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提升空气压缩机品质满足压缩空气系统节能要求

2012-8-16

压缩空气是工业领域中应用最广泛的动力源之一,由于其具有安全、无公害、调节性能好、输送方便等诸多优点,使其在现代化、自动化领域中应用越来越广。但要得到品质优良的压缩空气需要消耗能量 [1] 。在大多数生产型企业中压缩空气的能源消耗占全部电力消耗的 10%~35% [2][3] [4] 。据调查 [2] ,绝大多数压缩空气系统,无论其新或旧,运行的效率都很低,存在着设备不匹配、管路损失大、系统泄漏、人为需求、不正确的使用和不适当的系统控制等问题。在经过专业的、全面的空气系统评估和分析,并采取恰当的措施之后,可以节约能源达到 10%~50% [2] ,在能源紧张,电价不断上涨的今天,这样的评估改造不仅节约了能源,降低了消耗,也意味着将为企业带来新的利润空间。

二、压缩空气系统能源消耗和费用构成

空气压缩机是空压机站的心脏。当提及空气压缩机时,也同时会想到压缩空气系统 [5] 。整个压缩空气系统的设备,从功能上可以分成以下几部分:

⑴ 产生气源部分:如压缩机。

⑵ 处理气源部分:如干燥器、过滤器、分离器等。

⑶ 控制部分:如各种控制元器件。

⑷ 集输部分:如储气罐、管路阀门等。

现以一个有三台 132kW 空气动力用螺杆式空气压缩机的空压机站为例,计算其各种费用的构成情况。

压缩空气系统里的大部分设备都是采用电力驱动,其中空气压缩机消耗的电能占到总电能的 90% 以上。三台空压机两开一备,每年运行 8 000h ,电价 0.65 元 /kW · h ,每台压缩机配套的干燥器为冷冻式,功率为 8.5kW 。经计算,该系统一年的电费支出约为 146 万元 ( 人民币 ) 。该系统在使用一年后资金投入分配情况如图 1 所示 [2] 。

 

当考虑该系统使用五年的资金总投入分配时,得到如图 2[2] 所示结果。

 

对比图 1 和图 2 可以看出,随着压缩空气系统使用年限的延长,其设备投资所占的比例在逐渐减小,运行电费的比例却在大幅度地增加。在现实应用中,一个正常运行的压缩空气系统,其全生命周期远大于 5 年,有的甚至会持续运行达 15 ~ 20 年或更长。所以,我们在考虑压缩空气系统投资与回报的时候,应该和其他机械产品一样,作其全生命周期成本分析。这样,会很容易发现,在压缩空气系统里作节能分析将给企业带来新的设备管理思路。关注压缩空气系统的运行参数,能给企业带来很好的经济效益。

三、 压缩机运行负荷率问题

一般来说,空压机系统设计或设备选型都是按照最大负荷条件 ( 即 100% 负荷 ) 进行的。这也是一般应遵守的原则。但在实际使用中生产线工况是变化的。调查 [2] 和资料 [3][6] 显示:一般压缩空气系统的负荷率为 60% ~ 70% 。

美国能源部对世界范围内使用压缩空气企业的压缩机负荷百分比的调查如图 3 所示。

以中国为例,设备满负荷率为 66% ,即设备在另 34% 的时间里以卸载方式运行。此间,即使采用最好的常规调节方式,对螺杆空压机而言,其功率消耗仍为满载功率的 20% ~ 45% 。无油螺杆压缩机有较低值,有油螺杆压缩机则耗功较高 [2,4,7] 。

仍沿用前述例子 ( 一台功率 132kW ,排气量 24m 3 /min 的有油润滑螺杆压缩机 ) 。表 1 给出了满载和 66% 负荷时的能耗和电费。在卸载时,能耗通常为满载的 35% [2] 。

 

由表 1 数字可见,当负荷率为 66% 时,其能耗和电费为满载时的 78% 。换句话说,当压缩机以 66% 负荷率运行时,能耗浪费比例占实际能耗的 15% [2] 。

根据上海英格索兰压缩机有限公司对中国 200 多家压缩机用户的评估调查发现,在中国市场上极其普遍地存在着这种浪费。

四、 压缩空气系统中压缩机间运行参数设定对能耗的影响

在一个压缩空气系统里一般都是多台压缩机联合运行,并有备机。压缩机运行时,用气在变化着,各主要参数也在变化。

如何使动态变化中的供需完全匹配,需要对系统设备进行大量的跟踪、调研工作,要求调试人员不仅要有很好的专业知识,而且要认真细致。

图 4 是一个只有两台压缩机的系统电流变化曲线,该系统两台压缩机的配套功率分别是 75kW ( 由上面的曲线表示 ) 和 30kW( 由下面的曲线表示 ) ,两台压缩机原先均采用常规的加卸载控制方式,一年工作 350 天,每天 24h ,电费单价 0.65 元 /kW · h 。

由图 4 中可以明显地看出,无论常开机还是备机都在频繁地进行加、卸载转换。


图4 未经设定前的电流曲线

当对系统进行评估之后,并把压缩机的运行参数重新设定后,其电流曲线如图 5 所示。


图5 经过重新设定的电流曲线

 

从图 5 中可以看出,调整后主机运行平稳了,加卸载频度大大降低,而备机的开动时间也大大减少了。

经计算,在参数未调整前,每年的电费支出约为 58.6万元,参数重新设定后,每年节省电费7.4万元,因此节能潜力也是显而易见的。

五、 压缩空气系统节能的解决办法——空气系统评估

压缩空气系统节能的关键在于找到系统浪费根本原因和准确分析出系统节能潜力的数值。为此,需要了解用户现场的使用状况,记录一些必要的数据并进行数据分析,这个过程叫“空气系统评估”。该项工作在国外已经有 30 多年的发展历史。在中国市场,目前还是压缩空气领域里新兴的业务,目前已有英格索兰公司等少数单位涉足其中。空气系统评估除了能够给用户的压缩空气系统带来节能解决方案之外,还可以对用户的压缩空气系统配置、流程控制甚至系统泄漏的情况作定性或定量的考察,给希望对自己的压缩空气系统进行各方面提高的人士提供从咨询到解决等方面可以提供一站式的服务。由于其实施的结果可以给用气单位带来能源节约,电费支出降低等明显的经济效益,所以越来越受到广大压缩空气提供者和压缩空气使用者的重视。实践证明,在经过专业的、全面的空气系统分析,并加上恰当的、专业的实施,能源节约可以达到 10% ~ 50% [2] 。

对压缩空气系统节能提供全面的解决方案应该从压缩空气系统评估开始。现代化的压缩空气系统运行时所碰到的疑难和低效问题总是让人觉得很复杂和无从下手。其实对压缩空气系统进行正确的评估就可以为用户的整个压缩空气系统提供全面的解决方案。对压缩空气系统设备其进行动态管理,使压缩空气系统组件充分发挥效能。这也是压缩空气行业在今后的发展方向。

电力紧张的问题已经成为制约国民经济发展的“瓶颈”,很多企业都为了维持整个社会的正常运转而被迫被拉电、限电。所以现在,压缩空气系统能源和效率问题已经作为一个专门的课题得到了一些企业和研究单位的重视。

加入 WTO 将大大改变我国经济发展的市场环境,国内企业不仅要立足于国内市场,而且必须遵循国际惯例,参与国际竞争。能源是产品成本的一部分,有些甚至还占较高的比例。产品在生产过程中消费的能源越多,成本越高,或利空间越小,价格上的竞争优势也就越小,这一道理是显而易见的。但是目前,我国绝大多数企业经营粗放,消耗高,浪费大,经济效益差,产品缺乏竞争力。节能降耗,提高能效成为高耗能企业提高国际竞争力的重要手段。我国政府十分重视以节能降耗为主的技术开发和技术改造,并给予财政支持。其目的在于鼓励企业在激烈的市场竞争中通过节能降耗,降低生产成本,提高其在国际市场上的竞争力。

节能降耗,是可持续发展的重要因素,也是企业不懈的追求奋斗目标。因而对压缩空气系统进行正确评估,寻找压缩空气系统节能方案,也将是业内人士的永远的追求。

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