曹楊峰，趙升噸

(西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 前言

為了響應(yīng)國(guó)家的雙碳目標(biāo)，踐行綠色發(fā)展，碳達(dá)峰、碳中和并不是就氣候、就低碳談低碳，而是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的綜合性戰(zhàn)略。在中國(guó)的重型機(jī)械行業(yè)，更是需要中間轉(zhuǎn)換技術(shù)、技術(shù)創(chuàng)新等方面推動(dòng)深刻變革。壓縮機(jī)是一種把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成氣體能量的壓縮機(jī)械。我國(guó)石油化工、冶金設(shè)備、電力裝置等日趨大型化，需要使用的大型壓縮機(jī)組越來(lái)越多，以往的這些大型壓縮機(jī)都是采用蒸汽透平驅(qū)動(dòng)，但是當(dāng)項(xiàng)目中的蒸汽重量不足時(shí)，往往需要為這些壓縮機(jī)專門新建鍋爐，然而由于電動(dòng)機(jī)技術(shù)的日益成熟，電動(dòng)機(jī)制造能力也大幅提高，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)組越來(lái)越被廣泛使用[1]。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)組中，大都采用了普通異步電機(jī)帶增速齒輪箱驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，往往采用額外的晶閘管軟啟動(dòng)裝置或者中壓變頻啟動(dòng)，其對(duì)能源來(lái)說(shuō)都是浪費(fèi)，而且中間有龐大的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得整體機(jī)組笨重，不便于替換[2,3]。軸流壓縮機(jī)分為靜葉固定轉(zhuǎn)速可調(diào)速軸流壓縮機(jī)(A系列)和全靜葉可調(diào)型軸流壓縮機(jī)(AV系列)。目前工業(yè)常用的是AV系列，其規(guī)格從AV40到AV140，級(jí)數(shù)一般為2～19級(jí)，該系列壓縮機(jī)的特點(diǎn)是流量、壓力調(diào)節(jié)范圍寬廣，各工況點(diǎn)效率高，最高可達(dá)90%以上。目前，大部分的新上大型裝置的空分規(guī)模都在十萬(wàn)等級(jí)制氧量，目前十萬(wàn)等級(jí)空分壓縮機(jī)國(guó)內(nèi)只有沈鼓一家有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、制造經(jīng)驗(yàn)，雖然已研制成功，但是在效率和外觀等方面還有待進(jìn)一步提高[4]。而陜鼓每年壓縮機(jī)機(jī)組的電機(jī)使用在18 000 kW左右，其中以6 000 kW左右檔居多，每年估計(jì)有10～15臺(tái)套左右的使用量。如圖1所示為陜鼓集團(tuán)的某壓縮機(jī)組。

圖1 陜鼓集團(tuán)的壓縮機(jī)組

在壓縮機(jī)如此的大功率以及廣泛的應(yīng)用背景下，但是人們并沒(méi)有充分的挖掘出壓縮機(jī)的節(jié)能潛能，在節(jié)能改造新技術(shù)這一方面還有很多不足，文獻(xiàn)[5]通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及控制技術(shù)對(duì)壓縮機(jī)組進(jìn)行節(jié)能改造。但并沒(méi)有從根本上解決目前壓縮機(jī)組存在的一個(gè)重大問(wèn)題，那就是當(dāng)前壓縮機(jī)傳動(dòng)中復(fù)雜的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)以及表現(xiàn)出來(lái)的低效率。

1 壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式

1.1 皮帶傳動(dòng)

小型的螺桿壓縮機(jī)大都采用的皮帶傳動(dòng)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)皮帶輪的直徑大小來(lái)獲得不同的輸出轉(zhuǎn)速，皮帶傳動(dòng)依靠摩擦力傳遞動(dòng)力，本身需要消耗一定的能量，而且當(dāng)皮帶使用太久的時(shí)候，由于皮帶的打滑使得摩擦熱增大，所以傳動(dòng)的效率較低，另外，皮帶傳動(dòng)由于依靠摩擦力傳動(dòng)，所以皮帶張緊是電機(jī)與機(jī)頭的軸承承受額外的徑向負(fù)荷，所以對(duì)連接的軸承提出了更高的要求，由于張緊力的存在，皮帶的壽命通常低于齒輪傳動(dòng)，要定時(shí)更換。皮帶傳動(dòng)的壓縮機(jī)通常生產(chǎn)成本較低，一般僅用于小型較為經(jīng)濟(jì)的壓縮機(jī)。如圖2所示是某新型發(fā)明授權(quán)專利的皮帶傳動(dòng)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[6]。其連接方式是電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶輪，皮帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給壓縮主機(jī)，磁極皮帶輪采用的電磁離合器實(shí)現(xiàn)下一級(jí)的傳動(dòng)與否。

圖2 某新型發(fā)明授權(quán)專利的皮帶傳動(dòng)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組

安鋼2#高爐配套的汽輪壓縮機(jī)，壓縮機(jī)采用陜鼓AV90-16型。軸功率為28 544 kW，汽輪機(jī)采用西門子NK63/90/32凝汽式中溫、中壓工業(yè)汽輪機(jī)，為軸流式通過(guò)膜片式聯(lián)軸器拖動(dòng)壓縮機(jī)，驅(qū)動(dòng)方式如圖3所示[7]。

圖3 汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組的傳動(dòng)方式

1.3 齒輪傳動(dòng)

齒輪傳動(dòng)一般應(yīng)用于中大型的壓縮機(jī)傳動(dòng)，它是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)增速齒輪箱進(jìn)行增速，齒輪箱的輸出軸連接到壓縮機(jī)，齒輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)精度高，適用范圍廣的特點(diǎn)，而且齒輪傳動(dòng)可以較為容易的改變齒輪傳動(dòng)比從而獲得想要的輸出轉(zhuǎn)速，從而使得設(shè)計(jì)更加靈活，但是齒輪傳動(dòng)對(duì)齒輪加工精度和材質(zhì)要求很高，生產(chǎn)成本也很高。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的傳動(dòng)方式如圖4所示[7]。

圖4 電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪箱驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的傳動(dòng)方式

1.4 直聯(lián)傳動(dòng)

直聯(lián)傳動(dòng)目前應(yīng)用較少，只有國(guó)內(nèi)的少數(shù)大型的壓縮機(jī)機(jī)組中，通過(guò)彈性聯(lián)軸器將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力直接傳遞給壓縮機(jī)組，省去了中間的傳動(dòng)裝置，出故障的幾率大大降低，減少了設(shè)備的整體成本，包括購(gòu)買成本與設(shè)備維修成本，節(jié)約了資源，另外由于省去了中間的傳動(dòng)裝置使得效率大幅度提高。

2 新型技術(shù)改造

以目前市場(chǎng)上提供的小型壓縮機(jī)組大都采用普通電機(jī)帶增速齒輪箱的傳動(dòng)方式或者普通電機(jī)通過(guò)皮帶輪的傳動(dòng)方式，大型壓縮機(jī)機(jī)組大都采用的燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)、高速電機(jī)直驅(qū)和普通電機(jī)帶增速箱驅(qū)動(dòng)的機(jī)組總成技術(shù)方案。但是隨著國(guó)家的對(duì)碳排放的要求以及2025年碳達(dá)峰的總體戰(zhàn)略要求，勢(shì)必要求企業(yè)進(jìn)一步改善自己的機(jī)組結(jié)構(gòu)，做到節(jié)能減排。本論文對(duì)陜鼓集團(tuán)目前的普通電機(jī)帶增速齒輪箱的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與直接用高速電機(jī)直驅(qū)取代的方案進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)高速電機(jī)直驅(qū)的機(jī)組總成設(shè)計(jì)方案能大大的減小機(jī)組的體積以及成本，效率更高，應(yīng)該更大力推廣。

表1是陜鼓集團(tuán)采用普通電機(jī)帶增速齒輪箱所采用的壓縮機(jī)型號(hào)、電機(jī)功率、壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型以及增速齒輪箱的傳動(dòng)比?？梢詫㈥児募瘓F(tuán)的低速電動(dòng)機(jī)帶壓縮機(jī)組進(jìn)行電機(jī)高速化替換，對(duì)比不同方式下的節(jié)能減排效果。

表1 陜鼓目前采用的壓縮機(jī)型號(hào)等信息

采用Ansys Maxwell軟件對(duì)陜鼓集團(tuán)使用的5 800 kW交流異步感應(yīng)電機(jī)按照電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行高速和低速數(shù)值模擬計(jì)算，并生成對(duì)應(yīng)的三維模型并添加材料的屬性，計(jì)算出各個(gè)部件的重量，由于只是計(jì)算電機(jī)的重量，所以對(duì)電機(jī)的磁場(chǎng)分布情況要求降低，這對(duì)電機(jī)最終的質(zhì)量影響很小，只要沒(méi)有明顯的磁飽和現(xiàn)象即可認(rèn)為設(shè)計(jì)合理，可以看出來(lái)電機(jī)沒(méi)有出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，磁力線分布較為均勻，如圖5所示。

圖5 2 985 r/min下電機(jī)的定轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)分布以及磁力線分布

如圖6所示為對(duì)陜鼓集團(tuán)的5 800 kW的電機(jī)進(jìn)行高速替換以后的高速直驅(qū)電機(jī)的仿真計(jì)算。2 985 r/min的轉(zhuǎn)速在增速比為4.935的情況下，轉(zhuǎn)速變?yōu)?4 731 r/min。

圖6 14 731 r/min的高速電機(jī)仿真結(jié)果

將生成的三維模型在PROE軟件中賦予材料屬性，即可計(jì)算出電機(jī)的總體重量。其質(zhì)量對(duì)比如圖7所示。由于電機(jī)的尺寸與電機(jī)的轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，所以高速電機(jī)在尺寸上將大大縮減，硅鋼片的消耗、銅線的消耗以及鼠籠導(dǎo)條的消耗量都大幅縮小，從而總重量也減小更多，所以采用高速電機(jī)直驅(qū)的方式替代原本的普通電機(jī)帶增速齒輪箱將從原材料的使用上大大降低，達(dá)到節(jié)能減排。

圖7 同功率的高低速電機(jī)各個(gè)量化指標(biāo)的變化

如圖8所示為電機(jī)各個(gè)量化指標(biāo)縮減程度圖，可以看出來(lái)定子尺寸與電機(jī)長(zhǎng)度的縮減都在45%所有，而最終的電機(jī)各部分的重量縮減都在85%所有，均有大幅縮減。

圖8 同功率的高低速電機(jī)的各個(gè)量化指標(biāo)的縮減百分比

另外對(duì)表1中陜鼓其它類型電機(jī)也做了設(shè)計(jì)分析計(jì)算，無(wú)論是表1哪種功率的低速電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行了高速轉(zhuǎn)換以后，其總重量都有明顯的降低。既節(jié)約了資源，從制造的源頭上降低了碳排放，達(dá)到了節(jié)能減排。又因?yàn)楦咚匐姍C(jī)的更高效化使得整體能量轉(zhuǎn)換效率更高，所以應(yīng)該大范圍進(jìn)行高速化改造以滿足雙碳的目標(biāo)。

3 結(jié)論

本文研究表明，將普通電機(jī)帶增速箱驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)組替換成高速電機(jī)直驅(qū)的傳動(dòng)方式將會(huì)有優(yōu)點(diǎn)：

(1)電機(jī)體積的縮小將大幅降低設(shè)備的整體成本，另外高速電機(jī)的尺寸相比同功率的普通電機(jī)尺寸大幅度縮小，設(shè)備從原來(lái)的笨重的大型機(jī)組轉(zhuǎn)換成較小的設(shè)備。

(2)由于省去了中間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，運(yùn)行的整體效率提高，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。進(jìn)一步響應(yīng)了國(guó)家的雙碳目標(biāo)。