楊兆亮

(濟(jì)鋼集團(tuán)國際工程技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

壓縮空氣因其具有易儲(chǔ)存、易控制、安全、環(huán)保及流動(dòng)性好等特點(diǎn)，已成為工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力源之一，被普遍應(yīng)用于鋼鐵冶金、電力、紡織、化工、制藥、電子及機(jī)械制造等諸多領(lǐng)域。據(jù)有關(guān)資料指出，一般壓縮空氣系統(tǒng)所消耗的電能占企業(yè)電能總消耗的10%～35%[1]，所以提升壓縮機(jī)能效水平，對(duì)企業(yè)降本增效意義重大。以我國某特大型鋼鐵集團(tuán)氣體供應(yīng)企業(yè)為例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)算離心式空壓機(jī)在運(yùn)行過程中平均使用負(fù)荷只有66%，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象。與此同時(shí)，離心式壓縮機(jī)入口過濾器周期性掛灰，造成吸入阻力增大，設(shè)備能耗上升、級(jí)間冷卻器冷卻效果下降造成壓縮氣體冷卻后溫度升高、冷凝液手動(dòng)排放閥長期排放造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)等現(xiàn)象普遍存在。在實(shí)際工作中，針對(duì)以上問題，從提高壓縮效率、冷凝液精確排放以及經(jīng)濟(jì)性檢修等幾個(gè)方面對(duì)離心式空壓機(jī)能效提升進(jìn)行綜合技術(shù)攻關(guān)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果，為同類型空壓機(jī)能效提升改造積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 設(shè)備基本情況

以某大型鋼鐵集團(tuán)氣體供應(yīng)企業(yè)中的一臺(tái)國產(chǎn)離心式空壓機(jī)為例。該離心式空壓機(jī)于2003年投產(chǎn)，為三級(jí)壓縮、恒壓控制。壓縮機(jī)本體安裝在油箱上部，中間氣體冷卻器及電機(jī)單獨(dú)布置，自帶自噴脈沖式吸風(fēng)塔。主動(dòng)輪與從動(dòng)輪成H型布置，主動(dòng)齒輪軸帶動(dòng)兩個(gè)從動(dòng)齒輪軸做增速運(yùn)轉(zhuǎn)，兩個(gè)級(jí)間冷卻器布置在箱體兩側(cè)。該空壓機(jī)的設(shè)計(jì)流量為15 000 Nm3/h，進(jìn)口壓力為0.1 MPa(A)、出口壓力為1.02 MPa(A)。圖1為離心式空壓機(jī)結(jié)構(gòu)布置圖。

1.吸風(fēng)風(fēng)塔；2.一、二級(jí)轉(zhuǎn)子；3.大齒輪及齒輪軸；4.電機(jī)；5.軸瓦；6.膜片聯(lián)軸器；7.冷卻器；8.三級(jí)轉(zhuǎn)子；9.主油泵

2 能效提升措施及效果

2.1 優(yōu)化機(jī)組性能，提高壓縮效率

目前國內(nèi)運(yùn)行3到5年以上的機(jī)組，特別是國內(nèi)廠家生產(chǎn)的壓縮機(jī)葉輪級(jí)采用的基本都是十幾甚至二十幾年前的模型級(jí)，這種葉輪效率基本不會(huì)超過80%，因而機(jī)組效率會(huì)很低。隨著科技的進(jìn)步，流體力學(xué)計(jì)算領(lǐng)域也有了巨大進(jìn)步。目前，基于先進(jìn)的流體力學(xué)軟件設(shè)計(jì)的葉輪效率都在85%左右。與此同時(shí)，按目前通常設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)院會(huì)在設(shè)計(jì)時(shí)將壓縮機(jī)的流量、出口壓力等留有一定余量，而壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)也會(huì)留有一定余量，這樣余量重復(fù)疊加，導(dǎo)致機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，實(shí)際的運(yùn)行點(diǎn)與設(shè)計(jì)點(diǎn)偏離較大，特別是當(dāng)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行壓力與設(shè)計(jì)壓力有偏離時(shí)，機(jī)組效率會(huì)明顯降低。

該企業(yè)的離心式空壓機(jī)投產(chǎn)運(yùn)行已10余年之久。在選配時(shí)，考慮到后續(xù)生產(chǎn)對(duì)壓縮空氣運(yùn)行壓力需求范圍有調(diào)整的可能，將機(jī)組出口壓力選定為1.02 MPa(A)。隨著后續(xù)鋼鐵主業(yè)工藝設(shè)備配套逐漸成型，目前機(jī)組實(shí)際出口壓力維持在0.65 MPa左右且不大于0.75 MPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，團(tuán)隊(duì)成員經(jīng)過多次討論并廣泛深入查找相關(guān)技術(shù)資料，提出降低壓縮機(jī)出口設(shè)計(jì)壓力，使壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近，從而提高機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行效率。該方法能提高壓縮機(jī)運(yùn)行效率約5%左右，表1為壓縮機(jī)改造前后設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比表。

表1 壓縮機(jī)改造前后設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比表

機(jī)組改造前：該空壓機(jī)實(shí)際出口壓力為0.75 MPa(A)，管網(wǎng)工作壓力一般為0.8 MPa(A)左右，與原設(shè)計(jì)壓力1.02 MPa(A)相比較，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行壓力和設(shè)計(jì)壓力偏離比較大，根據(jù)離心式壓縮機(jī)原設(shè)計(jì)性能曲線(見圖2)可以看到，當(dāng)運(yùn)行壓力為0.75 MPa(A)時(shí)，根據(jù)流量軸功率曲線可以查到機(jī)組軸功率為1700 kW，電機(jī)效率按90%估算，則機(jī)組實(shí)際消耗功率約為1889 kW。

圖2 改造前壓縮機(jī)設(shè)計(jì)性能曲線及軸功率圖

機(jī)組改造后：根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，改造方案是按0.85 MPa(A)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在運(yùn)行壓力為0.75 MPa(A)時(shí)，根據(jù)流量和軸功率曲線可以查到，壓縮機(jī)軸功率為1490 kW，電機(jī)效率按90%估算，則機(jī)組實(shí)際消耗功率為1674 kW，圖3為改造后新的設(shè)計(jì)性能曲線。

圖3 改造后壓縮機(jī)設(shè)計(jì)性能曲線及軸功率圖

具體改造實(shí)施方案：改造前該機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，如果僅因?yàn)槟芎母叨匦虏少徯聶C(jī)組，不但會(huì)因設(shè)計(jì)制造安裝工作周期長而影響正常生產(chǎn)，同時(shí)也存在著很大的資金浪費(fèi)現(xiàn)象。團(tuán)隊(duì)成員經(jīng)過與相關(guān)廠家溝通最終確定了在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造。具體實(shí)施方案是：根據(jù)新確定的出口壓力重新設(shè)計(jì)制作高速軸、低速軸及葉輪，并配合新設(shè)計(jì)的葉輪更換擴(kuò)壓器、支架、形環(huán)等零部件。以上零部件更換完畢后，再根據(jù)試車情況，對(duì)空壓機(jī)防喘振曲線進(jìn)行修改，其它潤滑系統(tǒng)、氣體冷卻系統(tǒng)等均不需要更換。這樣，既降低了改造成本，又使能效進(jìn)一步提升。

改造后的效果及收益情況：改造后，該機(jī)組一直穩(wěn)定順行。同時(shí)，由改造前后兩個(gè)性能曲線可以看到：改造前軸功率為1889 kW，改造后軸功率為1674 kW，兩者相差215 kW。按每度電1元計(jì)算： 每年節(jié)約電費(fèi)為：

215(kW)×1(元)×24(h) × 360(天)=185.76萬元。

2.2 冷凝液精準(zhǔn)排放，實(shí)現(xiàn)冷凝液排放零氣損

當(dāng)空氣濕度較大時(shí)，壓縮機(jī)在對(duì)空氣壓縮過程中會(huì)產(chǎn)生冷凝液。壓縮空氣系統(tǒng)的冷凝液主要含有重金屬、碳?xì)浠衔?、硫化物等多種腐蝕性物質(zhì)。如果冷凝液長期置于設(shè)備內(nèi)部而不能順利地排出，會(huì)腐蝕壓縮機(jī)及系統(tǒng)管道，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐稍O(shè)備的突然停機(jī)，影響生產(chǎn)供應(yīng)。在實(shí)際工作中，冷凝液的排放大多數(shù)為手動(dòng)排放。操作人員為了把冷凝液完全排放出去，通常將手動(dòng)閥置于部分打開的位置，長時(shí)間排氣造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

改造措施及效果：為了最大限度地減少資源的浪費(fèi)，爭(zhēng)取達(dá)到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確排放冷凝液，我們對(duì)離心式壓縮機(jī)的冷凝液排放管道進(jìn)行改造，每級(jí)新增設(shè)一個(gè)CTS型電子液位控制排水器。該電子液位控制排水器具有根據(jù)冷凝液的實(shí)際排放量進(jìn)行有效排放，不會(huì)出現(xiàn)不必要的壓縮空氣損失，且具有低維護(hù)量及全自動(dòng)監(jiān)控的特點(diǎn)，同時(shí)真正達(dá)到“零氣損”，滿足節(jié)能減排要求。

與此同時(shí)，為了避免該裝置發(fā)生故障(其控制器上的故障燈亮)，冷凝液不能及時(shí)排出的情況發(fā)生，我們還在排放管道上增設(shè)一旁通管道。當(dāng)巡檢人員(每4小時(shí)巡檢一次)發(fā)現(xiàn)電子液位控制排水器出現(xiàn)故障后，會(huì)及時(shí)開啟旁通閥門，以確保冷凝液順利排出。同時(shí)會(huì)及時(shí)通知技術(shù)人員對(duì)電子液位控制排水器進(jìn)行故障診斷及維修。圖4為電子液位控制排水器現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖。

圖4 電子液位控制排水器現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖

取得的經(jīng)濟(jì)效益：以某離心式壓縮機(jī)平均每年運(yùn)行200天，每天運(yùn)行24小時(shí)，系統(tǒng)壓力0.5 MPa，壓縮機(jī)空氣生產(chǎn)成本為：0.09元/m3為例。手動(dòng)閥排放口徑為4 mm 常開計(jì)算。查壓力-孔徑壓縮空氣損失表(國際實(shí)驗(yàn)室通用計(jì)算表格)可知4 mm、5 bar壓力下每分鐘造成的氣損為：0.745 m3/min。每年單個(gè)手動(dòng)閥排水方式漏氣造成的直接損失：

(24 h×200 d)×60 min/h×0.745 m3/min×0.09 元/m3=19310.4元

可見，冷凝液長時(shí)間排放會(huì)造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

2.3 推行壓縮設(shè)備經(jīng)濟(jì)性檢修，降低設(shè)備壓縮單耗

離心式空壓機(jī)在日常運(yùn)行過程中，入口過濾器周期性掛灰，造成吸入阻力上升；級(jí)間冷卻器冷卻效果下降造成壓縮氣體冷卻后溫度升高等問題均會(huì)引起離心式空壓機(jī)能耗不同程度的上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，溫度每上升10 ℃，壓縮能耗上升3.3%。為了挖掘壓縮機(jī)的節(jié)能潛力，我們開展了壓縮機(jī)設(shè)備經(jīng)濟(jì)性檢修的研究。

首先對(duì)壓縮機(jī)的大量運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入的分析與研究，確定了壓縮機(jī)入口阻力大于0.6 kPa，或者級(jí)間氣體冷卻后溫度大于40 ℃時(shí)，壓縮機(jī)能效上升比較明顯。據(jù)此，建立了與設(shè)備經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)相關(guān)的點(diǎn)檢標(biāo)準(zhǔn)，通過及時(shí)關(guān)注吸入阻力、冷卻后溫度的變化情況判斷設(shè)備經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行狀態(tài)；建立了點(diǎn)檢數(shù)據(jù)推移圖，直觀了解設(shè)備數(shù)據(jù)變化情況，為設(shè)備經(jīng)濟(jì)性檢修提供依據(jù)；形成了單臺(tái)設(shè)備測(cè)量、檢修、評(píng)價(jià)的經(jīng)濟(jì)性監(jiān)測(cè)機(jī)制，并推廣使用于其它離心式壓縮設(shè)備；制定了壓縮機(jī)經(jīng)濟(jì)性檢修的標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性檢修，以降低設(shè)備的能耗。

以三臺(tái)同類型離心式壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性檢修為例，說明經(jīng)濟(jì)性檢修對(duì)降低壓縮機(jī)能耗的作用。本次經(jīng)濟(jì)性檢修以清洗冷卻器為主，雖然空氣吸入阻力沒有達(dá)到0.6 kPa的清洗標(biāo)準(zhǔn)，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢修力量情況，也安排了對(duì)入口過濾器進(jìn)行清洗的經(jīng)濟(jì)性檢修作業(yè)。壓縮機(jī)經(jīng)濟(jì)性檢修前后能耗對(duì)比見表3，從表3可知，經(jīng)檢修后的壓縮機(jī)能耗較之前有一定的下降，三臺(tái)設(shè)備平均單耗降低了2.12%。

表2 壓縮機(jī)經(jīng)濟(jì)性檢修前后能耗對(duì)比

取得的效果：通過逐步開展離心式空壓機(jī)經(jīng)濟(jì)性檢修工作，經(jīng)過對(duì)檢修前后設(shè)備的能耗進(jìn)行對(duì)比，我們可以發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)平均能耗降低約2.35%。

3 總結(jié)

隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，企業(yè)要想長期健康發(fā)展，在提高自身管理水平的同時(shí)降本增效力求設(shè)備能效提升也顯得尤為關(guān)鍵。當(dāng)前，很多壓縮氣體供應(yīng)企業(yè)，都試圖通過各種不同的途徑積極探究壓縮機(jī)能效提升。以上從優(yōu)化機(jī)組性能，提高壓縮效率、冷凝液精準(zhǔn)排放，實(shí)現(xiàn)零氣損以及經(jīng)濟(jì)性檢修等幾個(gè)方面對(duì)離心式空壓機(jī)能效提升進(jìn)行綜合技術(shù)攻關(guān)與探究，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果，為同行們對(duì)同類型設(shè)備能效提升改造積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。