楊忠亮

（云南云天化股份有限公司紅磷分公司，云南開遠 661699）

0 引言

空氣壓縮機是將原動機的動力能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w壓力能以提高氣體壓力并輸送氣體的機械[1]，由于在實際使用過程中能耗損失大，是工業(yè)企業(yè)的重點耗能設(shè)備，在大多數(shù)生產(chǎn)型企業(yè)中，其耗能占全部消耗的10%～40%[2]，實施空氣壓縮機節(jié)能改造將會顯著降低空氣壓縮機的使用成本。

1 螺桿式空氣壓縮機工作原理

螺桿式空氣壓縮機工作時，主機通過吸氣、封閉、壓縮、排氣4個過程完成1個工作循環(huán)，自然空氣通過空氣壓縮機進氣過濾器進入主機，通過一對相互平行的齒合的陰陽轉(zhuǎn)子，陰陽轉(zhuǎn)子通過嚙合運動使轉(zhuǎn)子齒槽中存在的空氣不斷產(chǎn)生周期性變化以改變主機內(nèi)容積，實現(xiàn)吸氣、封閉、壓縮和排氣過程，這時的空氣則逐漸沿著轉(zhuǎn)子軸線，從吸入的一側(cè)逐漸向輸出一側(cè)傳送，從而使空氣壓縮機吸氣、密封、壓縮以及排氣得以實現(xiàn)[4]。同時主機腔內(nèi)不斷噴油以潤滑和冷卻螺桿，噴入主機腔內(nèi)的潤滑油因吸收空氣壓縮過程中釋放的熱量，由此產(chǎn)生的高溫油氣混合物通過排氣管進入油氣分離器，在油氣分離濾芯的作用下將油、氣在油氣分離器內(nèi)進行分離，分離后的高溫潤滑油，經(jīng)油冷卻器冷卻后回到主機循環(huán)利用，高溫壓縮空氣則通過最小壓力閥進入空氣冷卻器冷卻后供用氣設(shè)備使用。

2 螺桿式空氣壓縮機能耗損失分析

2.1 頻繁加、卸載會造成能源浪費

普通螺桿式空氣壓縮機運行時，由于設(shè)備用氣量不斷變化，需要調(diào)整供氣設(shè)備相應(yīng)的生產(chǎn)負荷。常用加/卸載的方式以滿足連續(xù)用氣控制，以免空氣壓縮機頻繁啟停。

空氣壓縮機分3種情況進行加載或卸載：淤當用氣量大于產(chǎn)氣量時，壓縮機進口閥完全打開，設(shè)備滿負荷運行；于當用氣量小于供氣量時，壓縮機排氣壓力超過檢測開關(guān)設(shè)定值時卸載閥門打開，進入卸載運行狀態(tài)，壓縮機卸載同時關(guān)閉進口閥；盂隨著卸載時間的延長，系統(tǒng)壓力不斷降低，當壓縮機出口壓力低于檢測開關(guān)設(shè)定最小壓力值后，卸載閥門關(guān)閉，同時打開進氣閥，壓縮機進入加載運行。

壓縮機運行中，壓縮空氣排氣壓力每上升0.1 MPa要多耗電7%～10%[3]，加載、卸載的壓力一直在設(shè)定壓力與高于設(shè)定壓力0.15 MPa之間，這比一直穩(wěn)壓在使用壓力狀態(tài)下要多付出0.15 MPa壓力差所帶來的10.5%～15%的電耗，而且卸載時在零供氣待機情況下會多消耗45%的空載電能。

在實際運行中，螺桿壓縮機常常處于變工況運行狀態(tài)，負荷率平均為67%，33%為空載負荷，在這一負荷下，常規(guī)螺桿壓縮機在部分負荷下因效率低而浪費了大量電能[5]，對于使用傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式的螺桿空氣壓縮機而言，卸載運行狀態(tài)下的能耗是滿載運行狀態(tài)下能耗的20%以上，部分空氣壓縮機甚至達到40%，能耗占總能耗的9%～18%，嚴重浪費能源。

2.2 螺桿式空氣壓縮機排氣溫度高導致能耗增加

不管是多級還是單級壓縮的螺桿式壓縮機，其級間、排氣溫度都影響運行效率，螺桿式壓縮機的排氣溫度通常在（65～100）℃，排氣溫度每上升10℃，能耗將會增加3%。

2.3 啟動時能耗增加

固定式普通空氣壓縮機啟動時，電流為額定工作電流的4～7倍，若頻繁啟動則會浪費1%～2%的電能。同時也增加了對電網(wǎng)設(shè)備的沖擊。

3 螺桿式空氣壓縮機節(jié)能途徑

3.1 實施多機組群控、系統(tǒng)監(jiān)控綜合改造節(jié)能

在用氣負荷波動較大且用氣量大的場合，因使用單臺大容量空氣壓縮機難以滿足用氣設(shè)備使用的需要，往往需要使用多臺壓縮機。在對多臺壓縮機進行操作控制中，多數(shù)企業(yè)是通過頻繁啟停多臺空氣壓縮機的方式以滿足壓縮空氣用氣設(shè)備的要求。有的企業(yè)利用空氣壓縮機自身設(shè)定的加載/卸載、空運行功能，采取不停機的方式以滿足壓縮空氣用氣設(shè)備的要求，勢必造成大量的能源損失。

多機組群控技術(shù)是在多臺空氣壓縮機運行條件下實現(xiàn)節(jié)能的有效方法之一。根據(jù)實際用氣量選定需要的機器和臺數(shù)，過程中實施空氣壓縮機系統(tǒng)監(jiān)控，對各臺空氣壓縮機的運行情況和系統(tǒng)的整體性能進行管理，對供氣、設(shè)備及能耗狀況，能源效率和維保狀況等都進行全面監(jiān)控，能有效消除了不必要的浪費情況，實現(xiàn)最大效能。

3.2 紅磷分公司空壓站以前存在的問題

（1）產(chǎn)氣設(shè)備能耗高，實際產(chǎn)氣量只能達到設(shè)計產(chǎn)氣量的60%，耗能比正常水平高出約1.5倍。

（2）裝置活塞式壓縮機設(shè)備老化、能耗高、出力率低、故障率和維護費用高。

（3）儲氣罐容量不足，只有容量為25 m3和50 m3的儲氣罐各1臺，氣源備用時間為3 min左右，而根據(jù)空壓站設(shè)計規(guī)范并結(jié)合分公司的生產(chǎn)規(guī)模、工藝流程復(fù)雜程度及安全連鎖自動保護設(shè)計水平，空壓站氣源備用時間應(yīng)為（10～15）min才能保證安全穩(wěn)定生產(chǎn)，由于儲氣罐容量較小，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，氣壓波動大，造成空氣壓縮機反復(fù)加載和卸載，形成大量的能源浪費。

（4）空壓站配置有不同規(guī)格型號的壓縮機，操作方式采用空氣壓縮機自身設(shè)定的加載/卸載、空運行功能，采取不停機的方式以滿足壓縮空氣用氣設(shè)備的要求。當用氣裝置檢修或其他原因造成用氣量減少時，空壓站采用頻繁啟停多臺空氣壓縮機的方式以滿足壓縮空氣用氣設(shè)備的要求。這不僅加大了操作人員勞動強度，也造成空氣壓縮機生產(chǎn)過程中大量的能源損失，不利于空壓站的整體節(jié)能，空壓站壓縮機配置情況見表1。

表1 空壓站空氣壓縮機配置情況

3.3 空壓站綜合節(jié)能改造內(nèi)容

（1）淘汰2臺設(shè)備老化、能耗高、出力率低、故障率和維護費用高的LW-22/7型活塞式壓縮機，同時選用2臺UD180-8VFD型風冷式智能變頻螺桿式空氣壓縮機。新壓縮機采用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)，運行中能利用自動能量優(yōu)化節(jié)電功能，使變頻器能根據(jù)電機的實際負載向其供給最低的電量，變頻螺桿壓縮機與普通螺桿壓縮機相比，節(jié)能省電在20%以上[5]。還可以降低電機噪聲。壓縮機在運行過程中可通過智能控制器持續(xù)檢測空氣系統(tǒng)壓力，根據(jù)系統(tǒng)壓力的變化改變轉(zhuǎn)速，保證空氣壓縮機的排氣量與用氣系統(tǒng)的需求量保持一致，最終實現(xiàn)根據(jù)用戶終端使用氣量的增減，改變壓縮機的轉(zhuǎn)速，使消耗功率與產(chǎn)氣量成線性比例達到定壓及節(jié)省能源的目的。

（2）將空壓站7臺壓縮機螺桿空氣壓縮機實施群控、系統(tǒng)監(jiān)控、多機聯(lián)動通信，實現(xiàn)就地與遠程控制，同時對各臺空氣壓縮機的運行情況和系統(tǒng)的整體性能進行管理，對供應(yīng)、設(shè)備及能耗狀況，能源效率、維保狀況等都進行全面的監(jiān)控，實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控節(jié)能、聯(lián)鎖控制運行。

3.4 空壓機聯(lián)鎖運行方式

（1）1#、2#機壓縮機交替聯(lián)鎖控制運行。1#，2#機壓縮機每臺產(chǎn)氣量為30 m3/mim，由于產(chǎn)氣量高，故將這2臺壓縮機作為主機進行聯(lián)鎖運行，隨時保證一臺處于運行狀態(tài)，另一臺備用，當其中一臺壓縮機連續(xù)運行1周后，自動切換到另一臺壓縮機運行，這種運行方式可避免備用壓縮機處于長期停運狀態(tài)而使零部件銹蝕卡死。

（2）3#-4#-5#-6#-7#空氣壓縮機參與自動順序聯(lián)鎖啟動。3#-4#-5#-6#-7#空氣壓縮機由于產(chǎn)氣量?。óa(chǎn)氣量12 m3/mim），可用于補充系統(tǒng)空氣而進行聯(lián)鎖運行。具體聯(lián)鎖方式：當儲氣罐壓力測量約0.55 MPa時，對3#-4#-5#-6#-7#空氣壓縮機進行順序啟動，順序啟動間隔時間為10 min；當儲氣罐壓力測量等于0.6 MPa時，不執(zhí)行以后的順序啟動，并保持現(xiàn)狀運行，即控制儲氣罐壓力在（0.55～0.65）MPa；當儲氣罐壓力測量值達到0.7 MPa，按位號排列由高至低的順序停機，聯(lián)鎖是同時考慮電機的啟動和停止時間間隔逸20 min，避免頻繁啟動時間間隔小而損壞電機。

（3）在產(chǎn)氣端加大儲氣罐容量。綜合節(jié)能改造時，增加了50 m3的儲氣罐2臺，通過增大儲氣罐，延長了壓縮機卸載時間間隔，系統(tǒng)穩(wěn)定性增加，空氣壓縮機的卸載功耗下降，產(chǎn)生節(jié)能效果。

（4）空壓站改造前后能耗對比。改造前制取壓縮空氣耗電量為0.1493 kW·h，改造后制取壓縮空氣耗電量為0.1125 kW·h/m3，節(jié)省用電0.0368 kW·h/m3，電耗降低24.7%。另一方面，由于實現(xiàn)聯(lián)機操作，提高了裝置運行的安全穩(wěn)定性，同時降低操作人員的勞動強度。

3.5 加強空氣壓縮機運行維護減少能耗

控制溫度升高能有效降低能源消耗量。控制溫度主要是通過全面檢查、維護空氣壓縮機冷卻器，補充潤滑油等措施，將溫度控制在要求的范圍內(nèi)，穩(wěn)定空氣壓縮機的運行狀態(tài)，保證空氣壓縮機合理的運行效率和功耗。

壓縮空氣在空氣壓縮機內(nèi)的傳輸時會產(chǎn)生不可避免的壓力降，控制壓力降能夠達到降低能耗的目的，過濾器、油分離器濾芯、空氣干燥器、冷干機等是導致壓力降增加的主要設(shè)備，采取適時維護、更換并清洗空氣通道系統(tǒng)、控制漏氣點等措施能有效控制壓力降，達到節(jié)能的目的。

另外，空氣壓縮機在運行中可采取無功補償?shù)倪\行方式節(jié)能，空氣壓縮機通常使用異步電機，由于異步電機的功率因數(shù)多在0.2～0.85，較低的功率因數(shù)隨負載的變化而大幅度變化，故能量損耗大。而無功補償是在電機正常運行的前提下提高功率因數(shù)以降低能源消耗。故可在受電端安裝電力電容器以改善功率因數(shù)，無功補償尤其適用于連續(xù)運行的低、中壓型電機。

4 結(jié)束語

空氣壓縮機的能耗情況與設(shè)備選型、運行、維護管理等因素有直接關(guān)系，企業(yè)可根據(jù)壓縮空氣系統(tǒng)狀況從整體監(jiān)控、空氣壓縮機群控優(yōu)化、空氣壓縮機單體控制、氣源優(yōu)化、整體綜合方案等角度進行研究分析、綜合考慮，選擇先進的技術(shù)，確定并實施可行的節(jié)能措施，能有效降低空氣壓縮機的能源消耗，對企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益起到積極的作用。