壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能技改201354

1、壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能技改王偉林 張小燕 周洋(江蘇省鎮(zhèn)江船廠(集團)公司 212005)摘要：壓縮空氣系統(tǒng)是造船企業(yè)等許多廠（礦）生產(chǎn)中的重要動力設(shè)施，在電能消耗中占有較大比重。合理選擇空壓機的型號與配置，采用變頻調(diào)速技術(shù)和智能控制，實行末端無功補償和優(yōu)化供氣管系，能取得顯著的節(jié)能效果。這些節(jié)能措施，容易實現(xiàn)、見效較快、收益很高、經(jīng)濟合理，符合綠色用電和低碳經(jīng)濟的要求。關(guān)鍵詞：空壓機 節(jié)能收益1. 壓縮空氣系統(tǒng)的概況在新建、擴建或改建壓縮空氣系統(tǒng)時，相關(guān)規(guī)范要求必須保證安全生產(chǎn)、保護環(huán)境、節(jié)約能源、改善勞動條件，做到技術(shù)先進和經(jīng)濟合理。根據(jù)我廠生產(chǎn)用氣對流量和壓力的需求，廠西空壓機站設(shè)在靠近西廠

2、區(qū)用氣負荷中心，距離35kV變電所約300米。在設(shè)計時確定空壓機總排氣量為300m3/min、額定排氣壓力1.0MPa。為穩(wěn)定氣壓，在適當位置共配置了緩沖和儲氣之用的儲氣罐合計容積為52m3，（設(shè)計壓力為1.16MPa、工作壓力為1.0MPa）。向廠西各用氣單元供氣的壓縮空氣主管道分別進行敷設(shè)，各條主管道上都裝有控制閥。我廠生產(chǎn)用氣對氣源壓力有兩種要求，一種是0.60MPa左右，另一種是0.80MPa左右。為了提高用電日負荷率和充分利用谷電等因素，將前者用氣時間安排在8：00-22：00，將后者用氣時間安排在22：00-8：00，從制度上做到經(jīng)濟合理用氣。我廠主營范圍為特種船舶建造，和許多在生

3、產(chǎn)中需要大量使用壓縮空氣的廠（礦）一樣，壓縮空氣系統(tǒng)是生產(chǎn)中的重要動力設(shè)施，在電能消耗中占有較大比重。以我廠為例，雖然已經(jīng)比較重視對壓縮空氣系統(tǒng)的管理，但長期以來，壓縮空氣站的耗電量都占總用電量的50%以上。減少壓縮空氣系統(tǒng)在運行中的能源消耗和經(jīng)濟合理地用氣，是降本增效、實現(xiàn)綠色用電的重要環(huán)節(jié)。為此，我廠進一步加強了對壓縮空氣系統(tǒng)的日常運行管理以杜絕浪費，采用了高效氣動工具以提高效率。在此基礎(chǔ)上，還采取了一些容易實現(xiàn)、見效較快、收益很高的節(jié)能措施?，F(xiàn)將我廠在壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能運行方面的一些措施簡述如下，供同行參考。2.主要節(jié)能措施2.1 空壓機的選型空壓機的種類很多，在選型時應(yīng)當綜合考慮應(yīng)用場合

4、與對氣體品質(zhì)的要求，以及生產(chǎn)工藝對流量與壓力的要求來進行選擇。我廠在選擇空壓機型號與規(guī)格時，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟對比，采用了8臺技術(shù)較為先進的螺桿空氣壓縮機，主要參數(shù)為排氣量:38.2m3/min、排氣壓力:1.05MPa、電源:10kV/50Hz/3ph，電動機額定功率為250kW，其中一臺8號空壓機為0.38kV/50Hz/3ph。選擇多臺空壓機并聯(lián)運行的理由有很多，就節(jié)能而言，主要是為了可以分別控制各臺空壓機的起動與停止，以便根據(jù)用氣量的需求，在1-8號空壓機中合理選擇投入運行的容量，為實現(xiàn)智能化控制創(chuàng)造條件。將1-7號空壓機采用高壓電動機，是為了減少配電系統(tǒng)的損耗。實踐證明采用10 kV 高壓

5、電動機，比采用0.38kV低壓電動機能降低線損80%以上，同時也可減少電源電纜初次投資費用70%以上。將8號空壓機的電動機額定電壓選為0.38kV，是因為將其進行變頻調(diào)速控制當主供機使用，選擇低壓電動機可以節(jié)省變頻器的投資費用和減小變頻器的體積。2.2應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)在生產(chǎn)過程中，普遍存在用氣時間不固定和用氣負荷不均衡的現(xiàn)象，在這種狀況下最適宜采用變頻調(diào)速技術(shù)，節(jié)能效果最為顯著。我廠選用的螺桿壓縮機是技術(shù)較為先進的機型，主機是一對靠嚙合的螺旋形主、輔轉(zhuǎn)子進行壓縮的單級變?nèi)菔交剞D(zhuǎn)機械，通過主、輔轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)同時嚙合來完成壓縮。主轉(zhuǎn)子上有螺旋形凸齒，輔轉(zhuǎn)子上有螺旋形凹槽與主轉(zhuǎn)子上的螺旋形凸齒嚙合。

6、空壓機的進氣口位于壓縮機氣缸頂部靠近驅(qū)動軸側(cè)，排氣口位于氣缸底部相反的一側(cè)，當主、輔轉(zhuǎn)子在進氣口尚未嚙合時，空氣流入主轉(zhuǎn)子凸齒和輔轉(zhuǎn)子凹槽的空腔內(nèi)，此時壓縮循環(huán)開始。當轉(zhuǎn)子與入氣口脫開時，空氣被封閉在主、輔轉(zhuǎn)子構(gòu)成的空腔內(nèi)，并隨嚙合的轉(zhuǎn)子軸向移動，當繼續(xù)嚙合，更多的主轉(zhuǎn)子凸齒進入輔轉(zhuǎn)子的凹槽，容積減少，壓力升高。主、輔轉(zhuǎn)子齒槽之間不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化使空氣沿著轉(zhuǎn)子軸線由進氣口輸送至排氣口，實現(xiàn)螺桿式空壓機的吸氣、壓縮和排氣的全過程，將氣體升壓并輸出到儲氣罐內(nèi)。這種壓縮機雖然進氣閥能具有0100%進氣容調(diào)控制功能，在運行中能隨著實際壓縮空氣需求量的變化自動調(diào)整進氣閥的開度來限制進氣，以控制

7、壓縮機排氣量或關(guān)閉進氣閥使壓縮機空載。由此可見，該型空壓機本身已屬于節(jié)能型。但是，無論空壓機是處于加載還是處于卸載狀態(tài)，空壓機仍處在工頻下運行，轉(zhuǎn)速幾乎無變化，有功與無功固定損耗都不變。當進氣閥隨著用氣量減小也相應(yīng)減小，使空壓機處于輕載運轉(zhuǎn)時，或者當進氣閥完全關(guān)閉，使空壓機處在空載運行時，電動機仍然在消耗一定的電力，實測數(shù)據(jù)顯示空壓機耗電量為滿負載時的40-70%左右，且無功功率較大，功率因數(shù)很低。而采用變頻調(diào)速技術(shù)，可依據(jù)壓縮空氣負荷的變化，自動調(diào)節(jié)空壓機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對空壓機輸出功率的控到，起到節(jié)電降損的作用。具體做法是選用一臺空壓機（8號機）作為變頻主供機，由具備PID調(diào)節(jié)功能的變頻器進行

8、軟起動與自動控制其轉(zhuǎn)速，1-7號空壓機全部處于熱備用狀態(tài)。安裝在壓縮空氣總管上的壓力傳感器將采集到的壓力信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換反饋給變頻器，與預(yù)先設(shè)定的壓力參數(shù)相比較，實行閉環(huán)控制。當取樣壓力達到設(shè)定值上限時，自動調(diào)低主供機的電源頻率以降低轉(zhuǎn)速，最低可降低到10Hz頻率下運行；反之，自動調(diào)高頻率以提高主供機的轉(zhuǎn)速，直至主供機恢復(fù)到工頻轉(zhuǎn)速下運行。由于電動機的軸功率近似地與轉(zhuǎn)速的立方成正比，當空壓機提供的壓縮空氣量大于系統(tǒng)消耗量時，空壓機自動減速運行；當只有主供機單獨運行的工況下，如果總管上的壓力超過設(shè)定值上限0.02MPa并經(jīng)過設(shè)定的延遲時間，主供機可自動停機。實踐證明空無機變頻調(diào)速的節(jié)電降損效果十

9、分顯著。2.3智能化監(jiān)控由于我廠用氣負荷波動較大，要實現(xiàn)多臺空壓機的經(jīng)濟合理運行，就必須要根據(jù)實際用氣量來及時調(diào)整投入運行的空壓機容量，方可保證供氣壓力基本穩(wěn)定且做到節(jié)電降損。如果依靠人為指令或經(jīng)驗來確定投入運行的空壓機數(shù)量，由人工操作控制開機與停機，很難實現(xiàn)經(jīng)濟合理運行。僅對其中一臺主供機（8號機）實行變頻器調(diào)速控制來改變?nèi)萘?，只能使主供機做到節(jié)能運行。在用氣量很小的時段，即使主供機已經(jīng)降至最低轉(zhuǎn)速運行，仍有可能氣壓還是大于設(shè)定值上限，如果此時有多臺空壓機在運行，若不能及時而有選擇的將已投入運行的其它機組停機，勢必繼續(xù)處于壓縮空氣供大于求的狀況，即使進氣閥完全關(guān)閉，壓縮機仍有空載損耗；若對各

10、臺備用空壓機都采用變頻器調(diào)速，投資費用又較大，從技術(shù)經(jīng)濟角度來說，也無此必要。因此，在有多臺空壓機可供調(diào)節(jié)的條件下，采用智能監(jiān)控裝置來取代人工操作，是合理控制空壓機投運容量的最佳選擇。具體做法是裝設(shè)微機智能控制裝置，從各臺空壓機的RS485接口將運行參數(shù)進行匯集實行聯(lián)控，根據(jù)實際用氣負荷，由微機發(fā)出容調(diào)和投、切指令，自動控制排氣量和需要投入運行的空壓機數(shù)量?？刂屏鞒虨椋菏紫仁擒浧饎幼冾l主機(8號機)進行工頻滿負荷運行，同時起動備用機組中的1號機（將1號機設(shè)為工頻主機）投入運行供氣，在設(shè)定的延遲時間內(nèi)，如果取樣壓力能達到設(shè)定值上限，即視為已進入正常運行狀態(tài)，8號機自動轉(zhuǎn)入變頻調(diào)速工況運行；當1號

11、機與8號機都處在工頻狀態(tài)下運行，經(jīng)過設(shè)定的延遲時間，取樣壓力仍舊低于設(shè)定值下限時，智能裝置自動起動2號備用空壓機投入運行供氣；若再經(jīng)過設(shè)定的延遲時間，取樣壓力還是低于設(shè)定值下限時，智能裝置再自動起動3號備用空壓機投入運行供氣，以此類推，智能裝置自動依次起動各臺備用空壓機投入運行供氣。各臺備用空壓機可根據(jù)設(shè)定的循環(huán)時間以次循環(huán)投入運行；當其中任何一臺空壓機發(fā)生故障而自動退出運行、或因其它原因暫不能投運時，智能裝置根據(jù)用氣負荷的需求和設(shè)定的次序，自動起動下一臺備用空壓機投入運行。反之，當8號機已處在最低頻率（10Hz）狀態(tài)下低速運行，而取樣壓力仍處于設(shè)定值上限時，首先由各臺空壓機自動卸載（減小進閥

12、的開度），在實現(xiàn)充分容調(diào)之后，取樣壓力仍處于設(shè)定值上限時，由智能裝置自動依次將正在運行的備用空壓機按設(shè)定的延遲時間逐臺停機，先投運的先退出，直至1-7號機全部停機。從而使投入到運行中的空壓機容量始終處于最合理狀態(tài)，有效地降低了電耗。在正常供氣狀態(tài)下，無論是有幾臺空壓機在運行，也無論是增加或者是減少投入運行的空壓機數(shù)量，8號機都將優(yōu)先處在自動調(diào)頻狀態(tài)；當8號機因故障等原因不能投運時，則視同8號機已滿載運行而取樣壓力仍低于設(shè)定值，智能裝置不再經(jīng)過延遲，立即起動備用空壓機投入運行。供氣壓力上限與下限及壓力達到上、下限的延遲時間等設(shè)定參數(shù)，都可以根據(jù)工藝要求隨時在智能裝置中進行更改與保存，并在計算機的

13、顯示屏上顯示模擬圖和相關(guān)參數(shù)。運行數(shù)據(jù)可以儲存、打印與通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠距離監(jiān)控。同時在監(jiān)控室內(nèi)裝設(shè)手動控制臺，可對各臺空壓機進行應(yīng)急控制；起動或停止的應(yīng)急控制權(quán)，均優(yōu)先于各臺空壓機的自動控制。2.4采用末端無功補償技術(shù) 8臺空壓機在運行中的功率因數(shù)受負載影響較大，尤其是當空壓機處在低負荷和空載運行時，功率因數(shù)很低。為提高功率因數(shù)，對1-7號機采用了高壓電容器進行基本無功固定補償，在各臺空壓機的電源進線端，各并聯(lián)了一臺高壓無功補償箱，電容器額定容量為150kVAr，與電容器串聯(lián)的電抗器匹配電抗率為6，高壓無功補償箱無須另行裝設(shè)開關(guān)與控制器，由控制空壓機的斷路器將其與電動機同時投切，(見圖1)。對8

14、號機是采用了9組“無功補償與諧波治理一體化模塊”（見圖2中C1-C9），每組容量為15kVAr，由無功自動補償器按實際工況自動控制各個補償模塊的投切，保持8號機功率因數(shù)達到0.95以上，控制電路見圖2。圖1 末端無功補償電路圖圖2 無功自動補償電路圖由于8臺空壓機都實現(xiàn)了無功就地平衡，使西壓縮空氣站的用電平均功率因數(shù)從補償前的0.70左右提高到了0.95以上，同時也減小了1-7號機的起動電流，降低了系統(tǒng)損耗和提高了開關(guān)壽命。2.5供氣管網(wǎng)的優(yōu)化（1）增加儲氣罐容積 壓縮空氣系統(tǒng)的理想狀況是供氣壓力正好滿足用氣需求，能保持壓力恒定，實際上難以做到。有了變頻調(diào)速和智能控制后，情況雖有所改觀，但要減

15、少1-7號機的起/停次數(shù)，必須增加儲氣罐的容積。一般來說，儲氣罐的容積不宜少于空壓機總排氣量的30%。在壓縮空氣負荷波動較大的區(qū)域，宜就近設(shè)置儲氣罐。經(jīng)計算，將我廠儲氣罐總?cè)莘e增加到110m3，能明顯減少了空壓機的頻繁起/停，不僅節(jié)能，而且對保持電網(wǎng)穩(wěn)定、延長空壓機使用壽命以及降低耗材費用等方面都有良好的效果。（2） 減少管路壓力損失在壓縮空氣輸送管道中，壓力損失不像氣體的“跑、冒、漏”所造成的浪費那樣明顯，因而容易被忽視。實測結(jié)果表明，如果輸氣管道較長、彎頭較多或管道通徑偏小，壓縮空氣在輸送途中產(chǎn)生的壓力損失相當可觀，不應(yīng)小視。因此，在設(shè)計管路時應(yīng)當注意盡量減少管道長度和彎度，適當增大管道通

16、徑，同時合理調(diào)整各種管接頭（閥門、彎頭、三通等）的位置關(guān)減少其數(shù)量。在條件允許時，可將一個用氣單元內(nèi)的供氣管道實行環(huán)形敷設(shè)，或者將數(shù)根供氣支管的末端進行并聯(lián)（見圖3），這些措施都可使輸氣管道的壓力損失顯著減少。經(jīng)計算，將我廠供氣管道用此方法進行改造后，不僅能使該用氣負荷區(qū)的管道壓力損失減少35%以上，而且還能提高供氣壓力的穩(wěn)定性，使氣動工具的效率有所提高。圖3 并聯(lián)供氣示意圖3. 投資與收益壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能運行，投入小，見效快、收益大。我廠在壓縮空氣系統(tǒng)技改中的投資與收益的主要情況如下：3.1 變頻調(diào)速配置1臺變頻器及附屬設(shè)備計22.3萬元。主供空壓機的額定功率為250KW（服務(wù)系數(shù)1.2）

17、，全年運行時間在8000小時以上。運行數(shù)據(jù)表明，常年在工頻狀態(tài)下運行的主供機平均負載率約0.75，全年耗電量約為1500000kWh，將其進行變頻調(diào)速后，使主供機經(jīng)常自動轉(zhuǎn)為在額定轉(zhuǎn)速以下運行，全年耗電量約降至1000000kWh，與安裝變頻器前相比較，節(jié)電率約33%。按峰、谷、平三種電價的平均值0.65元/kWh計算，一年至少可節(jié)省電費開支0.65元/kWh500000kWh32.5萬元。不到九個月即可收回投資。3.2智能監(jiān)控智能監(jiān)控裝置及控制臺、電纜、傳感器、通訊模塊、IO模塊等，安裝調(diào)試工料費用計5萬元。我廠35kV變電所計算機監(jiān)控系統(tǒng)自動記錄的數(shù)據(jù)顯示，西空壓機站為供應(yīng)生產(chǎn)用氣常年需基

18、本投運的空壓機為4至6臺，平均負載率約0.70，為了應(yīng)對波動較大的用氣負荷，只有經(jīng)常將全部空壓機都投入運行。而依靠值班人員不可能隨時按用氣負荷變化來合理控制空壓機的投運數(shù)量，因此時常出現(xiàn)空壓機處于輕、空載工況下運行。實現(xiàn)智能化監(jiān)控后，在有一臺變頻調(diào)速主機常年運行的基礎(chǔ)上，每天至少有在超過10小時以上的時間內(nèi)，基本投運的備用空壓機數(shù)量減少了2至3臺，以平均比原來減少2.5臺(總功率按460KW)基本投運的空壓機計算，全年可減少用電量為460KW10h/天360天1656000kWh，全年可節(jié)省電費開支0.65元/ kWh1656000kWh107.6萬元，不到一個月時間即能收回投資。3.3 末端無功補償末端無功補償?shù)耐度霝樾卵b8臺無功補償箱，工料費用合計19萬元。按通過補償將廠西壓縮空氣站的平均功率因數(shù)從0.75提高到0.95，僅對取得效果中的一項(減少的無功電量)進行計算，全年至少可減少無功電量4800000kVArh，按無功經(jīng)濟當量取0.1，全年能節(jié)電4800000kVAr0.1480000kWh，全年節(jié)省電費為0.65元/kWh48000