楊自強(qiáng)

（北京排水集團(tuán)涼水河流域分公司，北京 100000）

1 前言

空氣具有可壓縮性，經(jīng)空氣壓縮機(jī)做機(jī)械功使本身體積縮小、壓力提高后的空氣叫壓縮空氣。壓縮空氣是一種重要的動(dòng)力源。與其他能源比，它具有下列明顯的特點(diǎn)：清晰透明，輸送方便，沒(méi)有特殊的有害性能，沒(méi)有起火危險(xiǎn)，不怕超負(fù)荷，能在許多不利環(huán)境下工作，空氣在地面上到處都有，取之不盡。

空壓機(jī)是氣動(dòng)系統(tǒng)中氣源裝置的主體，它將原動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體壓力能，提供氣源動(dòng)力。據(jù)權(quán)威資料顯示，在企業(yè)電力總消耗中，壓縮空氣系統(tǒng)電能耗費(fèi)占到10%～35%，而作為氣動(dòng)系統(tǒng)中的氣源裝置主體，空壓機(jī)所消耗電能占到整個(gè)壓縮空氣系統(tǒng)總能耗的90%以上。而且據(jù)調(diào)查顯示，我國(guó)大部分氣動(dòng)系統(tǒng)都存在系統(tǒng)管路損失大、設(shè)備配套不合理、系統(tǒng)控制技術(shù)落后及運(yùn)行管理水平低等問(wèn)題，因此運(yùn)行效率都很低。

某再生水廠膜工藝環(huán)節(jié)中使用空壓機(jī)，其中氣擦洗空壓機(jī)主要為膜組器的正常反洗提供氣源，具有很重要的作用。氣擦洗空壓機(jī)通過(guò)電動(dòng)機(jī)把氣體導(dǎo)入壓縮腔，對(duì)空氣進(jìn)行壓縮做功，并同時(shí)使壓縮的氣體具備一定的壓力?？諝鈮嚎s機(jī)消耗能源中最大的就是電能，同時(shí)由于其運(yùn)行方式的特點(diǎn)，耗能非常巨大。其中再生水廠膜工藝氣擦洗空壓機(jī)耗電占比約20%。因此，本文對(duì)氣擦洗空壓機(jī)進(jìn)行耗能原因分析并提出改造措施。

2 空壓機(jī)系統(tǒng)改造前運(yùn)行狀態(tài)

螺桿式空壓機(jī)的工作原理是空氣經(jīng)空氣過(guò)濾器和吸氣調(diào)節(jié)閥而吸入，該調(diào)節(jié)閥主要用于調(diào)節(jié)氣缸、轉(zhuǎn)子及滑片形成的壓縮腔，陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)相對(duì)于氣缸里偏心方式運(yùn)轉(zhuǎn)?；惭b在轉(zhuǎn)子的槽中，并通過(guò)離心力將滑片推至氣缸壁，高效的注油系統(tǒng)能夠確保壓縮機(jī)良好的冷卻及潤(rùn)滑油的最小舒適耗量，在氣缸壁上形成的一層薄薄的油膜可以防止金屬部件之間直接接觸而造成磨損。經(jīng)過(guò)壓縮后的空氣溫度較高，其中混有一定的油氣，經(jīng)過(guò)油氣分離器進(jìn)行分離，之后，油氣經(jīng)過(guò)油過(guò)濾器冷卻在經(jīng)過(guò)過(guò)濾器流回儲(chǔ)油罐，空氣經(jīng)過(guò)氣后冷卻器進(jìn)行冷卻而進(jìn)入儲(chǔ)氣罐。

某再生水廠膜工藝環(huán)節(jié)氣擦洗空壓機(jī)共有4 臺(tái)，該空壓站的壓縮空氣系統(tǒng)由空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、連接管路至車(chē)間各用氣點(diǎn)構(gòu)成，沒(méi)有預(yù)處理系統(tǒng)，管路材質(zhì)為不銹鋼，管徑為DN125。系統(tǒng)為氣擦洗設(shè)備提供壓縮空氣。4 臺(tái)氣擦洗空壓機(jī)之間沒(méi)有控制聯(lián)系，靠人工現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)停，無(wú)法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行及時(shí)的氣量調(diào)節(jié)，同時(shí)由于氣管路的跑冒現(xiàn)象，導(dǎo)致空壓機(jī)機(jī)組運(yùn)行時(shí)有大量的能源浪費(fèi)。

空壓站主要設(shè)備清單詳見(jiàn)表1。

表1

改造前該空壓機(jī)站數(shù)據(jù)如圖1 和圖2 所示。

圖1 12 月6 日0 點(diǎn)～12 月14 日0 點(diǎn)的1#氣擦洗流量曲線圖-用氣流量波動(dòng)大，成規(guī)律性

圖2 9 點(diǎn)～10 點(diǎn)兩小時(shí)曲線圖 加載功率106kW 卸載功率40kW，加卸載頻繁

由于膜組器氣洗用氣量不斷變化，需要調(diào)整供氣設(shè)備相應(yīng)的負(fù)荷。常用加/卸載的方式滿(mǎn)足勇氣要求，以免空壓機(jī)的頻繁啟停?？諌簷C(jī)加卸載情況包括：（1）當(dāng)用氣量大于產(chǎn)氣量時(shí)，空壓機(jī)進(jìn)口閥打開(kāi)，設(shè)備滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行；（2）當(dāng)用氣量小于供氣量時(shí)，空壓機(jī)進(jìn)入卸載狀態(tài)，關(guān)閉進(jìn)口閥；（3）隨著卸載時(shí)間的延長(zhǎng)，系統(tǒng)壓力不斷降低，當(dāng)空壓機(jī)出口壓力低于最小壓力時(shí)，卸載閥門(mén)關(guān)閉，打開(kāi)進(jìn)氣閥，空壓機(jī)進(jìn)入加載狀態(tài)。加卸載狀態(tài)是氣體壓力達(dá)到設(shè)定值的最小值或者最大值時(shí)，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。加載狀態(tài)時(shí)，壓力達(dá)到最小值后，空壓機(jī)運(yùn)行，將壓力升到最大壓力值，加壓就包含了兩部分的能量損失，一是加壓過(guò)程向外界釋放能量，能耗損失較大；二是壓力高于最大壓力值時(shí)經(jīng)過(guò)減壓閥減壓，同樣是在消耗能量?？諌簷C(jī)排氣壓力每上升0.1MPa，消耗電能7%左右。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，該空壓機(jī)站空壓機(jī)加載率較低，存在嚴(yán)重的能源浪費(fèi)，同時(shí)系統(tǒng)間歇用氣，瞬時(shí)用氣量較大。當(dāng)管道壓力低于0.6MPa，人工需要啟動(dòng)備用機(jī)組運(yùn)行；當(dāng)管道壓力高于0.78MPa 時(shí)，人工需要關(guān)閉一臺(tái)運(yùn)行機(jī)組。普通空壓機(jī)正常工作時(shí)一般處于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，但壓縮空氣系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，用氣端需求經(jīng)常處于不斷變化的狀態(tài)，當(dāng)末端用氣量減少時(shí)，空壓機(jī)組就會(huì)通過(guò)關(guān)閉進(jìn)氣口閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，機(jī)組進(jìn)人卸載狀態(tài)，此時(shí)，空壓機(jī)空轉(zhuǎn)運(yùn)行。我國(guó)空壓機(jī)負(fù)荷率約為66%，卸載運(yùn)行功率約為滿(mǎn)載時(shí)的20%～40%。綜合計(jì)算，空壓機(jī)卸載運(yùn)行所消耗的電能約占系統(tǒng)總能耗的9%～18%，能耗浪費(fèi)情況非常嚴(yán)重。

3 節(jié)能改造分析

（1）高效設(shè)備節(jié)能改造。淘汰1 臺(tái)原有氣擦洗空壓機(jī)的電機(jī)，根據(jù)該空壓機(jī)站用氣有規(guī)律性、間斷性、瞬時(shí)流量大，采用高效的混合永磁電機(jī)，永磁電機(jī)獨(dú)特的永磁結(jié)構(gòu)，利用更少的電能提供更多的壓縮空氣和更大的氣量調(diào)節(jié)范圍。變頻空壓機(jī)是用壓力傳感器檢測(cè)系統(tǒng)中的實(shí)際氣壓和用氣量，通過(guò)電器控制和變頻控制實(shí)現(xiàn)在不改變空壓機(jī)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩（負(fù)載能力）的前提下即時(shí)控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速（輸出功率），通過(guò)改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變壓力變化，保持穩(wěn)定壓力（設(shè)定值），達(dá)到按需輸出高品質(zhì)空氣的目的，其控制原理與風(fēng)機(jī)電機(jī)水泵節(jié)能中增加變頻器的原理相同，根據(jù)負(fù)載變換，控制輸入的電壓頻率。當(dāng)系統(tǒng)空氣消耗降低時(shí)，壓縮機(jī)提供的空氣大于系統(tǒng)消耗量，變頻式壓縮機(jī)降低轉(zhuǎn)速，減少輸出空氣風(fēng)量；反之，則增加轉(zhuǎn)速以提高空氣風(fēng)量，保持穩(wěn)定的系統(tǒng)壓力。變頻調(diào)節(jié)技術(shù)，運(yùn)行中能利用自動(dòng)能量?jī)?yōu)化節(jié)能功能，使變頻器能根據(jù)電機(jī)的實(shí)際負(fù)載向其供給最低的電能，變頻電機(jī)與普通電機(jī)相比，節(jié)能在20%以上。一般地，通用工頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺桿空壓機(jī)稱(chēng)為工頻螺桿空壓機(jī)；而當(dāng)配用變頻器控制的變頻電機(jī)時(shí)，則稱(chēng)為變頻螺桿空壓機(jī)。當(dāng)配用的電機(jī)是異步啟動(dòng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，則稱(chēng)為永磁螺桿空壓機(jī)；而當(dāng)配用的電機(jī)為永磁同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，則稱(chēng)為永磁變頻螺桿空壓機(jī)，永磁同步電動(dòng)機(jī)與變頻器高度集成，轉(zhuǎn)子采用磁性最強(qiáng)、磁性最穩(wěn)定的永磁體，定子繞組采用真空壓力浸漆加上環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行真空灌封而成。選用永磁變頻空壓機(jī)時(shí)，節(jié)能效果更明顯，其既具有高效率、高功率因數(shù)、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的優(yōu)勢(shì)，又沒(méi)有轉(zhuǎn)子繞組，不需要給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，減少了能源的消耗。從維修成本角度看，永磁電機(jī)沒(méi)有軸承，無(wú)須添加潤(rùn)滑脂，減少了軸承故障點(diǎn)，極大地節(jié)省了維修成本。

（2）智能化改造。通過(guò)搭建AI 智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、在線分析、系統(tǒng)優(yōu)化和自主執(zhí)行，從智能運(yùn)維、節(jié)能高效、安全管理三個(gè)核心方面出發(fā)，基于小時(shí)用氣量預(yù)測(cè)，對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行全面科學(xué)管理。①數(shù)據(jù)采集功能?？諌簷C(jī)運(yùn)行狀態(tài)；出氣管道壓力、出氣管道流量；冷卻水進(jìn)水、回水的溫度；②顯示功能。以圖形、曲線等動(dòng)態(tài)顯示設(shè)備數(shù)據(jù)、歷史報(bào)表、實(shí)時(shí)故障等信息；③參數(shù)設(shè)定。能夠設(shè)定空壓機(jī)壓力、聯(lián)控開(kāi)停機(jī)時(shí)間等。空壓機(jī)智能控制為根據(jù)壓力設(shè)定及邏輯規(guī)劃聯(lián)動(dòng)開(kāi)停機(jī)組。智能控制中，系統(tǒng)將永磁變頻電機(jī)的空壓機(jī)當(dāng)做主機(jī)，以達(dá)到節(jié)能要求。根據(jù)壓力來(lái)開(kāi)停其他機(jī)組，當(dāng)一臺(tái)運(yùn)行的空壓機(jī)故障報(bào)警，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)退出該故障機(jī)組，自動(dòng)開(kāi)啟其他備用機(jī)組。智能控制中，壓力不夠時(shí)，備用機(jī)組按照最少運(yùn)行時(shí)間的優(yōu)先級(jí)啟動(dòng)。當(dāng)主機(jī)壓力在自動(dòng)控制中，主機(jī)壓力與系統(tǒng)工作壓力進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)主機(jī)的運(yùn)行頻率，穩(wěn)定系統(tǒng)壓力。當(dāng)系統(tǒng)壓力高于主機(jī)工作壓力，主機(jī)首先將低頻率運(yùn)行，若壓力還上升，則備用機(jī)組卸載或停機(jī)，主機(jī)最低頻率運(yùn)行，不會(huì)停機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)中所有備機(jī)都卸載或停機(jī)，主機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，壓力達(dá)到主機(jī)供氣卸載壓力，主機(jī)卸載運(yùn)行。PLC 柜實(shí)時(shí)采集氣擦洗管路的系統(tǒng)壓力，將系統(tǒng)壓力的變化與空壓機(jī)系統(tǒng)壓力的設(shè)定值進(jìn)行比較，通過(guò)智能控制模塊，對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)壓力的平衡穩(wěn)定。當(dāng)實(shí)時(shí)壓力小于設(shè)定壓力，系統(tǒng)判斷運(yùn)行的空壓機(jī)是否都處于加載狀態(tài)，如有空壓機(jī)處于卸載狀態(tài)，則發(fā)出加載指令；當(dāng)所有空壓機(jī)均加載，系統(tǒng)將啟動(dòng)備用空壓機(jī)，提高系統(tǒng)壓力。當(dāng)實(shí)時(shí)壓力大于系統(tǒng)壓力，系統(tǒng)卸載一臺(tái)運(yùn)行的空壓機(jī)，減少排氣量，降低系統(tǒng)壓力。控制邏輯如圖3。

圖3 控制邏輯

（3）增加監(jiān)測(cè)儀表實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的保護(hù)。對(duì)各臺(tái)空壓機(jī)增加功率儀、振動(dòng)傳感器，主管道上安裝流量計(jì)、壓力傳感器和汽水分離器，將信號(hào)傳送至智能控制柜，實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)的監(jiān)護(hù)?？刂茪獠料纯諌簷C(jī)本體的溫度能有效降低能耗。控制溫度主要通過(guò)全面對(duì)設(shè)備的維護(hù)，將溫度控制在合理的范圍，穩(wěn)定空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。機(jī)組配套的振動(dòng)傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空壓機(jī)的水平、軸向的振動(dòng)，通過(guò)設(shè)定報(bào)警值，第一時(shí)間報(bào)警提示。通過(guò)管道上增加的汽水分離器，第一時(shí)間進(jìn)行汽水分離，減少管道中的水阻，提高供氣效率。

4 節(jié)能效果

原空壓站裝機(jī)總功率360kW，產(chǎn)氣量能力68.4m3/min。實(shí)施節(jié)能改造，永磁變頻電機(jī)比普通變頻電機(jī)節(jié)約3%的能耗。根據(jù)已實(shí)施的數(shù)據(jù)結(jié)果分析可將壓縮空氣單耗控制在0.1455kWh/m3以下。按電費(fèi)0.7 元/度，每年運(yùn)行350 天，8400 小時(shí)計(jì)算，每年可節(jié)約45.3 萬(wàn)元。

5 改造后優(yōu)點(diǎn)

改造后的氣擦洗空壓機(jī)組，可以通過(guò)實(shí)施的監(jiān)控及時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，保證空壓機(jī)工況處于經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)，避免長(zhǎng)期的無(wú)效做功，節(jié)約能源。智能化控制減少頻繁開(kāi)停機(jī)對(duì)設(shè)備的沖擊，機(jī)組維護(hù)和維修也有一定的降低。智能化控制根據(jù)管道壓力的變化輸出氣量來(lái)開(kāi)停備用機(jī)組，具有精確的壓力控制能力，是空壓機(jī)的輸出壓力與系統(tǒng)用戶(hù)需求的氣量相匹配，避免了壓力過(guò)低或過(guò)高造成的系統(tǒng)運(yùn)行波動(dòng)。

（1）節(jié)能降耗。改造后節(jié)能率達(dá)30%，有效降低運(yùn)行成本。

（2）恒壓供氣。通過(guò)1 變頻3 工頻的組合配合，變頻控制具有精確地壓力控制水平，使壓力-氣量-功率實(shí)現(xiàn)平衡，輸出壓力與管道所需氣量相匹配，有效提高了系統(tǒng)的工況。

（3）節(jié)省人工。通過(guò)智能控制系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)開(kāi)停機(jī)，同時(shí)根據(jù)程序設(shè)定實(shí)現(xiàn)精確供氣，減少員工勞動(dòng)強(qiáng)度。

（4）安全保障。采用1 主機(jī)帶3 備機(jī)的工作模式，大大提高設(shè)備的利用率，一旦備機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題，自動(dòng)切換其他備機(jī)運(yùn)行，提高了設(shè)備保障度。

6 結(jié)語(yǔ)

再生水廠膜工藝環(huán)節(jié)氣擦洗空壓機(jī)作為膜工藝的輔助設(shè)備和動(dòng)力設(shè)備，其穩(wěn)定性和運(yùn)行成本直接影響膜工藝的運(yùn)行好壞?？諝鈮嚎s機(jī)的能耗與設(shè)備選型、運(yùn)行、維護(hù)管理等因素有直接的關(guān)系，本次節(jié)能改造，從氣擦洗空壓機(jī)的整體監(jiān)控、氣源優(yōu)化、整體綜合方案等角度進(jìn)行研究分析、綜合考慮，選擇永磁變頻電機(jī)等先進(jìn)的技術(shù)，實(shí)施了可行的節(jié)能措施，實(shí)現(xiàn)了安全、可靠、恒壓供氣，提高了空壓機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，大大降低了能耗，基本實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目的。