離心式空壓機能效提升技術(shù)攻關(guān)

楊兆亮

(濟鋼集團國際工程技術(shù)有限公司，山東 濟南 250101)

壓縮空氣因其具有易儲存、易控制、安全、環(huán)保及流動性好等特點，已成為工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的動力源之一，被普遍應(yīng)用于鋼鐵冶金、電力、紡織、化工、制藥、電子及機械制造等諸多領(lǐng)域。據(jù)有關(guān)資料指出，一般壓縮空氣系統(tǒng)所消耗的電能占企業(yè)電能總消耗的10%～35%[1]，所以提升壓縮機能效水平，對企業(yè)降本增效意義重大。以我國某特大型鋼鐵集團氣體供應(yīng)企業(yè)為例，根據(jù)現(xiàn)場實際測算離心式空壓機在運行過程中平均使用負荷只有66%，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象。與此同時，離心式壓縮機入口過濾器周期性掛灰，造成吸入阻力增大，設(shè)備能耗上升、級間冷卻器冷卻效果下降造成壓縮氣體冷卻后溫度升高、冷凝液手動排放閥長期排放造成資源的嚴重浪費等現(xiàn)象普遍存在。在實際工作中，針對以上問題，從提高壓縮效率、冷凝液精確排放以及經(jīng)濟性檢修等幾個方面對離心式空壓機能效提升進行綜合技術(shù)攻關(guān)，取得了良好的經(jīng)濟效果，為同類型空壓機能效提升改造積累了經(jīng)驗。

1 設(shè)備基本情況

以某大型鋼鐵集團氣體供應(yīng)企業(yè)中的一臺國產(chǎn)離心式空壓機為例。該離心式空壓機于2003年投產(chǎn)，為三級壓縮、恒壓控制。壓縮機本體安裝在油箱上部，中間氣體冷卻器及電機單獨布置，自帶自噴脈沖式吸風(fēng)塔。主動輪與從動輪成H型布置，主動齒輪軸帶動兩個從動齒輪軸做增速運轉(zhuǎn)，兩個級間冷卻器布置在箱體兩側(cè)。該空壓機的設(shè)計流量為15 000 Nm3/h，進口壓力為0.1 MPa(A)、出口壓力為1.02 MPa(A)。圖1為離心式空壓機結(jié)構(gòu)布置圖。

1.吸風(fēng)風(fēng)塔；2.一、二級轉(zhuǎn)子；3.大齒輪及齒輪軸；4.電機；5.軸瓦；6.膜片聯(lián)軸器；7.冷卻器；8.三級轉(zhuǎn)子；9.主油泵

2 能效提升措施及效果

2.1 優(yōu)化機組性能，提高壓縮效率

目前國內(nèi)運行3到5年以上的機組，特別是國內(nèi)廠家生產(chǎn)的壓縮機葉輪級采用的基本都是十幾甚至二十幾年前的模型級，這種葉輪效率基本不會超過80%，因而機組效率會很低。隨著科技的進步，流體力學(xué)計算領(lǐng)域也有了巨大進步。目前，基于先進的流體力學(xué)軟件設(shè)計的葉輪效率都在85%左右。與此同時，按目前通常設(shè)計流程，設(shè)計院會在設(shè)計時將壓縮機的流量、出口壓力等留有一定余量，而壓縮機生產(chǎn)廠家在進行設(shè)計時也會留有一定余量，這樣余量重復(fù)疊加，導(dǎo)致機組在實際運行時，實際的運行點與設(shè)計點偏離較大，特別是當(dāng)機組實際運行壓力與設(shè)計壓力有偏離時，機組效率會明顯降低。

該企業(yè)的離心式空壓機投產(chǎn)運行已10余年之久。在選配時，考慮到后續(xù)生產(chǎn)對壓縮空氣運行壓力需求范圍有調(diào)整的可能，將機組出口壓力選定為1.02 MPa(A)。隨著后續(xù)鋼鐵主業(yè)工藝設(shè)備配套逐漸成型，目前機組實際出口壓力維持在0.65 MPa左右且不大于0.75 MPa。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，團隊成員經(jīng)過多次討論并廣泛深入查找相關(guān)技術(shù)資料，提出降低壓縮機出口設(shè)計壓力，使壓縮機實際運行點在設(shè)計點附近，從而提高機組的實際運行效率。該方法能提高壓縮機運行效率約5%左右，表1為壓縮機改造前后設(shè)計參數(shù)對比表。

表1 壓縮機改造前后設(shè)計參數(shù)對比表

機組改造前：該空壓機實際出口壓力為0.75 MPa(A)，管網(wǎng)工作壓力一般為0.8 MPa(A)左右，與原設(shè)計壓力1.02 MPa(A)相比較，機組實際運行壓力和設(shè)計壓力偏離比較大，根據(jù)離心式壓縮機原設(shè)計性能曲線(見圖2)可以看到，當(dāng)運行壓力為0.75 MPa(A)時，根據(jù)流量軸功率曲線可以查到機組軸功率為1700 kW，電機效率按90%估算，則機組實際消耗功率約為1889 kW。

圖2 改造前壓縮機設(shè)計性能曲線及軸功率圖

機組改造后：根據(jù)機組實際運行狀態(tài)，改造方案是按0.85 MPa(A)進行設(shè)計，在運行壓力為0.75 MPa(A)時，根據(jù)流量和軸功率曲線可以查到，壓縮機軸功率為1490 kW，電機效率按90%估算，則機組實際消耗功率為1674 kW，圖3為改造后新的設(shè)計性能曲線。

圖3 改造后壓縮機設(shè)計性能曲線及軸功率圖

具體改造實施方案：改造前該機組運行平穩(wěn)，如果僅因為能耗高而重新采購新機組，不但會因設(shè)計制造安裝工作周期長而影響正常生產(chǎn)，同時也存在著很大的資金浪費現(xiàn)象。團隊成員經(jīng)過與相關(guān)廠家溝通最終確定了在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上進行升級改造。具體實施方案是：根據(jù)新確定的出口壓力重新設(shè)計制作高速軸、低速軸及葉輪，并配合新設(shè)計的葉輪更換擴壓器、支架、形環(huán)等零部件。以上零部件更換完畢后，再根據(jù)試車情況，對空壓機防喘振曲線進行修改，其它潤滑系統(tǒng)、氣體冷卻系統(tǒng)等均不需要更換。這樣，既降低了改造成本，又使能效進一步提升。

改造后的效果及收益情況：改造后，該機組一直穩(wěn)定順行。同時，由改造前后兩個性能曲線可以看到：改造前軸功率為1889 kW，改造后軸功率為1674 kW，兩者相差215 kW。按每度電1元計算： 每年節(jié)約電費為：

215(kW)×1(元)×24(h) × 360(天)=185.76萬元。

2.2 冷凝液精準排放，實現(xiàn)冷凝液排放零氣損

當(dāng)空氣濕度較大時，壓縮機在對空氣壓縮過程中會產(chǎn)生冷凝液。壓縮空氣系統(tǒng)的冷凝液主要含有重金屬、碳氫化合物、硫化物等多種腐蝕性物質(zhì)。如果冷凝液長期置于設(shè)備內(nèi)部而不能順利地排出，會腐蝕壓縮機及系統(tǒng)管道，嚴重時甚至?xí)斐稍O(shè)備的突然停機，影響生產(chǎn)供應(yīng)。在實際工作中，冷凝液的排放大多數(shù)為手動排放。操作人員為了把冷凝液完全排放出去，通常將手動閥置于部分打開的位置，長時間排氣造成資源的嚴重浪費。

改造措施及效果：為了最大限度地減少資源的浪費，爭取達到實時準確排放冷凝液，我們對離心式壓縮機的冷凝液排放管道進行改造，每級新增設(shè)一個CTS型電子液位控制排水器。該電子液位控制排水器具有根據(jù)冷凝液的實際排放量進行有效排放，不會出現(xiàn)不必要的壓縮空氣損失，且具有低維護量及全自動監(jiān)控的特點，同時真正達到“零氣損”，滿足節(jié)能減排要求。

與此同時，為了避免該裝置發(fā)生故障(其控制器上的故障燈亮)，冷凝液不能及時排出的情況發(fā)生，我們還在排放管道上增設(shè)一旁通管道。當(dāng)巡檢人員(每4小時巡檢一次)發(fā)現(xiàn)電子液位控制排水器出現(xiàn)故障后，會及時開啟旁通閥門，以確保冷凝液順利排出。同時會及時通知技術(shù)人員對電子液位控制排水器進行故障診斷及維修。圖4為電子液位控制排水器現(xiàn)場安裝示意圖。

圖4 電子液位控制排水器現(xiàn)場安裝示意圖

取得的經(jīng)濟效益：以某離心式壓縮機平均每年運行200天，每天運行24小時，系統(tǒng)壓力0.5 MPa，壓縮機空氣生產(chǎn)成本為：0.09元/m3為例。手動閥排放口徑為4 mm 常開計算。查壓力-孔徑壓縮空氣損失表(國際實驗室通用計算表格)可知4 mm、5 bar壓力下每分鐘造成的氣損為：0.745 m3/min。每年單個手動閥排水方式漏氣造成的直接損失：

(24 h×200 d)×60 min/h×0.745 m3/min×0.09 元/m3=19310.4元

可見，冷凝液長時間排放會造成資源的嚴重浪費。

2.3 推行壓縮設(shè)備經(jīng)濟性檢修，降低設(shè)備壓縮單耗

離心式空壓機在日常運行過程中，入口過濾器周期性掛灰，造成吸入阻力上升；級間冷卻器冷卻效果下降造成壓縮氣體冷卻后溫度升高等問題均會引起離心式空壓機能耗不同程度的上升。據(jù)統(tǒng)計，溫度每上升10 ℃，壓縮能耗上升3.3%。為了挖掘壓縮機的節(jié)能潛力，我們開展了壓縮機設(shè)備經(jīng)濟性檢修的研究。

首先對壓縮機的大量運行數(shù)據(jù)進行了深入的分析與研究，確定了壓縮機入口阻力大于0.6 kPa，或者級間氣體冷卻后溫度大于40 ℃時，壓縮機能效上升比較明顯。據(jù)此，建立了與設(shè)備經(jīng)濟性數(shù)據(jù)相關(guān)的點檢標準，通過及時關(guān)注吸入阻力、冷卻后溫度的變化情況判斷設(shè)備經(jīng)濟性運行狀態(tài)；建立了點檢數(shù)據(jù)推移圖，直觀了解設(shè)備數(shù)據(jù)變化情況，為設(shè)備經(jīng)濟性檢修提供依據(jù)；形成了單臺設(shè)備測量、檢修、評價的經(jīng)濟性監(jiān)測機制，并推廣使用于其它離心式壓縮設(shè)備；制定了壓縮機經(jīng)濟性檢修的標準，并根據(jù)此標準定期對設(shè)備進行經(jīng)濟性檢修，以降低設(shè)備的能耗。

以三臺同類型離心式壓縮機的經(jīng)濟性檢修為例，說明經(jīng)濟性檢修對降低壓縮機能耗的作用。本次經(jīng)濟性檢修以清洗冷卻器為主，雖然空氣吸入阻力沒有達到0.6 kPa的清洗標準，但根據(jù)現(xiàn)場檢修力量情況，也安排了對入口過濾器進行清洗的經(jīng)濟性檢修作業(yè)。壓縮機經(jīng)濟性檢修前后能耗對比見表3，從表3可知，經(jīng)檢修后的壓縮機能耗較之前有一定的下降，三臺設(shè)備平均單耗降低了2.12%。

表2 壓縮機經(jīng)濟性檢修前后能耗對比

取得的效果：通過逐步開展離心式空壓機經(jīng)濟性檢修工作，經(jīng)過對檢修前后設(shè)備的能耗進行對比，我們可以發(fā)現(xiàn)壓縮機平均能耗降低約2.35%。

3 總結(jié)

隨著時代的不斷進步，企業(yè)要想長期健康發(fā)展，在提高自身管理水平的同時降本增效力求設(shè)備能效提升也顯得尤為關(guān)鍵。當(dāng)前，很多壓縮氣體供應(yīng)企業(yè)，都試圖通過各種不同的途徑積極探究壓縮機能效提升。以上從優(yōu)化機組性能，提高壓縮效率、冷凝液精準排放，實現(xiàn)零氣損以及經(jīng)濟性檢修等幾個方面對離心式空壓機能效提升進行綜合技術(shù)攻關(guān)與探究，取得了良好的經(jīng)濟效果，為同行們對同類型設(shè)備能效提升改造積累了一定的實踐經(jīng)驗。