)節(jié)裝置雖然也能起到壓力調(diào)節(jié)作用，但是壓力調(diào)節(jié)精度低，壓力波動(dòng)大。壓縮機(jī)總是在額定轉(zhuǎn)速下工作，機(jī)械磨損大，電耗高?？諌簷C(jī)自身存在著以下幾個(gè)缺點(diǎn): 

(1) 當(dāng)輸出壓力大于一定值時(shí)，自動(dòng)打開泄載閥，使異步電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，嚴(yán)重浪費(fèi)能源;

 (2) 異步電動(dòng)機(jī)易頻繁的啟動(dòng)、停止，影響電機(jī)的使用壽命; 

(3) 工作條件惡劣，噪音大; 

(4) 自動(dòng)化程度低，輸出壓力的調(diào)節(jié)是靠人為調(diào)節(jié)閥的開度來實(shí)現(xiàn)的，調(diào)節(jié)速度慢，波動(dòng)大，不穩(wěn)定，精度低;

 (5) 空壓機(jī)工頻啟動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)沖擊大，電機(jī)軸承磨損大，設(shè)備維護(hù)量大。針對(duì)以上存在的問題，采用變頻器對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)恒壓運(yùn)行勢(shì)在必行。

2.1 空壓站分布情況

空壓站主要工作是供應(yīng)全廠壓縮空氣生產(chǎn)用氣。班組生產(chǎn)運(yùn)作為常年二二制運(yùn)行。班組有兩個(gè)站房輪流使用，每個(gè)站房各由三臺(tái)40立方螺桿式壓縮機(jī)和一臺(tái)20立方螺桿式壓縮機(jī)組成。

2.2 空壓站現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)研，目前是工廠的生產(chǎn)淡季，空壓站運(yùn)轉(zhuǎn)情況如下：
 

3#空壓站配有壓力監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控廠里用氣情況，空壓站必須保證廠內(nèi)管網(wǎng)的壓力。兩個(gè)空壓站的輪換使用周期為一年，2017年3月至2018年3月使用的是3站，2018年3月開始使用的是2站，如果遇到故障、檢修等情況會(huì)暫時(shí)使用另一個(gè)站點(diǎn)。

高壓站2、3、4號(hào)機(jī)，共有3臺(tái)高壓螺桿式空氣壓縮機(jī)，由于空氣壓縮機(jī)的拖動(dòng)電機(jī)本身不能調(diào)速，因此就不能直接使用壓力或流量的變動(dòng)來實(shí)現(xiàn)降速調(diào)節(jié)輸出功率的匹配，導(dǎo)致在用氣量少的時(shí)候電機(jī)仍然要空載運(yùn)行，電能浪費(fèi)巨大。

2.3 壓縮機(jī)出口點(diǎn)壓力控制

目前，壓縮機(jī)的出口點(diǎn)壓力控制是操作員根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，手動(dòng)控制壓縮機(jī)的開啟和關(guān)閉，來滿足廠內(nèi)用氣需要?，F(xiàn)在，一般設(shè)定壓縮機(jī)出口壓力不超過0.78MPa，正常運(yùn)行保持在0.76MPa左右。2#站的設(shè)備帶有自動(dòng)卸載功能，壓力到了警戒值會(huì)自動(dòng)放氣減壓，到達(dá)0.71MPa會(huì)再次加載，這之間有0.05MPa的壓差。3#站的設(shè)備的減壓方式是采用自動(dòng)減小進(jìn)氣口，來減小出口壓力。另外，高峰用能時(shí)間段，設(shè)備保持在加載狀態(tài)，夜班時(shí)段，設(shè)備加減載頻繁。

若能采用自動(dòng)控制和變頻調(diào)速技術(shù)，將四臺(tái)空壓機(jī)實(shí)行自動(dòng)控制，可以實(shí)現(xiàn)互為熱備自動(dòng)運(yùn)行，穩(wěn)定輸出生產(chǎn)要求所需的穩(wěn)定氣壓，減少機(jī)械維修工作量，延長空壓機(jī)的使用壽命。另外，當(dāng)流量需要量減少時(shí)，就可降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而較大幅度減小電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率，也可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

3.1 空氣壓縮機(jī)變頻節(jié)能原理

經(jīng)常卸載和加載導(dǎo)致整個(gè)氣網(wǎng)壓力經(jīng)常變化，不能保持恒定的工作壓力延長壓縮機(jī)的使用壽命?？諌簷C(jī)的有些調(diào)節(jié)方式（如調(diào)節(jié)閥門或調(diào)節(jié)卸載等方式）即使在需要流量較小的情況下，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，電機(jī)功率下降幅度比較小。根據(jù)空氣壓縮理論，壓縮機(jī)的軸功率、排氣量和軸轉(zhuǎn)速符合下列公式：

N=Mr×n/9553（kW）      （1-1）

Vd1=K×Vh1×n2（m3/min）  （1-2）

式中：

N－壓縮機(jī)的軸功率（kW）

Mr－壓縮機(jī)輸入的平均軸轉(zhuǎn)矩（N.m）

n－壓縮機(jī)的軸轉(zhuǎn)速（r/min）

Vd1－在n2轉(zhuǎn)速下的排氣量（m3/min）

K－與汽缸容積、壓力、溫度和泄漏有關(guān)的系數(shù)

Vh1－一級(jí)缸容積（m3 ）

n2－調(diào)節(jié)后的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）

根據(jù)上述理論分析，在空氣壓縮機(jī)的汽缸容積不能改變的條件下，只有調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速才能改變排氣量；空氣壓縮機(jī)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，壓縮機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速呈正比變化。在壓縮機(jī)總排氣量大于總用氣量時(shí)，通過降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)供風(fēng)壓力，是達(dá)到壓縮機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有效方法。
 

3.2 可行性分析

3.2.1 編制依據(jù)

節(jié)能減排改造項(xiàng)目工程總投資預(yù)算123.4萬元，概況如表3。

3.2.2 預(yù)計(jì)節(jié)能情況

設(shè)備用電情況，其中包括空壓站3年的用電用能情況。根據(jù)企業(yè)內(nèi)部成本核算，電費(fèi)單價(jià)為0.8元/kWh。希望能計(jì)算出，節(jié)能改造后每月的節(jié)能量和節(jié)能費(fèi)用，以便計(jì)算投資回收期。
 

依據(jù)前面分析，空壓站3年平均電費(fèi)2489992.3 元，改造后保守預(yù)計(jì)年節(jié)約電費(fèi)21萬元。

3.2.3 投資收益分析

（1）節(jié)能改造靜態(tài)投資回收期=91.28/21=4.3年；

（2）工程總投資靜態(tài)投資回收期=123.4/21=5.8年。

備注：

以上預(yù)算是估計(jì)值，在改造中會(huì)根據(jù)實(shí)際情況有變化。

節(jié)能中心的場地需要上電公司提供。

節(jié)能中心的裝修預(yù)算將根據(jù)場地的情況再做計(jì)劃，費(fèi)用另計(jì)。

3.2.4 投資和收益分享

3.2.4.1 項(xiàng)目投資

節(jié)能減排改造項(xiàng)目擬采用合同能源管理模式的節(jié)能效益分享型實(shí)施，該項(xiàng)目投資資金甲乙雙方承擔(dān)如表4：
 

3.2.4.2 合同期收益

計(jì)劃合同期為八年，在此期間內(nèi)雙方各自分享項(xiàng)目年節(jié)電效益，乙方通過部分分享項(xiàng)目的年節(jié)電效益來回收該項(xiàng)目的投資及合理利潤。同時(shí)，由于乙方承擔(dān)額外的能源檢測中心建設(shè)費(fèi)用，乙方分享的節(jié)能效益比例合同期內(nèi)較高，如表5。

空壓機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行恒壓供氣控制時(shí)，系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。
 

變頻器將管網(wǎng)壓力作為控制對(duì)象，裝在儲(chǔ)氣管出氣口的壓力變送器將儲(chǔ)氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)?-20mA電信號(hào)送到變頻器內(nèi)部，與壓力給定值進(jìn)行比較，并根據(jù)差值的大小進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號(hào)去控制變頻器的運(yùn)行頻率，從而調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。那么空壓機(jī)輸出相應(yīng)的壓縮空氣至儲(chǔ)氣罐，使之壓力變化，直到管網(wǎng)壓力與給定壓力值相同，從而使實(shí)際壓力始終維持在給定壓力。整個(gè)控制過程如下：用氣需求↑—管路氣壓↓—壓力設(shè)定值與返饋值的差值↑—變頻器輸出頻率↑—空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速↑—供氣流量↑—管路氣壓趨于穩(wěn)定。

所以，保持管道中的氣壓恒定，就可保證該處供氣能力恰好滿足用氣需求，這就是恒壓供氣系統(tǒng)所要達(dá)到的目的。

經(jīng)過改造后，空壓機(jī)電機(jī)從靜止到旋轉(zhuǎn)工作可由變頻器來啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)沖擊電流和啟動(dòng)給空壓機(jī)帶來的機(jī)械沖擊，從而達(dá)到空壓機(jī)省電、節(jié)能、環(huán)保、減排、降低磨損、延長壽命、安全可靠的目的。

4.1 節(jié)約能源

變頻器控制壓縮機(jī)與傳統(tǒng)控制的壓縮機(jī)比較，能源節(jié)約是最有實(shí)際意義的，根據(jù)空氣量需求來供給的壓縮機(jī)工況是經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)。

4.2 運(yùn)行成本降低

傳統(tǒng)壓縮機(jī)的運(yùn)行成本由三項(xiàng)組成：初始采購成本、維護(hù)成本和能源成本。其中能源成本和維護(hù)成本占?jí)嚎s機(jī)運(yùn)行成本的主要部分。通過能源成本降低，再加上變頻起動(dòng)后對(duì)設(shè)備的沖擊減少，維護(hù)和維修量也跟隨降低，所以運(yùn)行成本將大大降低。

4.3 輸出壓力穩(wěn)定

變頻控制系統(tǒng)具有精確的壓力控制能力，使空壓機(jī)的空氣壓力輸出與用戶空氣系統(tǒng)所需的氣量相匹配。變頻控制空壓機(jī)的輸出氣量隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變。由于變頻控制電機(jī)速度的精度提高，所以它可以使管網(wǎng)的系統(tǒng)壓力變化保持在穩(wěn)定的變化范圍，有效地提高了工況的質(zhì)量。

4.4 延長空壓機(jī)的使用壽命

變頻器從0Hz起動(dòng)空壓機(jī)，它的起動(dòng)加速時(shí)間可以調(diào)整，從而減少起動(dòng)時(shí)對(duì)壓縮機(jī)的電器部件和機(jī)械部件所造成的沖擊，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，使壓縮機(jī)的使用壽命延長。此外，變頻控制能夠減少機(jī)組起動(dòng)時(shí)電流波動(dòng)，這一波動(dòng)電流會(huì)影響電網(wǎng)和其它設(shè)備的用電，變頻器能夠有效的將起動(dòng)電流的峰值減少到最低程度。

4.5、降低了空壓機(jī)的噪音

根據(jù)壓縮機(jī)的工況要求，變頻調(diào)速改造后，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度明顯減慢，因此有效地降低了空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪音。