王曉東

(綠派(上海)能源股份有限公司，上海 200011)

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某制藥企業(yè)空壓機(jī)節(jié)能改造過程及效果評價

王曉東

(綠派(上海)能源股份有限公司，上海 200011)

以制藥廠發(fā)酵送風(fēng)系統(tǒng)用離心式空氣壓縮機(jī)為研究對象，以節(jié)能為目標(biāo)，對離心式空壓機(jī)的原理、構(gòu)造、運(yùn)行工況、改造范圍等方面進(jìn)行詳盡描述，分析了送風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能改造的測算、實施、控制策略等主要環(huán)節(jié)的關(guān)鍵內(nèi)容。

離心式空壓機(jī)；節(jié)能改造；發(fā)酵送風(fēng)；過程及效果

1 空壓機(jī)概述

空壓機(jī)，即壓縮空氣的設(shè)備，其直接產(chǎn)品壓縮空氣目前已在多個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，如機(jī)械、化工、電子、食品、汽車、醫(yī)藥等。據(jù)權(quán)威資料顯示，在工礦企業(yè)電力總消耗中，壓縮空氣系統(tǒng)電能占30%左右[1]。在制藥行業(yè)好氧菌發(fā)酵過程中需要清潔的壓縮空氣，供氣系統(tǒng)的動力源也是空壓機(jī)?？諌簷C(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中的重要設(shè)備且無可替代，因其能耗很高，因此空壓機(jī)節(jié)能極其必要。此外，因各個廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品特性不同，而且各個廠家設(shè)備的使用年限及技術(shù)水平也不同，所以針對不同的空壓機(jī)系統(tǒng)需要提出不同的節(jié)能解決方案。

2 離心式空壓機(jī)工作原理

2.1 離心式空氣壓縮機(jī)簡介

圖1 離心式壓縮機(jī)原理圖Fig.1 Schematic diagram of centrifugal compressor

圖2 離心式壓縮機(jī)實物圖Fig.2 Centrifugal compressor physical diagram

離心式空氣壓縮機(jī)簡稱離心式空壓機(jī)，屬于透平式空氣壓縮機(jī)的一種，為葉片旋轉(zhuǎn)式機(jī)械。在離心式空氣壓縮機(jī)中，氣體壓力的提高是通過葉片對氣體做功來實現(xiàn)的。單級離心式空壓機(jī)結(jié)構(gòu)圖和實物圖分別如圖1及圖2所示。離心式空壓機(jī)提高空氣壓力的過程如下：電機(jī)通電運(yùn)行帶動空壓機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪帶動流道內(nèi)空氣流動對空氣做功，流道內(nèi)空氣隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)流出葉輪進(jìn)入擴(kuò)壓器及后端管道，由于流道內(nèi)氣體排出形成了負(fù)壓，進(jìn)口處的氣體在大氣壓作用下流入葉輪，保持葉輪入口處氣體連續(xù)的流入葉輪，就可以獲得連續(xù)不斷的壓縮空氣。從葉輪出來的氣體進(jìn)入擴(kuò)壓器后速度會降低，壓力會提高，隨著擴(kuò)壓器壓力的不斷升高，氣體連續(xù)流入用氣管道，供生產(chǎn)使用。當(dāng)進(jìn)口濾網(wǎng)堵塞嚴(yán)重導(dǎo)致進(jìn)氣不足時，葉輪進(jìn)口處的負(fù)壓絕對值會急劇增加，增加到某一臨界值時變速箱輸出到葉輪力矩已經(jīng)無法抵抗管道背壓產(chǎn)生的力矩，這時葉輪會在兩種力矩的作用下產(chǎn)生振動，同時可能伴有管道氣體短時倒流，即“喘振”發(fā)生，嚴(yán)重時會導(dǎo)致葉輪和變速箱齒輪損壞，因此必須避免此種情況發(fā)生。針對離心式空壓機(jī)的原理和運(yùn)行特性，本文結(jié)合一個具體案例討論離心式空壓機(jī)節(jié)能改造技術(shù)原理及實施。

2.2 離心式空壓機(jī)組成

離心式空壓機(jī)由很多零件組成，根據(jù)不同的作用組成各種不同的部件，從功能上講主體部分通常由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成。

2.2.1 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子是離心式空壓機(jī)的核心部件。它是由主軸、葉輪、平衡盤、推力盤、聯(lián)軸器和卡環(huán)等組成。

葉輪是空壓機(jī)中一個最重要的部件，是對氣體做功的主體，如圖3所示。葉輪是高速旋轉(zhuǎn)部件，其設(shè)計及制造水平?jīng)Q定了一臺空壓機(jī)組的性能水平。葉輪流道的成品質(zhì)量和加工精度直接影響到空壓機(jī)組運(yùn)行時的效率和穩(wěn)定性，在機(jī)組實際測試時也會發(fā)生因葉輪加工后應(yīng)力釋放不夠等原因?qū)е聶C(jī)組振動超標(biāo)。另外，因其高速旋轉(zhuǎn)有較大的離心力，其選材要求較高，通常一塊胚料價格就高達(dá)幾十萬元。因此，在設(shè)備加工及監(jiān)造過程中，葉輪都是質(zhì)量控制的重點。

圖3 葉輪Fig.3 Impeller

2.2.2 定子

定子的作用主要是對機(jī)組轉(zhuǎn)子的支撐，所以對地靜止，同時也有一部分功能部件與轉(zhuǎn)子配合產(chǎn)出一定工況的氣體，如蝸室和擴(kuò)壓器。定子元件包括：機(jī)殼、擴(kuò)壓器、彎道、回流器和蝸室，另外還有密封、支持軸承和止推軸承等部件。

圖4 蝸殼效果圖Fig.4 Volute effect diagram

圖5 蝸殼實物圖Fig.5 Volute physical diagram

機(jī)殼是定子中最大的零件，通常用鑄鐵或鑄鋼澆鑄而成，蝸殼效果圖和蝸殼實物圖分別如圖4及圖5所示。由于要承受一定的壓力，根據(jù)不同的設(shè)計壓力，其鑄造材料要求也不同，對于高壓離心式空壓機(jī)，甚至要求采用圓筒形鍛鋼機(jī)殼，以承受高壓。氣體流出葉輪時具有較高的流動速度，為充分利用這部分動能，在葉輪后面設(shè)置了流通面積逐漸擴(kuò)大的擴(kuò)壓器，用以把動能轉(zhuǎn)化為壓力能，以提高氣體的壓力。

2.3 氣體壓縮過程及壓縮功

空壓機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換的裝置，最終的結(jié)果是提高了空氣的內(nèi)能，作為最終結(jié)果的壓縮空氣通常有三種壓縮過程，即：等溫壓縮、絕熱壓縮及多變壓縮。下面分別討論三個過程的做功情況。

2.3.1 等溫壓縮功

等溫過程方程式pv=常數(shù)

及

則等溫壓縮功:

2.3.2 絕熱壓縮功

絕熱壓縮過程，即過程與外界沒有熱交換且無損失，其過程方程式為pvk=常數(shù)

則絕熱壓縮功為：

2.3.3 多變壓縮功

多變壓縮過程即過程存在損失，可與外界有熱交換(如多級空壓機(jī)設(shè)置中冷器)或無熱交換，多變過程方程式為:

Pvm=常數(shù)，根據(jù)換熱情況又分為絕熱壓縮過程(m=k)和等溫壓縮過程(m=1)。

同絕熱過程類似，可以得到多變壓縮功:

(1)

當(dāng)氣體在級中按多變壓縮過程壓縮時，過程的多變指數(shù)是變化的。但在壓縮機(jī)級的計算中，通常用一個平均多變指數(shù)來代替。本項目空壓機(jī)氣體壓縮過程即多變壓縮過程，作為節(jié)能改造項目，本文重點討論節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)可行性，下面介紹本改造項目的理論計算依據(jù)。

根據(jù)多變過程的特性，需要用到如下計算公式[5]來判斷最終的出氣量是否滿足要求：

(1)多變指數(shù):

(2)級多變效率:

式中K=1.4，在離心式壓縮機(jī)的設(shè)計中，多變效率ηp可根據(jù)類似的壓縮機(jī)級或模型級的試驗數(shù)據(jù)來選取，可作為已知量[4]。

(3)每千克濕空氣壓縮機(jī)耗功，同式(1)。

(4)出口空氣質(zhì)量流量:

本項目中并不對電機(jī)做調(diào)整，根據(jù)電機(jī)特性(1 250 kW三相交流電動機(jī)，10 kV)按照可輸出最大軸功率計算，作為已知量。按照本文第5節(jié)表3提供的數(shù)據(jù)計算，設(shè)計軸功率1 140 kW，本項目改造后的出氣量可以滿足設(shè)計要求氣量(490 m3/min)，設(shè)計上留了裕量，非高溫天氣滿負(fù)荷出氣量超過500 m3/min。

3 本項目用能單位工藝流程及對壓縮空氣需求情況

該公司產(chǎn)品為飼料級金霉素，屬廣譜抗生素，有廣范圍的抗菌力。金霉素屬四環(huán)類抗生素，其生產(chǎn)過程屬于生物發(fā)酵的過程，需經(jīng)過菌種培養(yǎng)、發(fā)酵、烘干、混合等多道工序，根據(jù)其生產(chǎn)工藝要求，培養(yǎng)過程中需要進(jìn)行通氣和攪拌，在整個發(fā)酵過程需不斷通入無菌空氣，并不停加以攪拌[2]。每臺壓縮機(jī)組出氣端設(shè)置一個儲氣罐，之后儲氣罐直接連接到總管，總管再分到各個發(fā)酵罐車間。發(fā)酵罐車間和機(jī)組后端管道布置如圖6及圖7所示。

圖6 發(fā)酵罐車間Fig.6 Fermenter workshop

圖7 機(jī)組后端管道布置Fig.7 Unit rear pipe arrangement

4 用能單位原空壓機(jī)參數(shù)及運(yùn)行情況

該廠建設(shè)于20世紀(jì)90年代中期，空壓機(jī)設(shè)備選用國內(nèi)某大型企業(yè)的離心式空壓機(jī)，共有5臺且配置相同，并于2014年新購置一臺其他品牌的小機(jī)組，壓力相同，流量為200 m3/min，功率630 kW。原5臺大機(jī)組具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 用能單位原機(jī)組參數(shù)Tab.1 Original parameters of energy units

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)該機(jī)組壓力表顯示的運(yùn)行壓力為1.45 bar(G)(如圖8所示)，低于設(shè)計壓力，經(jīng)過電氣比分析發(fā)現(xiàn)原機(jī)組效率已經(jīng)較低，在相同產(chǎn)氣量下，其能耗水平已經(jīng)非常不經(jīng)濟(jì)。在實際運(yùn)行中通過調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉來調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量(開度顯示如圖9所示)，這樣就無法保證機(jī)組都在最佳的工況點運(yùn)行，因此也未能實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖8 運(yùn)行壓力Fig.8 Operating pressure

圖9 進(jìn)口導(dǎo)葉開度指示Fig.9 Import guide vane opening indicator

5 針對能源浪費(fèi)情況提出的解決方案

為了滿足客戶對壓縮空氣生產(chǎn)工藝的需求、達(dá)到要求的技術(shù)參數(shù)條件并使機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，我方提出對1TYC43型齒輪離心式空壓機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，改造范圍包括:離心式空壓機(jī)組主體部分及控制系統(tǒng)自動化改造。本項目空壓機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 本項目空壓機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.10 The overall structure of air compressor

5.1 本體改造部分

5.1.1 機(jī)組基本情況

本機(jī)組為1TYC43型齒輪離心式鼓風(fēng)機(jī)機(jī)組，采用一級壓縮、一次增速的結(jié)構(gòu)形式，由兩極異步電機(jī)拖動，單層布置，整體撬裝結(jié)構(gòu)。原設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 原設(shè)計參數(shù)Tab.2 Original design parameters

5.1.2 改造方案

根據(jù)工藝需要及節(jié)能目標(biāo)的要求，經(jīng)過對比提出了如下方案：根據(jù)離心式空壓機(jī)流量與全壓的反比關(guān)系[3]以及設(shè)備廠商的選型手冊及內(nèi)部技術(shù)資料，提出了改造方案。經(jīng)過對用戶用風(fēng)需求的測算，擬將本機(jī)組改造成490 m3/min(30 ℃，98.68 kPa)運(yùn)行，改造后具體參數(shù)(工況)如表3所示。

表3 空壓機(jī)組改造后參數(shù)Tab.3 Parameters after the transformation of air compressor units

經(jīng)過對用能單位上一年度日用風(fēng)量的計算分析，改造后兩臺機(jī)組可以滿足日常80%的用風(fēng)量，配以原有的小機(jī)組基本可以滿足全部的用風(fēng)量。這樣就可以在年運(yùn)行期間大部分時間節(jié)約相當(dāng)于1臺大機(jī)組的運(yùn)行能耗，從而實現(xiàn)真正的節(jié)能。

5.1.3 改造范圍

本次改造的基本出發(fā)點是幫助企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能，同時控制改造成本，所以僅僅針對可實現(xiàn)節(jié)能的部分提出了改造方案，范圍包括葉輪、蝸殼、機(jī)頭密封系統(tǒng)、主軸齒輪加工。主軸及軸承經(jīng)過測算可以滿足改造后轉(zhuǎn)速和葉輪的自重變化，可以繼續(xù)使用原有部件，系統(tǒng)增加了檢測設(shè)備，確保改造后的設(shè)備運(yùn)行狀況平穩(wěn)。本次改造采用最新的ConceptsNREC設(shè)計、加工軟件，并采用現(xiàn)代化的五軸聯(lián)動加工中心，確保葉輪的技術(shù)水平和加工質(zhì)量。葉輪及擴(kuò)壓器設(shè)計和加工中的葉輪如圖11及圖12所示。

圖11 葉輪及擴(kuò)壓器設(shè)計Fig.11 Impeller and diffuser design

5.2 控制系統(tǒng)改造

為滿足用戶及設(shè)備對于自動化控制的要求，本次改造融入了自動化控制系統(tǒng)，包括一鍵啟動、集中顯示控制及現(xiàn)場顯示控制、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄及運(yùn)行曲線描繪等。

綜合考慮系統(tǒng)模擬量及數(shù)字量測點的數(shù)量要求，選用SIEMENS型號為S7-200 CN系列CPU226處理器，采用增加西門子以太網(wǎng)CP243-1模塊，并通過工業(yè)交換器的方式與多臺以太網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行通信。系統(tǒng)中上位機(jī)安裝有支持西門子的通信卡，通過西門子通信電纜連接組態(tài)軟件和硬件設(shè)備。系統(tǒng)中安裝組態(tài)軟件、STEP7 MICROWIN 5.0(及以上版本)、PC ACCESS OPC軟件等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、存儲及編程。為避免機(jī)組發(fā)生喘振，系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組特性曲線內(nèi)置了專家控制系統(tǒng)，通過適時調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉及放空閥，調(diào)節(jié)機(jī)組進(jìn)出口氣量，實現(xiàn)對喘振等運(yùn)行問題的預(yù)判及預(yù)控。上位機(jī)界面及控制柜如圖13所示。

圖13 控制系統(tǒng)上位機(jī)界面及控制柜Fig.13 Control system host computer interface and control cabinet

6 結(jié)語

本節(jié)能改造項目中，通過對現(xiàn)有機(jī)組設(shè)計參數(shù)和實際運(yùn)行情況的對比及對用能系統(tǒng)的分析，測算出了系統(tǒng)改造的空間；通過對機(jī)組本體改造升級及在自動化控制系統(tǒng)方面的改進(jìn)，幫助企業(yè)解決了技術(shù)問題及信息化管理問題，實現(xiàn)了系統(tǒng)化節(jié)能。

[1] 劉建豪，鐘良，龔偉，等.空壓機(jī)節(jié)能方法探究[J].機(jī)械工程師，2015，(09):138-139.

[2] 俞文和，等.抗生素工藝學(xué)[M].沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1988.

[3] 孫研.風(fēng)機(jī)產(chǎn)品樣本[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[4] 徐忠.離心壓縮機(jī)原理[M].西安:西安交通大學(xué)，2007.

[5] [美]M·C·波特爾.工程熱力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社，2002.

Energy-saving renovation process and effect evaluation of air compressor in a pharmaceutical company

WANG Xiao-dong

(Lvpai (Shanghai) Energy Co.,Ltd.,Shanghai 200011,China)

This paper takes the centrifugal air compressor of the fermentation system of the pharmaceutical factory as the research object,taking the energy saving as the goal,the principle,structure,working condition and transformation scope of centrifugal air compressor are described in detail. The key content in calculation,implementation,control strategy of air supply system energy-saving transformation were analyzed.

Centrifugal air compressor; Energy saving reconstruction; Fermentation air supply; Process and effect

2017-01-21

王曉東(1986-)，男，教育學(xué)和機(jī)電一體化雙學(xué)位。

TQ051.8

A

1674-8646(2017)06-0101-05