空壓機(jī)站節(jié)能運(yùn)行管理系統(tǒng)的應(yīng)用

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 230088）

空壓機(jī)站節(jié)能運(yùn)行管理系統(tǒng)的應(yīng)用

高相家 何 明

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 230088）

論述了實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)站節(jié)能運(yùn)行管理的路徑、方法和幾個(gè)有效措施。

空壓機(jī)站；排氣量；變頻；節(jié)能

據(jù)全國能源基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，工業(yè)壓縮機(jī)系統(tǒng)年耗電量約占全國總發(fā)電量的9%左右。在一般工礦企業(yè)中，空壓機(jī)系統(tǒng)年電能消耗約占企業(yè)總耗電量的10%～40%。本文論述了某水泥廠空壓機(jī)站在實(shí)際運(yùn)行中的節(jié)能運(yùn)行管理系統(tǒng)的改造實(shí)施。

一、空壓機(jī)站運(yùn)行的節(jié)能路徑

1.合理調(diào)配運(yùn)行壓縮機(jī)的臺(tái)數(shù)，降低壓力波動(dòng)范圍，提高單機(jī)運(yùn)行效率

一般按下式來確定空壓機(jī)站的總排氣量

式中：Q—空壓機(jī)站總排氣量的設(shè)計(jì)容量；

ΣQ0—用氣設(shè)備消耗氣量之和；

k—消耗氣量不平均系數(shù)，取1.2～1.4；

φ1—漏損系數(shù)，一般取0.1～0.2；

φ2—用氣設(shè)備磨損曾耗系數(shù)，取0.15～0.2；

φ3—不可預(yù)見的消耗系數(shù)，取0.1。

由式（1）可看出，設(shè)計(jì)容量與用戶的實(shí)際需求排氣量之比約為1.6～2.1，以滿足用戶需求。因此，絕大多數(shù)空壓機(jī)站的運(yùn)行負(fù)荷率在70%左右。為適應(yīng)所需氣量的變化大多采取部分或全部打開或關(guān)閉進(jìn)氣閥來實(shí)現(xiàn)。這樣空壓機(jī)就會(huì)在輕載和滿載交替變換的狀態(tài)下長期運(yùn)行，效率低下，能源浪費(fèi)較大，排氣壓力波動(dòng)較大。

有鑒于此，空壓機(jī)站應(yīng)合理調(diào)配運(yùn)行空壓機(jī)的臺(tái)數(shù)以適應(yīng)供氣量的大范圍變化，減少空壓機(jī)在所謂的“加載、卸載”狀態(tài)下長期運(yùn)行。對(duì)于供氣量在較小范圍內(nèi)變化的工況，可以通過對(duì)單臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，達(dá)到降低壓力波動(dòng)的目的。

2.優(yōu)化輸氣管網(wǎng)，減少氣體泄漏和壓力損失

對(duì)于壓縮機(jī)站以及壓縮氣體傳輸系統(tǒng)，主要從管網(wǎng)和節(jié)點(diǎn)配置的科學(xué)化、合理化方面考慮：①減少空壓機(jī)進(jìn)氣通道的阻力，以提高空壓機(jī)的運(yùn)行效率；②優(yōu)化管網(wǎng)分布，盡量縮短壓縮空氣管路系統(tǒng)的長度，同時(shí)盡量減少管路彎頭和分流節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，減少壓力損失；③嚴(yán)格控制壓縮氣體傳輸系統(tǒng)、空氣凈化設(shè)備和氣動(dòng)設(shè)備的泄漏。相關(guān)研究結(jié)果顯示，在0.7MPa的壓力下，一個(gè)直徑為0.5mm小孔的泄漏量為17l/min（ANR），功耗約為60W；而一個(gè)直徑為1.0mm小孔的泄漏量可達(dá)68l/min（ANR），功耗約為239W?？梢?，減少氣體泄漏對(duì)節(jié)約能源至關(guān)重要；④實(shí)時(shí)監(jiān)控空氣凈化設(shè)備的運(yùn)行狀況，是否泄漏或阻力過大等；⑤使用節(jié)能型氣動(dòng)設(shè)備，減少用氣量、提高壓縮氣體利用效率。通過以上幾個(gè)方面的管控，能夠大大提高壓縮氣體傳輸和使用的效率。

3.合理設(shè)定使用壓力，精心維護(hù)加強(qiáng)管理

在空壓機(jī)的排氣量基本恒定的情況下，根據(jù)供氣需求壓力、氣體傳輸狀況，科學(xué)合理地設(shè)置空壓機(jī)排氣壓力對(duì)空壓機(jī)運(yùn)行節(jié)能極為重要。同時(shí)，對(duì)于用氣壓力不同的用氣設(shè)備，應(yīng)在用氣壓力較低的設(shè)備之前配置減壓裝置，以避免產(chǎn)生“高壓低用”的浪費(fèi)。對(duì)于因工藝而降低供氣壓力的情況，應(yīng)及時(shí)重新設(shè)置空壓機(jī)排氣壓力，提高空壓機(jī)運(yùn)行效率。

二、空壓機(jī)站節(jié)能運(yùn)行管理的解決措施

1.節(jié)能系統(tǒng)構(gòu)架

按照上述節(jié)能路徑，對(duì)某水泥廠空壓機(jī)站進(jìn)行了節(jié)能改造。該空壓機(jī)站共計(jì)5臺(tái)40m3/min螺桿式空壓機(jī)，額定排氣壓力0.8MPa，單臺(tái)功率250kW。通常開4備1。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)行的4臺(tái)空壓機(jī)中，每臺(tái)機(jī)器的加載率各不相同，平均加載率在70%左右，壓力波動(dòng)范圍在0.62～0.74MPa之間，加載時(shí)電流為460A左右，空載時(shí)電流為180A左右，空載率較高，壓力波動(dòng)大。

據(jù)此，對(duì)該空壓機(jī)站制定了如下的規(guī)劃：將靠近用氣設(shè)備的空壓機(jī)改造為變頻空壓機(jī)，同時(shí)加裝一套自主研發(fā)的基于傳感器和變送器、PLC構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、交流矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的空壓機(jī)站以及壓縮氣體傳輸系統(tǒng)的節(jié)能一體化集成運(yùn)行管理系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1

2.系統(tǒng)主要功能

（1）自動(dòng)化管理

在以上配置的空壓機(jī)站節(jié)能運(yùn)行管理系統(tǒng)中，可以根據(jù)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)對(duì)空壓機(jī)站內(nèi)的空壓機(jī)和相關(guān)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控調(diào)配，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)站排氣量在較大范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)節(jié)，基本做到用氣端的實(shí)際需求量與實(shí)際供氣量一致，提高了運(yùn)行效率。

（2）大范圍氣量的無極調(diào)節(jié)

變頻空壓機(jī)的恒壓調(diào)速系統(tǒng)滿足了排氣量小范圍的調(diào)節(jié)，保證了壓縮氣體傳輸系統(tǒng)的恒壓供氣，提高了供氣質(zhì)量。表1是各空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與空壓機(jī)站供氣量調(diào)節(jié)范圍的對(duì)應(yīng)關(guān)系，各空壓機(jī)設(shè)定排氣壓力為0.65MPa。

表1

從表1中可以看出，由于將5號(hào)空壓機(jī)改造為變頻空壓機(jī)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，5號(hào)空壓機(jī)的氣量調(diào)節(jié)最大范圍為額定排氣量的40%～100%，即16～40m3/min，這樣智能化管理軟件系統(tǒng)根據(jù)空壓機(jī)站的實(shí)際運(yùn)行狀況自動(dòng)調(diào)配各空壓機(jī)及其他輔助設(shè)備，使系統(tǒng)運(yùn)行在相應(yīng)的氣量供需范圍內(nèi)。同時(shí)，由于該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在用氣量變化的情況下供氣壓力穩(wěn)定，進(jìn)而可以將各臺(tái)普通空壓機(jī)設(shè)置的排氣壓力上限從0.74MPa降至0.66MPa，變頻空壓機(jī)的排氣 壓力設(shè)為0.64MPa。使系統(tǒng)供氣壓力穩(wěn)定在0.64MPa附近，達(dá)到了進(jìn)一步節(jié)能的效果。

（3）智能化管理系統(tǒng)

通過現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網(wǎng)搭建的多層控制系統(tǒng)還具備以下功能：①空壓機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄并生成報(bào)表（包括日?qǐng)?bào)表、周報(bào)表、月報(bào)表以及自定義報(bào)表等）。包括各臺(tái)空壓機(jī)的電氣參數(shù)（電流、功率、電壓）、運(yùn)行參數(shù)（加卸載時(shí)間、排氣壓力、排氣溫度、設(shè)備狀態(tài)）以及供氣管網(wǎng)壓力等；②故障自動(dòng)報(bào)警停機(jī)及故障類型記錄，并提供基本故障分析；③提供分級(jí)管理和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能，通過工業(yè)以太網(wǎng)為用戶提供多級(jí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，方便企業(yè)高管、車間及設(shè)備管理人員、現(xiàn)場操作人員隨機(jī)了解系統(tǒng)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)本地及遠(yuǎn)程監(jiān)控。

三、改造前后運(yùn)行能效比較

表2是對(duì)水泥廠空壓機(jī)站改造前后空壓機(jī)運(yùn)行狀況和能耗的對(duì)比情況。

表2

由表2可以看出，改造后的空壓機(jī)基本消除了空載運(yùn)行時(shí)間，供氣壓力的波動(dòng)差也大幅降低，供氣更平穩(wěn)，同時(shí)空壓機(jī)站的綜合功耗也明顯降低。需要指出的是，表中綜合工況節(jié)能率21.5%是按照實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，用氣高峰期占30%，正常用氣期占70%的比例計(jì)算得出，不同的空壓機(jī)站比例會(huì)有所不同。

四、結(jié)語

空壓機(jī)站節(jié)能運(yùn)行管理涉及到多方面因素，既要加強(qiáng)硬件方面的建設(shè)和更新，又要科學(xué)合理地配置相應(yīng)的執(zhí)行軟件和日常管理措施，只有這樣才能使空壓機(jī)站長期在安全和高效的狀態(tài)下運(yùn)行。就本項(xiàng)目的運(yùn)行情況來看，按照確定的節(jié)能路徑和節(jié)能系統(tǒng)構(gòu)架實(shí)施，其節(jié)能效果非常明顯。

[1] 蔡茂林.壓縮空氣系統(tǒng)的能耗現(xiàn)狀及節(jié)能潛力[J].中國設(shè)備工程，2009（7）：42-44.

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