螺杆式空气压缩机节能改造

时间：2024-08-31

郝继运，南海凤，潘显明

(莘县华祥盐化有限公司，山东聊城 252429)

在石油化工生产过程中，常常用到大量的压缩空气，来满足工艺、设备、安全等的需要，如管道吹扫、物料输送、正压通风、气体置换、搅拌、仪器仪表的执行等等。螺杆式空气压缩机(以下简称“空压机”)是为工厂中各个生产现场提供压缩空气的设备，通过螺杆等机构将从外界吸入的常压空气进行压缩，存贮于压力容器中，通过管路送至生产现场供使用。

1 螺杆式空压机工作、控制原理

1.1 工作原理

在电动机的拖动下，一对相互平行啮合的阴阳转子(也称螺杆)在气缸内转动，使转子齿槽内的空气周期性的产生容积变化，空气则沿着转子轴线由输入侧送到输出侧，从而实现空压机的吸气、压缩和排气的全过程。阴阳转子固定在一个容腔内，里边充满润滑油，起润滑和传热的作用。

1.2 控制原理

空压机的控制过程如下：按下启动按钮，空压机在进气阀门关闭的情况下启动，开始加载运行，系统压缩空气压力逐渐升高，当升高到设定压力上限值时，进口阀门关闭，压缩机空载运行(也叫卸载模式)。随着生产现场空压气用量增加，系统压力下降，当下降到空压机压力设定值下限时，进口阀打开，空压机开始加载运行。如此周而复始地工作。

2 空压机运行现状

(1)在实际生产过程中，为了保证空压气稳定的压力和流量，减少波动，一般增设空气缓冲罐。同时，为了保证远距离输送到生产现场时仍满足用气压力的要求，还要考虑管道压降，一般空压机压力设定值高于实际使用值0.1～0.2 MPa。

(2)空压机运行过程中，电能转化为机械能，机械能转化为热能。在机械能转化为热能的过程中，空气被压缩，温度升高，放出热量，同时螺杆等机械摩擦，也产生一定热量。

据测算，以上两部分热量相当于空压机输入能量的80%左右。为维持设备正常运行，必须对空压机进行降温，这部分热量就通过风机被排放到大气中。在空压机厂房内，特别是夏季，因为热量排放量大，室内温度升高，须额外增加机械排风设施，才能满足空压机运行需要，严重影响空压机出力，造成能耗损失。

(3)实际生产过程中，企业根据用气量的多少、生产重要程度、空压气的用途等情况，选择多台空压机或增加备机，这样会出现多台空压机并列运行的情况。多台空压机并列运行时，每台空压机根据各自设定的压力范围，周而复始地进行加载—卸载—加载—卸载的操作。这种工作状况下，每台设备各自为政，既不便于统一管理，出现压力传感器故障，还会造成各空压机运行负荷不均衡；此外，如果空压机压力范围设定值窄，会造成空压机频繁加载—卸载运行，造成电网和空压气系统压力波动；如果压力范围设定值宽，会造成空压机运行时间延长，即便卸载运行时，电动机不停止工作，仍然工频运行，运行电流接近电动机额定电流的50%，造成电能浪费。

3 降低能耗的改造方案

可以从以下几个方面进行改造，以降低空压机运行过程中的能耗。

(1)根据生产现场所需的空压气实际压力，降低空压机压力设定值，达到节约电能的目的。研究表明，空压机出口压力每降低0.1 MPa，可以减少7%电能消耗。该方法简单明了，不需要任何投资，见效快，各企业可以根据自身情况，摸索数据，进行及时调整。

(2)对空压机系统进行改造，增加余热回收装置，以热水的形式回收利用压缩热，回收效率最高可达空压机功率的70%左右，回收热水温度可达60 ℃(进水温度20 ℃)。此方案须结合各企业空压机运行情况及功率大小，由余热回收装置供货厂家进行现场测试，出具具体改造方案，计算具体节能量。通过以上余热回收装置，可以降低热量排放量，节约电能。

(3)根据空压机工作原理可知：降低电动机转速可以使单位时间内的进气量相应下降，压缩机做功减少，电动机运行电流下降，从而达到减少电能的目的。此方案可以通过增加变频器来实现。压缩机在变频器拖动下，根据空压机出口设定的压力值，及时调整电动机转速，减少电能消耗。

使用变频器进行调速，还有以下优点：变频器可以实现软启动，减少加载时启动电流过大对电网的冲击；设定压力是一个值，而不是一个范围，控制准确，压力波动小；在控制器控制下，根据压力变化，及时调整压缩机运转速度，没有加载—卸载的明显转化过程，减少了对设备的冲击，延长设备使用寿命。

(4)增加空压机集中控制系统的工作原理：通过传感器和通信网络实时监测空压气系统的输出压力、用气量和各项运行参数，根据控制系统的精准计算，实现空压气高质量按需输出，满足生产需要。

优点如下：降低电能成本，可以使压缩机组运行在较小的压力设定范围内，提高气压稳定性，降低电能消耗；实现多台联控，根据设定程序，按顺序启动、停止任何一台空压机，当一台出现故障时，自动启动备用设备，降低生产风险；优化各台空压机运行时间，使每台空压机都在最佳状况下运行，提高运行效率；根据生产情况，及时修改压力控制值，适应不同的生产需要(如开停车和正常生产时用气量不同，可采取不同的控制值)，实现精准控制，降低电能消耗；运行参数集中管理，实时了解各台空压机运行情况，不用频繁去现场抄表，提高自动化管理水平。

(5)在用气量变化大的生产场所，可以采用工频+变频的运行方式，节能更加显著。正常生产时，某几台空压机并列运行，受控于节能控制系统集中管理；气量变化时，及时启动变频控制空压机，快速、精准地保证用气压力。变频调节系统节能量一般可以达到10%～30%(跟空压机负荷有关)。

4 节能效益分析

4.1 空压机运行状况

(1)莘县华祥盐化有限公司(以下简称“华祥盐化”)现有空压机10台，正常生产时运行3台，装机容量总功率700 kW(8#机200 kW,7#机250 kW ，10#机250 kW)，设定空压机出口压力范围0.6～0.8 MPa，空压机满载运行，空压气缓冲罐压力可以达到0.65 MPa。当生产用气量加大，造成压力降低时，人工启动第4台备用空压机(最小功率为3#机，120 kW)，满足生产需求。

(2)华祥盐化生产现场直接用空压气的装置不多，空压气主要用在空压制氮和仪表气。

生产装置现场气动执行机构需要的仪表气压力达到0.5 MPa就能满足调节阀要求。根据实测数据，到达氯乙酸车间时仪表气压力为0.63 MPa(其他距离较近的车间也能达到要求),从仪表气使用角度考虑，空压气设定压力过高，余量大，可以降低0.1 MPa的设定压力。

空压气的另一个用途是制造氮气，制氮机产气量跟进制氮机的空压气压力成正比，但降低空压气压力将会影响制氮量。根据工艺需要，氯乙酸车间、氯丙烯车间需要的氮气压力为0.45 MPa，烧碱车间需要的氮气压力仅为0.1 MPa。因此，从氮气使用角度考虑，空压气设定压力也可以降低0.1 MPa。

根据以上空压气的两种用途及现场运行情况分析可知，在满足生产需求的情况下，华祥盐化空压机设定压力值可以降低0.1 MPa，仍能满足生产需要。