一臺空壓機節(jié)能降耗23萬元
——招金礦業(yè)河?xùn)|金礦雙級壓縮螺桿空壓機研究應(yīng)用成效顯著

特約撰稿人：劉連國 遲建龍 劉利波

螺桿空壓機情況介紹

螺桿空壓機具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠及操作方便等一系列優(yōu)點，因而自誕生之日起就受到工業(yè)界的廣泛關(guān)注。在歐、美、日等經(jīng)濟發(fā)達國家經(jīng)過多年的發(fā)展，螺桿空壓機在1～60m3/min 的流量和≤16kg/cm2的壓力范圍內(nèi)，幾乎完全取代了活塞空壓機，而其中99%以上是雙螺桿空壓機。

螺桿空壓機有單螺桿與雙螺桿兩種，設(shè)計上雙螺桿式空壓機更趨合理、先進。雙螺桿空壓機克服了單螺桿空壓機不平衡、軸承易損的缺點，具有壽命長，噪音低，更加節(jié)能等優(yōu)點。八十年代技術(shù)成熟后，其應(yīng)用范圍日漸擴大。螺桿式(即雙螺桿) 壓縮機具有一對互相嚙合、相反旋向的螺旋形齒的轉(zhuǎn)子。就目前的技術(shù)發(fā)展看，雙螺桿空壓機不但在技術(shù)上是先進的，而且在實際應(yīng)用中已經(jīng)完全成熟，得到了廣泛的應(yīng)用。單螺桿空壓機雖然在原理上有獨特之處，但由于在一些決定性的因素上存在不足之處，其產(chǎn)品仍有待進一步完善。

單螺桿空壓機起源于20 世紀(jì)60 年代，從名字上看，該種壓縮機的特征是只有一個螺桿轉(zhuǎn)子。但實際上，單螺桿空壓機卻有三根旋轉(zhuǎn)軸，即由一個螺桿轉(zhuǎn)子和兩個與螺桿轉(zhuǎn)子垂直的行星齒輪組成。單螺桿空壓機在工作原理上有自己的特點，既有良好的動力平衡性能，但其也存在一些難題，主要是星輪過早磨損，加上變形不均勻引起的嚙合精度難以保證，造成整機排氣量下降，機械穩(wěn)定性降低，因而故障率高，壽命短，應(yīng)用的經(jīng)濟性能差。

雙螺桿空壓機誕生于20 世紀(jì)30 年代，它是由一對平行布置相互嚙合的轉(zhuǎn)子和機殼組成。工作時，一個轉(zhuǎn)子按順時針轉(zhuǎn)動，一個轉(zhuǎn)子按逆時針轉(zhuǎn)動，在相互嚙合的過程中，空氣被壓縮到所需要的壓力，依靠運轉(zhuǎn)時容積的變化來吸入、壓縮和排出空氣，具有極簡單的機械結(jié)構(gòu)，極高的機械可靠性和優(yōu)良的動力平衡性，操作和維護也十分方便。

單螺桿和雙螺桿空壓機的優(yōu)缺點對比

1.力平衡方面

單螺桿空壓機：螺桿承受的徑向和軸向氣體力可以自動平衡，星輪齒承受氣體力，要求星輪齒具有足夠的強度和剛度。

雙螺桿空壓機：螺桿轉(zhuǎn)子承受較大的徑向和軸向氣體力，要求螺桿具有足夠的強度和剛度。

2.制造成本方面

單螺桿空壓機：螺桿和星輪軸承可選用普通軸承，制造成本較低。

雙螺桿空壓機：由于兩螺桿轉(zhuǎn)子負(fù)荷較大，要求選用精度較高的軸承，制造成本較高。

3.可靠性和運行成本方面

單螺桿空壓機：單螺桿空壓機星輪是易損部件，除對星輪材料有較高要求外，星輪還需定期更換，運行成本高。

雙螺桿空壓機：雙螺桿空壓機中沒有易損件，無故障運行時間可達4～8 萬小時，運行成本低。采用角接觸球軸承而沒有使用圓錐滾子軸承，提高了機器的可靠性。

4.效率方面

在新機狀態(tài)下，單螺桿和雙螺桿空壓機效率基本相同，但隨著運行時間增加，單螺桿壓縮機的星輪磨損將導(dǎo)致氣量減少和效率下降。

5.噪音和振動方面

雙螺桿空壓機的噪音和振動較單螺桿空壓機要小，采用兩級壓縮，降低了每次壓縮的壓縮比，大大降低了噪聲，特別是卸載噪聲。

6.加工設(shè)備方面

單螺桿空壓機：沒有成熟的專用加工設(shè)備，導(dǎo)致產(chǎn)品的性能不是很穩(wěn)定。

雙螺桿空壓機：已有成熟的螺桿專用銑床和磨床，可確保產(chǎn)品性能穩(wěn)定。

7.操作和維護方面

單螺桿和雙螺桿的操作幾乎相同，但是維護方面雙螺桿空壓機工作量較少，采用兩級壓縮，降低了每次壓縮的壓縮比，大大降低了每一級軸承的軸向負(fù)荷，提高了軸承壽命，延長了主機壽命。

8.適用性方面

單螺桿空壓機：適合用于高排氣壓力的場合。

雙螺桿空壓機：由于受到轉(zhuǎn)子剛度和軸承負(fù)荷方面的限制，只能用于中、低壓范圍，排氣壓力一般不能超過4.5Mpa。

技術(shù)指標(biāo)分析

空氣壓縮機能效考慮的三個技術(shù)指標(biāo)：排氣量、主電機服務(wù)系數(shù)和比功率

排氣量的定義：吸氣狀態(tài)的體積流量，立方米/分（m3/min）。

主電機的服務(wù)系數(shù)：電機允許連續(xù)運行的輸出軸功率與銘牌上的名義輸出軸功率之比。

比功率的定義：壓縮機機組的輸入功率除以壓縮機的排氣量，kw/m3/min，排氣量1 立方米/ 分所需要的機組的輸入功率。

判斷一臺螺桿式空壓機是否節(jié)能的重要標(biāo)準(zhǔn)就是“比功率”，即單位時間內(nèi)生產(chǎn)一立方壓縮空氣所需要的能耗，常用單位為：kw/m3/min。因而，雙級壓縮的螺桿式空壓機主要節(jié)能原理也是在如何降低比功率上進行技術(shù)革新。

常規(guī)的單級壓縮螺桿機轉(zhuǎn)子。單級壓縮機：進氣端進氣壓力為常規(guī)大氣壓力(以0 海拔為例) 約1bar，經(jīng)轉(zhuǎn)子壓縮至出口壓力(轉(zhuǎn)子排氣端)8bar，該壓縮過程的壓縮比為：8:1=8;即單級壓縮機的壓縮比(出口壓力為8bar) 機器為8。

雙級壓縮螺桿機轉(zhuǎn)子。雙級壓縮機：進氣端進氣壓力約為常規(guī)大氣壓力(以0 海拔為例)1bar，經(jīng)一級轉(zhuǎn)子壓縮至出口壓力(一級轉(zhuǎn)子排氣端)3.15bar(該壓力為二級轉(zhuǎn)子的入口壓力)。一級轉(zhuǎn)子壓縮過的壓縮空氣再進入二級轉(zhuǎn)子提升壓力至所需要的8bar 出口壓力(二級轉(zhuǎn)子端的排氣壓力)。一級低壓轉(zhuǎn)子的壓縮比為：3.15:1=3.15;二級高壓轉(zhuǎn)子端的壓縮比為：8:3.15 ≌ 2.54 即二級端的壓縮比(出口壓力為8bar) 大約為2.54。雙級壓縮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的最高壓縮比(8bar 機器為例) 為3.15。

由此得出，同單級壓縮螺桿機相比，出口壓力同樣為8bar 的機器，雙級壓縮螺桿機的壓縮比不到單級壓縮螺桿機的50%。

如同其它流體一樣，壓縮空氣一樣遵循從高壓端向低壓端的自然回流，壓縮比越高，回流泄露量越大。與同功率，同等排氣壓力的單級壓縮螺桿機相比，雙級壓縮螺桿機的壓縮比低，這就確保大大降低了回流泄露量，排氣流量大大提高，意味著效率提升，即比功率的降低。這就是雙級壓縮螺桿機的節(jié)能原理核心所在。

在同等裝機功率，同等排氣壓力的情況下，相比于單級壓縮螺桿機，雙級壓縮螺桿機的節(jié)能比例在7%～13% 左右，即最低節(jié)能保證在7% 以上。該系列機器已為國內(nèi)眾多大型用戶使用并驗證。

雙級壓縮螺桿空壓機節(jié)能效果顯著的原因

等溫壓縮。 由于一級壓縮時的壓縮過程的冷卻不完善性，雙級常壓有完善的級間冷卻設(shè)計和二級壓縮過程的冷卻的完善性。相比于單級壓縮，兩級壓縮趨近于最省功的等溫壓縮，從原理上，兩級壓縮比單級壓縮節(jié)能5%～8%。

a.曲線12′ 3′為等溫壓縮過程，與縱坐標(biāo)形成的面積613′ 4 為等溫壓縮的指示功。

b.曲線123″為一級實際壓縮過程，與縱與縱坐標(biāo)形成的面積613″ 4 為一級壓縮的指示功。

c.曲線12、22′、2′ 3 為兩級實際壓縮過程，與縱坐標(biāo)形成的面積 6125 和 52′ 34 之和（6122′ 34）為兩級壓縮的指示功。

d.由圖示可以看出，等溫壓縮過程613′4 面積（指示功）最小，但在壓縮機實際壓縮過程中無法做到等溫壓縮。

e.一級壓縮比等溫壓縮多出了13′3″1 面積的功率，而兩級壓縮則比一級壓縮節(jié)省了22′ 33″面積的功率。

相關(guān)工藝參數(shù)優(yōu)化。

a.第一級、第二級的吸、排氣孔口均經(jīng)過優(yōu)化（6bar、7bar、8bar、10bar、13bar 的主機均不相同）。

b.潤滑油總噴射量經(jīng)過優(yōu)化。

c.噴入各處的油量分配經(jīng)過優(yōu)化。

d.機體回油經(jīng)過優(yōu)化，齒輪箱潤滑油回至一級機頭第一個轉(zhuǎn)子嚙合密封槽內(nèi)，提高了機組的容積效率，降低了機組的軸功率。

高效的螺桿轉(zhuǎn)子型線。世界最高效率的型線：一級轉(zhuǎn)子型線：Y-1 二級轉(zhuǎn)子型線：Y-2。

1級節(jié)能+2級節(jié)能=節(jié)能的平方

兩級壓縮降低了每一級的軸承載荷，使用角接觸球軸承而沒有使用圓錐滾子軸承。

一級及二級螺桿轉(zhuǎn)子均運行在最佳齒頂速度。

兩級壓縮過程的冷卻設(shè)計非常完善。經(jīng)過一級壓縮后，冷卻劑會通過機體上的多個噴射孔，形成霧狀噴射簾，對熱的壓縮空氣進行近乎完美的冷卻，大大降低了進入二級壓縮階段前的壓縮空氣溫度，級間長通道冷卻，充分霧化,起到趨近等溫壓縮過程、節(jié)約壓縮所需能量的效果。

實施方案

測試現(xiàn)場選在河?xùn)|金礦采礦一車間空壓機房，該空壓機房配備同型號的SAC132 空壓機4 臺，用電計量為全新的江蘇林洋多功能電度表，互感器變比相同，變比均為400/5。

將在用1#空壓機換為開山JN 雙級壓縮空壓機，與4#單級壓縮空壓機作對比。在兩條排氣管路上安裝渦街流量傳感器（LUGB-2048），兩臺空壓機的加載壓力設(shè)定到0.65Mpa，卸載壓力設(shè)定到0.72 Mpa，同時記錄排氣量和耗電量，計算出排氣單耗，便于對兩種空壓機之間的節(jié)能性做出公平、合理的評價。

1.兩種空壓機具體參數(shù)對比。

(1)4#空壓機主要參數(shù)：型號：SAC132，電機功率：132KW，銘牌排氣量：22 立方/min，額定排氣壓力：0.85Mpa，設(shè)備出廠時間：2005 年5 月；

(2)1#空壓機主要參數(shù)：型號：JN90-20，電機功率：90KW，銘牌排氣量：19.5 立方/min，額定排氣壓力：0.8Mpa，設(shè)備出廠時間：2014 年10 月。

2.具體測量時間為：2014 年12 月1 日至12 月5 日，共計5 天。

3.具體測量數(shù)據(jù)如下：

河?xùn)|金礦采一車間1 號4 號空壓機對比情況如下：

4.兩種空壓機耗電量計算：

1#空壓機耗電量：（60.37-10.65）×80=49.72×80=3977.6KWh

4#空壓機耗電量：（7 7.5 8-6.4 4）×80=71.14×80=5691.2 KWh

5.兩種空壓機排氣量計算：

1#空壓機排氣量：129824-86287=43537m3

4#空壓機排氣量：92790-51970=40820m3

6.兩種空壓機排氣單耗計算：

1#空壓機排氣單耗：3977.6÷43537=0.09134KWh/m3

4#空壓機排氣單耗：5691.2÷40820=0.13942 KWh/m3

7.排氣電費計算（電單價按照0.66 元/kwh）。

1#空壓機排氣電費：0.09134 ×0.66=0.06028 元/m3

4#空壓機排氣電費：0.13942×0.66=0.09202 元/m3

8.綜合節(jié)能效果對比。

節(jié)電量：0.13942-0.09134=0.04808 KWh/m3

節(jié)電費：0.09202-0.06028=0.03174 元/m3

節(jié)電率：0.04808÷0.13942 ≈0.3448×100%=34.48%

9.最終結(jié)果。

雙級壓縮空壓機比單級壓縮空壓機每產(chǎn)生1m3壓縮空氣節(jié)約電量0.04808 KWh，節(jié)約電費0.03174 元，節(jié)電率達34.48%，節(jié)能效果顯著，極具推廣價值。

實施后的效果：一臺空壓機年節(jié)電23 萬元

由于礦山企業(yè)在用的空壓機使用數(shù)量多，因此全面使用節(jié)能性能高的雙螺桿空壓機極具推廣價值，一臺空壓機可節(jié)電23.12 萬元，全部更換雙螺桿壓縮空壓機我礦年可節(jié)省電費支出近300 多萬元，節(jié)能效果顯著，符合當(dāng)前國家在節(jié)能減排方面的方針政策。雙級壓縮螺桿空壓機不論在性能可靠性、維護量、節(jié)能方面都擁有無可比擬的優(yōu)勢，在工業(yè)用電量占比達75%的社會總用電量，做好工礦企業(yè)的節(jié)能工作就顯得尤為重要。另外空壓機在重、輕工業(yè) 、礦山、水電、海港、工程建設(shè)、油氣田、鐵路、交通、船舶制造、能源、軍工等行業(yè)也有大量使用，因此對雙級壓縮螺桿空壓機的研究和應(yīng)用具有很大的價值。

無論是從政府對企業(yè)的要求，還是企業(yè)自身發(fā)展的需要，節(jié)能降耗已經(jīng)是企業(yè)必走之路，是企業(yè)的生存之本，招金礦業(yè)作為山東省千家重點用能企業(yè)，樹立一種“點點滴滴降成本，分分秒秒增效益”的節(jié)能意識，多年來公司一直重視科技創(chuàng)新，節(jié)能降耗工作，通過采用技術(shù)改造、四新技術(shù)等措施來實現(xiàn)節(jié)能效益的最大化，用技術(shù)革新、科技進步、時代發(fā)展的手段更新淘汰舊的、高耗能的設(shè)備，達到節(jié)能的目的，實現(xiàn)資源利用效率最大限度提高。技術(shù)進步與創(chuàng)新是建設(shè)節(jié)約環(huán)保型企業(yè)的動力源泉，開發(fā)和建立“節(jié)約環(huán)保型”企業(yè)的關(guān)鍵是技術(shù)體系，不斷提高資源利用效率，以創(chuàng)新促發(fā)展，能夠?qū)⒓夹g(shù)創(chuàng)新、節(jié)能減排、企業(yè)效益結(jié)合起來，達到經(jīng)濟、社會的協(xié)調(diào)發(fā)展。