雙級壓縮技術(shù)在節(jié)能改造中的應(yīng)用

成強 周靜

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院

引言

用于產(chǎn)生壓縮空氣的壓縮機是工業(yè)企業(yè)的重點耗能設(shè)備，具備節(jié)能潛力。在空壓機的使用成本中（如圖1），設(shè)備購置成本僅占5%，維護成本占18%，電費占到了驚人的77%，實施壓縮機節(jié)能將會顯著降低壓縮機的使用成本。壓縮機耗電量占主要工業(yè)設(shè)備耗電量的15%，全國壓縮機每年耗電量約為2500億千瓦時。按照全國壓縮機平均節(jié)電15%，平均電價0．65元計算，每年將創(chuàng)造節(jié)能效益244億元，市場前景廣闊。

圖1 空壓機使用成本組成

空壓機系統(tǒng)是制造行業(yè)的生產(chǎn)輔助設(shè)備或動力設(shè)備，其能源消耗達到企業(yè)總能耗的10～60．66%?？諝鈮嚎s機老舊、使用年限較長致使主機磨損，螺桿間隙增大在壓縮空氣的過程中空氣泄漏同樣增大，以至于排氣量降低、導致設(shè)備利用率低下，單級壓縮螺桿空氣壓縮機組，輸入比功率較高而利用率低，不屬于國家節(jié)能認證設(shè)備。隨著社會的發(fā)展、科技的進步、機械加工設(shè)備的改良及加工精度的提高，社會及企業(yè)對節(jié)能產(chǎn)品追求，代表最新技術(shù)的雙級壓縮機體應(yīng)運而生。同功率壓縮機體，雙級壓縮機體效率比單級壓縮機體效率高15%（如單級壓縮為舊機體，則效率更低，壓縮效率將遠大于15%）。

1 雙級壓縮工作原理及優(yōu)點

雙級壓縮就是把一級壓縮轉(zhuǎn)子和二級壓縮轉(zhuǎn)子組合在一個機殼內(nèi)（如圖2），并分別通過斜齒輪直接傳動。自然空氣通過空氣過濾器進入第一級壓縮，在壓縮腔與少量潤滑油混合，同時將混合氣體壓縮到級間壓力。壓縮后的氣體進入冷卻通道，與大量油霧接觸，從而大大降低了溫度。降溫后的壓縮氣體進入第二級轉(zhuǎn)子，進行二次壓縮，被壓縮到最終排氣壓力。最后通過排氣法蘭排出壓縮機，完成整個壓縮過程。

圖2 空壓機雙級壓縮示意圖

根據(jù)工程熱力學理論，空壓機在壓縮過程中等溫壓縮最省功。（溫度高的時候氣體的密度越低，壓縮需要用的功就多）。不僅如此，等溫壓縮不但可以減少消耗的功，還能降低壓縮后氣體的溫度，使空壓機材料的使用更為寬廣和經(jīng)濟，使空壓機的運行更為可靠。但是等溫壓縮，就要使氣體熱量隨時與外界交換，氣體溫度與外界相等，在實際工作中是不可能實現(xiàn)的。而通過分級壓縮加中間冷卻是降低排氣溫度的有效方法。一級壓縮機體具有冷卻的不完善性，雙級壓縮的機體有完善的級間冷卻設(shè)計和雙級壓縮過程中的冷卻的完善性。

此外，兩對轉(zhuǎn)子同時做功，打氣速度快，出氣量大，這點是單級無可替代的優(yōu)勢。而且由于雙級壓縮，每級的壓縮比較單極壓縮要小很多，轉(zhuǎn)子和軸承受到的壓力小，再加上轉(zhuǎn)子直徑大、轉(zhuǎn)速低，所以運行更可靠。雙級壓縮機體每級壓縮比降低，所以轉(zhuǎn)子間的壓縮空氣泄漏大為降低，提高了機體的容積效率。雙級壓縮機體均引入軸向進氣設(shè)計，充分利用了螺桿的有效長度，使壓縮效率最佳化，也減少了徑向不平衡力，提高了部件的壽命，也顯著降低了運行噪音。雙級壓縮機體采用了最新的高效轉(zhuǎn)子型線設(shè)計，降低了每一級的轉(zhuǎn)子軸承載荷。一級和二級螺桿的轉(zhuǎn)子均運行在最佳的齒頂速度。同等功率的電機做工產(chǎn)生的出氣量來說，雙級普遍比單級高13%-15%，相當于90kW的一臺雙級壓縮空壓機同等能耗下能產(chǎn)出一臺110kW單級壓縮空壓機的氣量。

2 空壓機現(xiàn)場節(jié)能改造方案及節(jié)能效果分析

2.1 空壓機節(jié)能改造方案

我們對鎮(zhèn)江鎮(zhèn)鈦化工有限公司現(xiàn)場進行了改造，并對改造前后分別進行了數(shù)據(jù)測試，以進氣口能效分析儀進行檢測后，依據(jù)壓力溫度進行換算回吸氣狀態(tài)風量，并同時測量相應(yīng)能耗。該公司4臺132 kW空壓機有改造潛力，空壓機型號均為復盛SA132W機型，日常生產(chǎn)，24小時運行。分別將4臺空壓機的主機進行改造，主機均采用雙級壓縮機頭，采用110 kW電機并更換輔助零部件。增加1臺變頻柜，減少低峰用氣時間的空車損耗，保證空壓站的壓力恒定，降低不必要的高壓造成的能源浪費。為了對空壓機進行集中控制，增加1臺聯(lián)控箱。

2.2 改造前后測試數(shù)據(jù)分析

改造前4臺132 kW單極壓縮空壓機測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 改造前測試數(shù)據(jù)

改造后4臺110 kW雙極壓縮空壓機測試數(shù)據(jù)見表2。

采用110 kW電機，雙級壓縮主機，產(chǎn)氣量為更高，功耗降低，相同排氣量情況，比原機省電，相同耗電情況下產(chǎn)氣更多。

表2 改造后測試數(shù)據(jù)

2.3 改造投資收益分析

根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)估算，改造前，原有空壓機4臺同時開啟，總產(chǎn)氣量為92．3 m3/min，總功耗為643．6 kW。改造后，4臺雙級壓縮空壓機開啟，總產(chǎn)氣量為110．9 m3/min，總功耗為498．9 kW，氣量增加了18．6 m3/min，功耗減少144．7 kW。以每年運行6000小時，電費為0．65元/度計算，每年節(jié)約功耗144．7×6000=86．82萬度，每年節(jié)約電費86．82×0．65=56．43萬元。

改造前每立方米功耗為 643．6/92．3=6．97 kW/(m3/min)，若考 慮 增加 的 氣量約 為 110．9-92．3=18．6 m3/min，按 目 前 比 功 率 耗 功 6．97 kW/(m3/min)，運行6000h，電費0．65 元/度計算，增加氣量年節(jié)?。?．97×18．6×6000×0．65=50．56萬元/年，相當于每年節(jié)約電費56．43萬元+50．56萬元=106．99萬元。

該項目預計總投資100萬元(其中包括4臺雙級壓縮主機、4臺110 kW電機，1臺變頻柜和聯(lián)控箱)，投資回收周期為1年。

3 結(jié)語

隨著空壓機技術(shù)的不斷發(fā)展，雙級壓縮技術(shù)已經(jīng)在空壓機行業(yè)中占據(jù)了主導地位，尤其在節(jié)能領(lǐng)域的成就日益顯現(xiàn)，在采用雙擊壓縮技術(shù)后，越來越多的空壓機能達到一級能效，成為未來空壓機行業(yè)的一個重要發(fā)展方向，在實現(xiàn)節(jié)能的同時帶來了良好的經(jīng)濟效益。