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空压机节能改造方案 十大误区

更新时间:2022-05-16

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一、为什么要去进行 压缩空气系统节能改造 呢?

一)、国家政策导向

提问:什么是现阶段中国社会主要矛盾?

答:人民日益增长的美好生活需要和发展不平衡不充分之间的矛盾。

十九大报告强调要全面推进绿色发展这一阐述,要构建包含生产、生活、技术、融资等在内的绿色发展系统;要着力解决我国面临的环境突出问题。因此,高品质与节能型产品将是未来空压系统设备发展的方向。

二)、市场导向

我们的客户正在进行产业升级和供给侧改革,因此他们正在或将要做的事情是:品质化发展、淘汰落后产能、节能增效。耗能大户,量大利薄,看重节能增效。而追求高品质的客户,先看品质,再看节能,最后价格。

三)、行业发展方向

压缩空气是高能耗产品,压缩空气节能改造 如果能从高耗能中省下百分之几,每年节能量是很可观的。

二、目前的 空压机节能改造压缩空气系统节能改造已经从单一设备节能转变为压缩空气系统节能。讨论压缩空气系统节能,我们必须要清楚耗功在哪里?压缩空气系统耗功我们可以关注四个方面:

1.系统设备耗功

我们看看压缩空气系统能流图(从能源输入端和输出端来看),能源输入端主要是压缩空气系统设备的耗功,

①空压机85%~95%;

②干燥器3%~15%:

2.空压机耗功

在压缩空气系统中耗功占比最大的是空压机,因此对空压机的耗功节省可以立竿见影。

《轴功率对喷油螺杆空压机节能影响》空压机耗功主要在:

√主机轴功率耗功占比最大;

√其次是电机效率;

√再就是传动效率

3.轴功率耗功

主机轴功率大小,跟主机选型、设计、制造及系统匹配有关。在后面的节能误区会有详细描述,

4.电机效率

电机作为空压机的主要输入动力,其效率对于空压机节能也是影响很大。工频和变频电机的采用,在后面的节能误区会有详细描述。

三、压缩空气系统节能改造的节能误区

误区一:空压机的主机转数越高或越低越节能

每档主机都有一个最佳转数。

①当转数低时,泄露会影响到比功率值上升 ;

②当转数高时,机械损失也会影响到比功率值上升( ;

③所以,当空压机工作在最佳主机转数时,最节能 。

通常主机的内泄漏是不可避免的,提高主机转速可以改善相对泄漏量,提高效率。而增加主机压力,也会使主机的内泄露加大,排气量减少,主机耗能增加。

主机在高转速下,轴承和轴封磨损加剧;润滑油的冷却效果降低,机头内温远高于排气温度,润滑油加速老化,润滑性能降低。此时主机机械损失引起的能耗会随转数增加而加大。

当主机在某个转数下,其能效值可以达到一个平衡点(内泄露和机械损失在某段转数下主机能耗处于低值,某个转数点为最佳)。当偏离该区域值时,无论增加转数或减少转数,都会引起主机增加能耗。

因此在设计节能型空压机时,我们设定主机的转数是根据主机的比功率曲线图来选择而不是转数越高越好或越多越好!

另外,不同的空压机主机由于设计和制造的水平不一样,也会出现某些主机的比功率曲线低洼线段较陡,对于变频空压机的节能是不利的。

因此,在各流量段的空压机有不同主机来搭配,同时工频和变频机型也是根据需要来选型主机。

市场上,为了竞争的需要,拼命提高主机转数会有“小马拉大车”的风险。同时,一味强调大主机、低转数,也不一定节能。

误区二:推崇两级压缩,忽略使用周期成本

“空压机组压缩比增大,容积效率降低,比功率值增高。”

从理论上来说,两级压缩由于级间压缩比小,主机泄露少(压力低),同时第二级进气温度由于中间冷却作用变低,因而在相同空压机能效限定值,两级比单级压缩的所需的绝热效率更低。为单级和双级压缩达到1级能效时主机所需的绝热效率。

从理论上,两级压缩可减小主机能耗,提高绝热效率,以求达到相关能效比功率限定值,从而提高空压机能效等级,但是由于两级压缩采用中间冷却的方式不同却有可能无法实现理论上的等温压缩。

两级压缩:当空气经过两个主机压缩时,级间设有中间冷却器和汽水分离器。此时,进入二级压缩主机的空气可以尽量接近环境温度,从而使得压缩更接近等温压缩。

两段压缩:当空气经过两个主机压缩时,级间通过喷液(油)冷却,但是由于压力露点的影响,进入二级压缩主机的空气不会低于60℃,此时压缩距离等温压缩有一定差距。

无论是两级(或两段)压缩的耗功小于单级压缩的耗功,但是其关键零部件数量翻倍(相比单级的2.3倍),零部件越多故障率概率越高,从而导致机器的可靠性和安全性大幅下降。

从产品的使用生命周期来看,随着使用时间的推移,两级压缩的性能降低及维护成本也远大于单级压缩。牺牲安全性和可靠性换取节能在小型机器上有点得不偿失。

根据国内外螺杆空压机性能的实验研究成果,我们发现常见主机(7~8bar机组中)250kW以上使用单级压缩达到1级能效已有较大难度。

综合考虑到国内主机的设计及加工水平和能力,建议:在90kW以下机组可采用单级压缩,而追求1级能效的90kW以上机组则采用两级压缩,这将有助于提高机组能效,降低成本,提高稳定性。

误区三:变频空压机满载使用

大多数用户使用空压机时并不是时时刻刻满负荷工作时,此时变频空压机的参与可以通过调整主机转数来调节气量,保证管网压力稳定。从而达到节能的效果。

然而在市场上,许多供需双方都认为购买变频空压机一定比工频空压机节能。即使客户大部分时间其用气量在满载的情况下,也在为小部分时间变负载而纠结。

例1,某工厂有两条气量要求不一样的生产线。原有空压机想进行节能改造。A生产线的满载用气量为10m3/min且几乎没有波动;而B生产线的满载用气量为8m3/min但经常波动,

由于两条线都是独立管网。如果按满载流量给A和B生产线都改造为变频空压机。对于A生产线来说,不但不节能,反而更耗能。为什么?

变频器自身消耗输入功率的5%,折算到每一立方压缩空气的耗电量和生产成本,明显大于工频螺杆机耗能。

我们再看GB19153-2019《容积式空气压缩机能效限定值和能效等级》标准中关于1级能效空压机工频和变频的限定值比较(10m3/min-7bar):

对于B生产线来说,由于气量变化大,使用变频空压机是适合的。

误区四:变频空压机做主力机型用

例2,某生产线一天的用气量在10~12m3/min,

如果只用一台12m3/min变频空压机,由于变频器自身消耗输入功率的5%,机头和电机偏离设计转速,效率降低5%左右,电机反复加速和减速(制动)耗电显著大于恒速运转,折算到每一立方压缩空气的耗电量和生产成本,明显大于工频空压机。

所以在空压机配置上,推荐1台10m3/min工频机+1台2m3/min变频机。工频空压机作为主力机型,变频空压机为辅助机。

在2台空压机以上的系统,工频空压机永远为主力,变频为辅助。

有些用户的空压机房里十几台空压机全是清一色的变频空压机,这是对变频空压机节能的误解。

误区五:永磁电机最节能

永磁电机虽然在额定电压的时候有很好的节能效果,但是在实际用户现场电压经常会偏离额定电压,而当电压大于或者小于感应电压时,电流都会急剧增大,功率因数变小,节能效果大幅度变差。由图中可以看出:偏差在3%电压范围内时,电机功率因数大于或等于0.9,否则,功率因数较低。

永磁电机虽然在额定电压的时候有很好的节能效果,但是在实际电压偏离额定电压的时候,节能效果大幅度变坏。另外,对于常规结构的永磁电机,在不同负载下的运行特性差别很大,负载率低于25%,功率因数变很低。见图14。

永磁电机在用户电压波动小<2%且负载率>25%时才节能!

误区六:通过简单改造把工频空压机改为变频空压机

前面讲了,无论是主机轴功率还是电机效率,都有其额定转数(最佳转数),偏离了最佳转数,其效率都会降低。

在空压机满载时,工频空压机的设计是主机和电机转数一般都处于最佳转数状态下,其能耗也处于最低。而变频空压机由于设计时更多地考虑变负荷运行,其主机转数最佳值放在70%左右的负荷。再加上变频电机的特殊构造,不是简单的普通电机+变频器=变频空压机。

因此简单使用变频器对工频空压机进行改造,不但不会对节能产生帮助,反而增加了空压机的风险,比如电机散热和寿命问题,机器的可靠性及变频器的耗能和散热等等。

变频器对电机的影响:

①电动机的效率和温升的问题:使电动机在非正弦电压、电流下运行会产生很大的转子损耗,这些损耗都会使电动机额外发热,效率降低,输出功率减小。

②电动机绝缘强度问题:载波频率约为几千到十几千赫,这就使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率,会对电动机对地绝缘构成威胁,对地绝缘在高压的反复冲击下会加速老化。

③谐波电磁噪声与震动:普通异步电动机采用变频器供电时,会使由电磁、机械、通风等因素所引起的震动和噪声变的更加复杂。当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时,将产生共振现象,从而加大噪声。

④电动机对频繁启动、制动的适应能力:采用变频器供电后,电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动,给机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题。

⑤低转速时的冷却问题:普通异步电动机再转速降低时,冷却风量与转速的三次方成比例减小,致使电动机的低速冷却状况变坏,温升急剧增加,难以实现恒转矩输出。

⑥在设计结构及选材上都有些区别,主要是为了考虑散热及高/低频转矩等问题:变频电机可在0.1HZ~130HZ范围长期运行,普通电机可在:2极的为20~65hz范围长期运行,4极的为25~75hz范围长期运行。

误区七:忽略了电机的差异性

电机是空压机里除了主机外,成本占比最大的零部件。想节省成本的方法很多:

①材料差异:v硅钢板:热轧/冷轧

◆线圈:粗细/含铜量

◆端子:大小/黄铜/紫铜

◆壳体:铸铁/铝合金

◆轴承:国产/进口/SKF

②绝缘等级:

如果超出上限温度10℃并持续一段时间, 绝缘材料将会减少大约一半的使用寿命。绝缘等级越高,采购成本越大。

③防护等级

根据IEC 60034-5标准,电动机的防护等级表示防尘、防水以及防碰撞的能力,用字母IP以及后面两位数字表示。这跟电机的采购成本有关。数字越大,成本越高。

④机座号选取

机座号是衡量电机采购成本的重要指标,同样功率的电机可能会有两种中心高度,数值越大,可靠性越好,价格也越高。

⑤电机效率:

通常电机也分能效等级1~3级,每级电机效率相差不大,但价格却是差距很大。

通常工频空压机采用三相异步电动机一般为IE3,变频空压机采用永磁电机一般为IE4以上;各级效率η相差1~2%;

电机功率越大,节能效果越好。从空压机使用周期来看:能用高压不用低压,能用节能电机不用入门电机。

误区八:只要有节能空压机,干燥机配什么都无所谓

例3,某工厂配置一台10m3/min冷干机,大多数干燥机都是采用固定输出功率且按最大负荷配置,当压缩空气处理量发生变化时,干燥机的耗功却固定不变,就造成了干燥机耗能的浪费。

相当于浪费了10kW/天,3000kW/年。

另外对于干燥器的选配原则应根据客户使用气体品质对七个压力露点的不同需求来选配干燥机。

干燥机的选型原则:能用冷干机就不用吸干机,再生方式能用电就不用气,能用热就不用电。

在多台空压机的系统中,不要一台干燥器兜底,最好是一对一配置!

误区九:忽略机房环境温度的影响

空压机进气温度越高,其耗功也越高;

例4,一台75kW空压机,如果进气温度降低10℃,大约可以节约15138度电/年。

GB50029《压缩空气站设计规范》站房温度1-40℃;当环境温度增加5℃。

①空压机排气量减少1.5%左右;

②干燥器增加25%的负荷

误区十:一味强调节能,忽视了空压机的质量和安全

无论机器多么节能,如果质量和安全得不到保障,客户省下来的节能成本还不够花费的。国家对产品的质量安全监督只会越来越严格。

空压机的质量是客户赚钱的基础,螺杆空压机生产制造验收项目主要有以下13项:

空压机的检测项目13项中有9项涉及到安全指标,任何一项不达标,产品会被视为不合格产品。在现代空压机生产制造中,任何一件合格产品都需要有规范、标准、作业指导书和测试报告。如果一味强调节能,忽视了质量和安全,赚的还不够赔的。不出事还好,出事就是大事。