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空壓機節(jié)能途徑及應(yīng)用淺議

  【壓縮機網(wǎng)】2021年4月16日,習(xí)近平總書記在同法國德國領(lǐng)導(dǎo)人舉行視頻峰會時指出:中國將力爭于2030年前實現(xiàn)二氧化碳排放達(dá)到峰值、2060年前實現(xiàn)碳中和,這意味著中國作為世界上最大的發(fā)展中國家,將完成全球最高碳排放強度降幅,用全球歷史上最短的時間實現(xiàn)從碳達(dá)峰到碳中和,這無疑將是一場硬仗。

  在此背景下,空壓機系統(tǒng)能耗高的問題逐漸凸顯,對空壓機節(jié)能技術(shù)也提出了新要求。空壓機系統(tǒng)能耗問題主要體現(xiàn)在:1.空壓機設(shè)備能耗高;2.主機泄露嚴(yán)重;3.壓力損失大(例如:輸氣管道壓力損失等);4.布局不合理;5.缺乏動態(tài)調(diào)節(jié);6.缺乏能量回收利用方案。

  一、空壓機節(jié)能三大途徑

  大家一直在講節(jié)能,究竟如何節(jié)能?主要的途徑有3個:一是提高電能利用效率;二是高效驅(qū)動器;三是降低主機比功率。

  途徑一:提高電能利用效率

  策略1:降低無功損耗

  我們做節(jié)能,就要把每一個環(huán)節(jié)做到應(yīng)節(jié)盡節(jié),不要忽略可利用的機會。眾所周知,西電東輸就是利用高壓輸電技術(shù),為什么不用低壓?因為用低壓輸電損耗太大了。所以提高電能利用率的策略之一就是降低無功損耗,解決方案是去掉變壓器改用高壓電機。畢竟,10kV轉(zhuǎn)380V變壓器的無功損耗還是比較嚴(yán)重的。當(dāng)然,針對小功率空壓機,不推薦使用6kV或者10kV以上的電壓,推薦在200kW以上功率段使用。

  策略2:降低線路損耗

  解決方案:高壓輸電

  傳輸電力用的電纜也會耗電。空壓機在運行的過程中,我們?nèi)y量電纜溫度會發(fā)現(xiàn)電纜是熱的。它的熱量是哪來的?一定是電能轉(zhuǎn)換來的。但是高壓機由于傳輸電流很小,電纜基本不會發(fā)熱。

  提高電能利用效率的策略總結(jié)起來就是通過使用高壓電的方式提高電能利用率。

  途徑二:高效驅(qū)動器

  通常電機的節(jié)能方式就是變頻,因此空壓機行業(yè)近十年的潮流就是用永磁變頻技術(shù)提高壓縮機的能效水平。永磁變頻有兩個好處,一是它可以通過省去勵磁過程來降低損耗;二是它可以隨氣量的變化進(jìn)行動態(tài)調(diào)控。因此,途徑二的核心就是利用永磁變頻技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能。

  途徑三:降低主機比功率

  據(jù)筆者在上海國際壓縮機及設(shè)備展會上的觀察,現(xiàn)在還有很多單級壓縮的機器。單級壓縮的效率較低,所以我們要提高壓縮效率,一是減少齒間泄露,二是盡可能地去采用接近等溫壓縮的方式,提升壓縮效率。所以,采用兩級壓縮技術(shù)很有必要。

  綜上所述,這三條途徑分別對應(yīng)空壓機行業(yè)三大節(jié)能技術(shù),分別是高壓、永磁變頻和兩級壓縮,所以就會誕生一個產(chǎn)品叫做高壓永磁變頻雙級壓縮機。

  二、三大途徑節(jié)能原因分析

  1.為什么要用高壓電?

  負(fù)載損耗:變壓器每天的損耗=(空載損耗+負(fù)載損耗×負(fù)荷率的平方)×24

  空載損耗:當(dāng)變壓器二次繞組開路,一次繞組施加額定頻率正弦波形的額定電壓時,所消耗的有功功率稱空載損耗。

  用高壓電和用低壓電的區(qū)別到底有多大?我們來假設(shè)一個數(shù)據(jù),用常見的800kVA變壓器來舉例。客戶有可能會是一個2000kVA、3150kVA,甚至更大的變壓器,我們來看一下800kVA變壓器的損耗有多少。

  以800kVA干式變壓器的損耗為例,變壓器的負(fù)荷率在50%,則一天的耗電量為:

  800kVA干式電力變壓器空載損耗有1160W,一個月約為24×30×1.16=835.2度電。

  800kVA干式電力變壓器負(fù)載損耗有5220W,一個月約為24×30×5.22=3758.4度電。

  空載損耗即不變損失,與通過的電流無關(guān),但與元件所承受的電壓有關(guān)。

  空載損耗就是只給變壓器上著電,后面沒有任何負(fù)載,此時僅變壓器耗電。它的空載損耗有大約1160瓦,一個月就可以給耗掉800多度電,而這800多度電是被白白浪費掉的。在負(fù)載的時候,變壓器的損耗能達(dá)到5000多瓦,此時一個月會白白浪費掉3700多度電。

  高壓機會不會有這種損耗呢?也會有。比如在它的上級變壓器,像35kV、110kV、220kV變10kV的時候也有損耗。但是損耗少了10kV變380V這一部分,所以也會少損耗一部分電能。

  2.為什么使用永磁同步電機?

  永磁電機為什么節(jié)能?普通的異步電機定子線圈通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,磁場切割轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子產(chǎn)生交變電流,該電流產(chǎn)生磁場,定子磁場帶動轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)動。這個過程中轉(zhuǎn)子在耗電,因為轉(zhuǎn)子本身是沒有磁性的,它的磁場能量是通過吸收電網(wǎng)的電能而來。而永磁變頻同步電機,由于轉(zhuǎn)子永磁體自帶磁場,當(dāng)電機定子線圈通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,定子旋轉(zhuǎn)磁場可直接帶動轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)動,這樣就省去了一個勵磁的環(huán)節(jié)。

  永磁電機的效率和功率因數(shù)隨負(fù)載率及轉(zhuǎn)速的變化不大,而普通異步電機的效率和功率因數(shù)隨負(fù)載率及轉(zhuǎn)速的變化非常大。

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  3.變頻控制的節(jié)能原理

  異步電機在低負(fù)荷的時候效率會很低,所以永磁電機更適合進(jìn)行調(diào)控。從不同類型電機效率對比圖可以看出,功率因數(shù)相差很多。

  4.恒壓供氣

  恒壓供氣這個道理大家都明白,但是大家在做的時候有一些差異。例如:客戶要的是8kgf機型,不代表客戶就需要8kgf恒壓供氣,如果壓縮機按8kgf恒壓供氣,這樣就比較浪費能源。調(diào)試是要把壓縮機調(diào)整到客戶的最佳使用狀態(tài),而不是把壓縮機調(diào)成出廠狀態(tài)。所以調(diào)試這個環(huán)節(jié)很重要,需要把壓力調(diào)整到客戶真實需求的壓力狀態(tài),即空壓機工作的最佳工況。

  空壓機壓力不需要調(diào)很高,因為太高了客戶沒有用途,只要滿足客戶的需求即可,省去了原來加卸載的過程,省去了下圖中黃色陰影區(qū)域多余的這部分壓力,那這部分功就不用做了,所以就節(jié)省了電費。

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  5.雙級壓縮更趨近于等溫壓縮

  看上邊這個PV圖,在吸氣-壓縮-排氣這個過程中,單級壓縮是從a點直接壓縮到c點,然后進(jìn)行排氣;如果是雙級壓縮會從a點壓縮到b點,然后進(jìn)行一次熱交換后走到f點,最后從f點進(jìn)開始第二級壓縮走到d點。綠色區(qū)域這部分功就是要省下來的,這也是雙級壓縮節(jié)能的核心原理。

  我們看一下效率對比,一般情況下,8kgf機型,單級壓縮的比功率不低于7,做到7以下比較困難。如果用雙級壓縮的形式,可以做到6以下。

  6.減少主機內(nèi)泄漏

  主機泄漏為什么會耗能?因為壓縮空氣是一種轉(zhuǎn)化率比較低的能源,好不容易壓縮出來的壓縮空氣,通過泄漏三角形又回到了起點,導(dǎo)致壓縮效率降低,這是很大的浪費。

  如何去降低泄露?那就要減小這個泄露三角形的面積(見下圖右圖),這也是我們提高空壓機效率的一個重要手段。當(dāng)然,現(xiàn)在隨著中國機加工技術(shù)崛起,主機的精度得到了大幅提高。

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  那要如何進(jìn)一步降低泄露損失?這就要用到兩級壓縮。從第二級出口泄露到第一級進(jìn)口,中間有一個壓力差,壓縮氣體無法直接回到進(jìn)口,它會在級間有個膨脹過程,當(dāng)它膨脹之后體積變大了,再通過第一級泄露的時候,泄漏量一定會變小。這也是兩級壓縮為什么比單級更節(jié)能的另外一個原因。

  7.管路優(yōu)化,降低壓力損失

  經(jīng)過上述這么多的節(jié)能方式介紹,我們再來看一下壓縮機外圍的一些節(jié)能手段:

  ·使用最少的彎頭、最大化使用直管,最大程度減小壓力損失,提升空壓機效率;

  ·通過改進(jìn)氣控技術(shù),實現(xiàn)空壓機輕載啟動,提升設(shè)備運行穩(wěn)定性;

  ·使用管路多級密封卡套,通過三級密封保證管路密封的可靠性,防止管路泄露;

  ·優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)管路,降低吸氣壓損;

  ·油分采用二次回油控油設(shè)計,減少壓縮空氣浪費;

  ·提高油氣桶粗分離效果,可以有效減少油分芯的壓力損失。

  (1)在設(shè)計過程中盡可能少的使用彎頭,最大化的采用直管設(shè)計,或者是彎一個弧度比較大的彎管,能用90度就不用180度,能用45度的就不用90度,能做直管就不用45度的彎頭。另外,可以加大管徑。加大管徑會降低流速,把壓力損失盡可能的做到最小。

  (2)要通過控制技術(shù)讓壓縮機啟動更容易,因為壓縮機的啟動電流很大。永磁變頻會讓空壓機休眠,在需要頻繁啟動時,它的電耗就會大大提高。

  (3)康普斯三級管路密封技術(shù),可有效防止管路泄露。

  (4)優(yōu)化進(jìn)氣管路,降低吸氣壓損。主機有兩個重要系數(shù):吸氣溫度系數(shù)和吸氣壓力系數(shù)。想要做好這兩個系數(shù),就要做到合理布局。

  一是合理設(shè)計空濾安裝位置,使空濾吸入冷空氣,從而改善吸氣溫度系數(shù),降低能耗;二是降低進(jìn)排風(fēng)阻力,可以改善吸氣壓力系數(shù),同時也有利于提高散熱器的散熱效率,減小風(fēng)機電機功耗;三是完整的冷熱交換循環(huán)更符合冷氣從下部進(jìn),熱氣從上部排出的原理。

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  (5)二次回油的控油設(shè)計,控制回油量,油分流入機頭的盡可能都是螺桿油,而不是壓縮空氣。

  (6)需要把油氣桶的分離效果做好。為什么油氣桶的效果做好會節(jié)能,這一點大家可能不理解。我們這樣做一個假設(shè),當(dāng)油分芯一直處于飽和過濾油的狀態(tài),阻力一定是大的。有人會說,油分廠家生產(chǎn)的油分不好,壓力損失比較大。這個說法有時候是真的,確實是油分芯不達(dá)標(biāo)。但是還有一些情況,可能是油氣桶設(shè)計的不是很好,因為有大量的油霧需要進(jìn)行過濾,所以壓力損失很大。我們要盡可能的把更多的油用油氣桶分離掉,降低油分的壓力損失,從而獲得節(jié)能。

  三、節(jié)能技術(shù)在康普斯壓縮機產(chǎn)品上的應(yīng)用

  1.防爆永磁變頻技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下用變頻空壓機:①相較傳統(tǒng)空壓機啟動沖擊小,運行可靠;②變頻控制減少電能浪費;③體積更小,更適合井下狹小的空間。

  2.高壓永磁變頻技術(shù):①省掉了低壓變壓器,減少了變壓器輸電損失,電能利用率高;②內(nèi)置變頻系統(tǒng)實時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,減少用氣波動造成的電能損失;③啟動電流小,降低電網(wǎng)沖擊,使用更安全。

  3.永磁變頻干式無油螺桿機:①轉(zhuǎn)子采用超級涂層,防止因磨損造成的泄漏,保證穩(wěn)定持久的運行性能;②可靠的冷卻系統(tǒng)有效降低壓縮機功耗,提高主機效率;③變頻調(diào)控,更寬的氣量適應(yīng)范圍。

  永磁高速變頻離心式壓縮機:①獨有的加工工藝制造出更高效的一次成型葉輪,提高壓縮效率;②采用三元流葉輪設(shè)計,使氣體流動效率更高;③搭載高速永磁同步電機,用最小的能耗達(dá)到更好的效果。

  以上是筆者關(guān)于空壓機節(jié)能的一些分享,希望對行業(yè)發(fā)展進(jìn)步有所助益!

來源:本站原創(chuàng)

標(biāo)簽: 空壓機節(jié)能途徑  

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