螺桿空壓機節(jié)能改造應(yīng)用案例

空壓機是工廠里最重要的機器設(shè)備之一，空壓機供氣領(lǐng)域能否應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，在節(jié)省電能的同時改善空壓機性能，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各界關(guān)注。為了節(jié)約能源，對企業(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。

壓縮機是一種將氣體壓縮從而提高氣體壓力或輸送氣體的機器，螺桿式空壓機的工作原理包含四個過程：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
 

空氣壓縮機在出廠時配套的排氣壓力調(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)儲氣罐（風(fēng)包）內(nèi)空氣壓力超過設(shè)定的壓力時，壓縮機進(jìn)氣管上碟閥自動關(guān)閉，壓縮機進(jìn)入空轉(zhuǎn)卸荷狀態(tài)；當(dāng)儲氣罐內(nèi)的空氣壓力低于設(shè)定壓力時，壓縮機進(jìn)氣管碟閥自動開啟，壓縮機又進(jìn)入到滿載工作狀態(tài)?？諝鈮嚎s機的排氣量和壓力，在運轉(zhuǎn)中也不是不變的，常因工況變化導(dǎo)致用氣量變化，所以空氣壓縮機工作時總是在重復(fù)滿載－卸荷工作方式。滿載時的工作電流接近電動機的額定電流，卸荷時的空轉(zhuǎn)電流約為30-50%電動機額定電流，這部分電流不是做有用功，而是機械在額定轉(zhuǎn)速下的空轉(zhuǎn)損耗。

這種機械式調(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，壓力波動大。壓縮機總是在額定轉(zhuǎn)速下工作，機械磨損大，電耗高?？諌簷C自身存在著以下幾個缺點: 

(1) 當(dāng)輸出壓力大于一定值時，自動打開泄載閥，使異步電動機空轉(zhuǎn)，嚴(yán)重浪費能源;

 (2) 異步電動機易頻繁的啟動、停止，影響電機的使用壽命; 

(3) 工作條件惡劣，噪音大; 

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

 (5) 空壓機工頻啟動電流大，對電網(wǎng)沖擊大，電機軸承磨損大，設(shè)備維護(hù)量大。針對以上存在的問題，采用變頻器對空壓機進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)空壓機恒壓運行勢在必行。

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)運作為常年二二制運行。班組有兩個站房輪流使用，每個站房各由三臺40立方螺桿式壓縮機和一臺20立方螺桿式壓縮機組成。

2.2 空壓站現(xiàn)狀

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

3#空壓站配有壓力監(jiān)控設(shè)備，實時監(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、檢修等情況會暫時使用另一個站點。

高壓站2、3、4號機，共有3臺高壓螺桿式空氣壓縮機，由于空氣壓縮機的拖動電機本身不能調(diào)速，因此就不能直接使用壓力或流量的變動來實現(xiàn)降速調(diào)節(jié)輸出功率的匹配，導(dǎo)致在用氣量少的時候電機仍然要空載運行，電能浪費巨大。

2.3 壓縮機出口點壓力控制

目前，壓縮機的出口點壓力控制是操作員根據(jù)工作經(jīng)驗，手動控制壓縮機的開啟和關(guān)閉，來滿足廠內(nèi)用氣需要。現(xiàn)在，一般設(shè)定壓縮機出口壓力不超過0.78MPa，正常運行保持在0.76MPa左右。2#站的設(shè)備帶有自動卸載功能，壓力到了警戒值會自動放氣減壓，到達(dá)0.71MPa會再次加載，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減小進(jìn)氣口，來減小出口壓力。另外，高峰用能時間段，設(shè)備保持在加載狀態(tài)，夜班時段，設(shè)備加減載頻繁。

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

3.1 空氣壓縮機變頻節(jié)能原理

經(jīng)常卸載和加載導(dǎo)致整個氣網(wǎng)壓力經(jīng)常變化，不能保持恒定的工作壓力延長壓縮機的使用壽命?？諌簷C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，由于電機轉(zhuǎn)速不變，電機功率下降幅度比較小。根據(jù)空氣壓縮理論，壓縮機的軸功率、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－壓縮機的軸功率（kW）

Mr－壓縮機輸入的平均軸轉(zhuǎn)矩（N.m）

n－壓縮機的軸轉(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)

Vh1－一級缸容積（m3 ）

n2－調(diào)節(jié)后的壓縮機轉(zhuǎn)速（r/min）

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

3.2 可行性分析

3.2.1 編制依據(jù)

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

3.2.2 預(yù)計節(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，電費單價為0.8元/kWh。希望能計算出，節(jié)能改造后每月的節(jié)能量和節(jié)能費用，以便計算投資回收期。
 

依據(jù)前面分析，空壓站3年平均電費2489992.3 元，改造后保守預(yù)計年節(jié)約電費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)算是估計值，在改造中會根據(jù)實際情況有變化。

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)場地的情況再做計劃，費用另計。

3.2.4 投資和收益分享

3.2.4.1 項目投資

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

3.2.4.2 合同期收益

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

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

變頻器將管網(wǎng)壓力作為控制對象，裝在儲氣管出氣口的壓力變送器將儲氣罐的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)?-20mA電信號送到變頻器內(nèi)部，與壓力給定值進(jìn)行比較，并根據(jù)差值的大小進(jìn)行運算，產(chǎn)生控制信號去控制變頻器的運行頻率，從而調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速。那么空壓機輸出相應(yīng)的壓縮空氣至儲氣罐，使之壓力變化，直到管網(wǎng)壓力與給定壓力值相同，從而使實際壓力始終維持在給定壓力。整個控制過程如下：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↑—空壓機電機轉(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，空壓機電機從靜止到旋轉(zhuǎn)工作可由變頻器來啟動，實現(xiàn)了軟啟動，避免了啟動沖擊電流和啟動給空壓機帶來的機械沖擊，從而達(dá)到空壓機省電、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

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

4.2 運行成本降低

傳統(tǒng)壓縮機的運行成本由三項組成：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)成本占壓縮機運行成本的主要部分。通過能源成本降低，再加上變頻起動后對設(shè)備的沖擊減少，維護(hù)和維修量也跟隨降低，所以運行成本將大大降低。

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。變頻控制空壓機的輸出氣量隨著電機轉(zhuǎn)速的改變而改變。由于變頻控制電機速度的精度提高，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 延長空壓機的使用壽命

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

4.5、降低了空壓機的噪音

根據(jù)壓縮機的工況要求，變頻調(diào)速改造后，電機運轉(zhuǎn)速度明顯減慢，因此有效地降低了空壓機運行時的噪音。