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能源短缺已成為制約經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的突出問題和矛盾。節(jié)能和提高能源利用效率是解決能源問題的有效途徑。在2007年修訂的《中-華人民共和國節(jié)能法》中,將節(jié)約資源確定為基本國家政策,國家明確實(shí)施節(jié)能發(fā)展戰(zhàn)略。
壓縮空氣是我國各行業(yè)氣動設(shè)備和工藝設(shè)備的主要動力源。據(jù)統(tǒng)計(jì),空壓機(jī)耗電量約占工業(yè)設(shè)備耗電量的20%,空壓機(jī)節(jié)能改造勢在必行。
目前,空氣壓縮機(jī)節(jié)能改造更容易實(shí)施和有效的措施。
空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造,減少車間壓縮空氣泄漏。其中,采用單位能效較低的空氣壓縮機(jī)代替單位能耗較高的空氣壓縮機(jī)進(jìn)行空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造,可直接減少燃?xì)馄髽I(yè)的用電量。
隨著永磁同步電機(jī)技術(shù)的成熟,變頻器調(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用,空氣壓縮機(jī)兩級壓縮和中間冷卻技術(shù)的推廣,氣體企業(yè)工作壓力的合理設(shè)置,為空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能改造提供了完善的基本條件。因此,建議采用永磁變頻兩級壓縮技術(shù)進(jìn)行空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能改造。
▎單級噴油螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行分析
1.運(yùn)行原理
普通螺桿式空氣壓縮機(jī)多為單級噴油螺桿式空氣壓縮機(jī),由一對相互平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子在體內(nèi)進(jìn)行相對高速旋轉(zhuǎn),使陰陽轉(zhuǎn)子齒槽與體之間形成V隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn),一對形狀的齒間體積不斷發(fā)生周期性的體積變化,而空氣從吸入端沿轉(zhuǎn)子軸方向輸送到輸出端,從而實(shí)現(xiàn)螺桿空氣壓縮機(jī)的吸氣、壓縮和排氣的全過程。
噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)的典型配置特點(diǎn)是:其電機(jī)為異步電機(jī),控制異步電機(jī)的電氣控制部分由接觸器轉(zhuǎn)換Y-△控制方式。
單級噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)的機(jī)頭為單級螺桿壓縮機(jī),通過單級雙螺桿將常溫常壓空氣壓縮成用氣單位所需的壓力;給定壓力是變化范圍內(nèi)的壓力,是用戶輸入空氣壓縮機(jī)的需求指令;末了,單級噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)為用戶提供的供氣壓力為波動壓力。為了減少壓力波動的范圍,用戶通常使用增加壓縮空氣管網(wǎng)上儲氣罐數(shù)量或增加儲氣罐容積的方法。
2.異步電機(jī)能耗分析
根據(jù)GB18613-2012年《中小型異步電機(jī)能效限值及能效等級》新版能效標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施,提高了輸出功率下各級電機(jī)的效率和功率因素。可以看出,除額定功率附近的異步電機(jī)外,其效率和功率因素相對較低,而異步電機(jī)的無功功率較高。因此,作為恒扭矩負(fù)載的空氣壓縮機(jī)設(shè)備,只要在額定功率以外的區(qū)域運(yùn)行,就必須有節(jié)能空間。
根據(jù)工程熱力學(xué)理論,空氣壓縮機(jī)在壓縮過程中較節(jié)能,可以看出,面積為0-3-2T—1-0是定溫壓縮所需的功耗,面積0-3-2m—1-0是單級螺桿空壓機(jī)實(shí)際壓縮過程所需的功耗。
可看到,定溫壓縮所需要的功耗要小于單級壓縮所需要的功耗,因而從功率消耗的角度來看,定溫壓縮較為有利,它不但可減少消耗的功率,還可降低壓縮后氣體的溫度。定溫壓縮,要使氣體熱量隨時與外界交換,氣體溫度與外界相等,在實(shí)際工況中是不可能實(shí)現(xiàn)的,這只是制造廠家在產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)中努力的方向。為了降低壓縮后的氣體溫度和提高空壓機(jī)的效率,盡可能向定溫壓縮過程靠近,這使得空壓機(jī)的使用材料更加寬廣和經(jīng)濟(jì),同時使得空壓機(jī)的運(yùn)行更加可靠,經(jīng)過測算,定溫壓縮比普通螺桿空壓機(jī)單級壓縮至少節(jié)省功耗15%以上。3. 加載/卸載模式分析
為了降低能耗,當(dāng)氣管網(wǎng)壓力上升到一定值時,空氣壓縮機(jī)的計(jì)算機(jī)控制器將停止壓縮機(jī),然后當(dāng)氣管網(wǎng)壓力下降到一定值時,壓縮機(jī)將自動重新啟動。為避免頻繁啟動對電機(jī)造成損壞,如果預(yù)期卸載時間較短,計(jì)算機(jī)控制器將使壓縮機(jī)卸載而不停止,并通過空載運(yùn)行。
當(dāng)空氣壓縮機(jī)運(yùn)行時,空氣壓縮機(jī)的輸出壓力從加載壓力ps上升到卸載壓力ps Δp 階段,空壓機(jī)的功率也從P1上升到P1 ΔP,在這個階段,空氣壓縮機(jī)的輸出壓力和功率是線性的。一旦壓力達(dá)到ps Δp,如果空氣壓縮機(jī)管網(wǎng)的用氣量相對較大,空氣壓縮機(jī)不會停止,而是采用空載運(yùn)行的方式。
此時,空氣壓縮機(jī)的功率保持在恒定狀態(tài)P,3-3’、6—6’和9-9’)。一旦管網(wǎng)的壓力通過卸載壓力ps Δp 降至加載壓力ps再次開始另一個循環(huán)的加載卸載工作。一般情況下,浮壓Δp≥ps×相應(yīng)地,浮動功率為10%ΔP≥P1×10%。可以看出,單級噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)在加載卸載運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行一個周期的功耗為0—P1—1—3—3’—t2-0周圍區(qū)域。如果采用恒壓供氣,空壓機(jī)的輸出壓力將始終保持在ps,空壓機(jī)的輸出功率將始終保持在P1.此時,單級噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)運(yùn)行時間為0—P1—2’—t2-0圍成的面積。按經(jīng)驗(yàn)計(jì)算,0—P1—1—3—3’ —t2-0 圍成的面積將比0大—P2—2’ —t2-0包圍的面積超過5%。
事實(shí)上,單級噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)不能在沒有外部變頻器的情況下實(shí)現(xiàn)恒壓供氣。從以上對單級噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)運(yùn)行的分析可以看出,由于單級噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)采用異步電機(jī)、單級壓縮和波動壓力供氣,其運(yùn)行能耗大大提高。
在這種情況下,普通螺桿式空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能改造迫在眉睫。采用永磁變頻兩級壓縮技術(shù)的空氣壓縮機(jī)改造是一種可行的方法。
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