【壓縮機(jī)網(wǎng)】如果不能明顯降低能耗水平，當(dāng)前的資源和環(huán)境可能無法承受。因此“節(jié)能減排”在“兩會”上發(fā)出了最強(qiáng)音；從中央到地方，從政府到企業(yè)都已經(jīng)將節(jié)能減排納入重要的議事日程。

 

 

　　1、前言

 

　　近幾年，在全國范圍內(nèi)持續(xù)發(fā)生大規(guī)模霧霾，污染嚴(yán)重，習(xí)主席在視察時親自過問。嚴(yán)重的環(huán)境污染對我們之前的經(jīng)濟(jì)增長方式甚至經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)提出了質(zhì)疑，如果不能明顯降低能耗水平，當(dāng)前的資源和環(huán)境可能無法承受。因此“節(jié)能減排”在“兩會”上發(fā)出了最強(qiáng)音；從中央到地方，從政府到企業(yè)都已經(jīng)將節(jié)能減排納入重要的議事日程。

 

　　節(jié)能減排是利國利民的大事，對于工業(yè)來說絕不是可有可無的。如果工業(yè)企業(yè)的產(chǎn)能接近飽和，而中央著力支持第三產(chǎn)業(yè)，那么在生存資源日漸緊張的情況下，每個傳統(tǒng)行業(yè)中都會有相當(dāng)比例的企業(yè)會倒下，剩下的企業(yè)一定是在角逐中占據(jù)成本優(yōu)勢的企業(yè)。而節(jié)能關(guān)系到企業(yè)的成本，進(jìn)而影響到盈虧平衡點，由量變引起質(zhì)變，它可能就會影響到是否能夠生存。這一點對于能耗高、毛利率低的某些行業(yè)尤為明顯。

 

　　用戶企業(yè)應(yīng)該未雨綢繆，通過節(jié)能工作來降低成本，提高毛利率，減少包袱。節(jié)能不僅是降低生產(chǎn)成本的直接途徑之一，而且是提升企業(yè)內(nèi)生動力和市場競爭力的一個重要途徑。

 

　　2、壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能方案

 

　　2.1 發(fā)酵工藝改進(jìn)及群體控制

 

　　發(fā)酵工藝是制藥企業(yè)的核心工藝，一般采用離心空壓機(jī)產(chǎn)生大流量的壓縮空氣，向發(fā)酵罐供應(yīng)空氣，滿足有氧發(fā)酵的要求。

 

　　某制藥企業(yè)隨著發(fā)展壯大，發(fā)酵罐的數(shù)量由原來的19個增加至現(xiàn)在的24個，離心空壓機(jī)每小時耗電量大、每天24小時持續(xù)運轉(zhuǎn)、能耗成本很高，占據(jù)企業(yè)電費將近60%。通過持續(xù)改進(jìn)，目前發(fā)酵能耗已經(jīng)下降30%左右，為企業(yè)創(chuàng)造了大量的純利潤。

 

　　其中改進(jìn)的主要方法是：根據(jù)不同的發(fā)酵品種，對發(fā)酵工藝進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，滿足發(fā)酵的最佳工藝要求，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，使得供氣壓力、供氣流量恰好滿足最佳條件，提高發(fā)酵效率、提高產(chǎn)量，為企業(yè)實現(xiàn)增產(chǎn)、增收、節(jié)支。該技術(shù)重點采用監(jiān)控系統(tǒng)、空壓機(jī)群體控制系統(tǒng)，使得工藝需求更精確、氣體使用效率更高，在監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)助下對工藝進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

 

　　2.2開創(chuàng)離心空壓機(jī)自由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的先河

 

　　2.2.1 離心空壓機(jī)的調(diào)節(jié)方式

 

　　離心壓縮機(jī)具有運行平穩(wěn)、流量大、設(shè)計效率較高等優(yōu)點，但也存在著流量調(diào)節(jié)較為復(fù)雜、容易發(fā)生喘振的缺點。

 

　　離心壓縮機(jī)常用的三種流量調(diào)節(jié)方式為：

 

　?。?）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使得離心壓縮機(jī)的特性曲線呈現(xiàn)平行線移動，不同轉(zhuǎn)速之下具有不同的流量-壓力特性，如圖1。

 

　　從圖中可見，隨著轉(zhuǎn)速下降，對應(yīng)的流量和壓力都呈現(xiàn)下降，且曲線相互平行，此為“相似原理”。采用轉(zhuǎn)速下降進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)以下幾個特點：

 

　　a.不引入阻力損耗。通過轉(zhuǎn)速的降低，葉輪做功呈現(xiàn)自然下降，流量和輸出壓力呈現(xiàn)下降趨勢，不需要引入阻力環(huán)節(jié)，就能對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于沒有阻力環(huán)節(jié)，不會因為阻力而損失能量。

 

　　b.壓縮過程中的損耗有所降低。通過轉(zhuǎn)速的降低，葉輪與空氣的相對運動速度減緩，摩擦等損耗有下降趨勢。體現(xiàn)在壓縮過程中的產(chǎn)熱量下降，損耗降低能夠節(jié)省壓縮時的功耗。

 

　　調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速是離心壓縮機(jī)的一種有效的調(diào)節(jié)方式，由于不引起阻力損耗、降低壓縮損耗的作用，是最省功的調(diào)節(jié)方式，在蒸汽透平壓縮機(jī)中使用廣泛，具有很多的應(yīng)用實踐。因此，節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式。但是，對于電機(jī)拖動的離心壓縮機(jī)，其轉(zhuǎn)速是基本固定的，很難采用簡單的方式進(jìn)行調(diào)速，通常的變頻調(diào)速又容易引起壓縮機(jī)發(fā)生喘振，因此，應(yīng)選擇先進(jìn)的、成熟的技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，本方案將進(jìn)行重點敘述。

 

　?。?）調(diào)節(jié)閥門。調(diào)節(jié)閥門是離心壓縮機(jī)一種簡單的調(diào)節(jié)方式。通過對閥門的調(diào)節(jié)，開度減小，在閥門兩側(cè)形成壓力差，將系統(tǒng)的有效輸出壓力減少，氣體流動受限，從而使得流量減少，系統(tǒng)運行在所需的平衡點上。

 

　　閥門分為進(jìn)氣閥門和排氣閥門，分別具有不同的作用：

 

　　a.進(jìn)氣閥的阻礙作用，降低了實際的進(jìn)氣壓力，形成了一定的真空度，進(jìn)入的氣體變得相對稀薄，使得流量下降。同時，進(jìn)氣閥也會提高進(jìn)氣溫度。

 

　　b.排氣閥的阻礙作用，提高了實際輸出壓力，使得壓縮機(jī)向壓力增大、流量減小的工作點移動，限制了流量。

 

　　綜上，閥門的作用概括起來就是，通過引入流動阻力，使得流量降低，從而滿足工藝的要求，會造成能量的損失。

 

　　閥門的能量損失如圖2。

 

 

　　氣體流過閥門之后，由于閥門不是全開，存在阻力，壓力由P1下降到P2，形成了壓力差△P，損失的功率為：

 

　　W=△PF=(P1-P2)F

 

　　由于壓力差造成的能量損失，整體性能會降低，壓縮機(jī)的效率、排氣量會同步下降。

 

　　（3）調(diào)節(jié)導(dǎo)葉。導(dǎo)葉調(diào)節(jié)是離心壓縮機(jī)的一種調(diào)節(jié)方式，是通過誘導(dǎo)氣體沿著具有傾角的導(dǎo)流葉片流動，使氣體預(yù)旋，從而降低氣體與旋轉(zhuǎn)葉輪之間的相對速度，做功減少，壓縮程度減輕，流量減少。導(dǎo)葉調(diào)節(jié)的效果和能量損失介于速度調(diào)節(jié)和蝶閥調(diào)節(jié)之間。

 

 

　　綜上所述，本方案的核心方法是，采用更優(yōu)越的“調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速”代替“調(diào)節(jié)閥門”，從調(diào)節(jié)方法上進(jìn)行改進(jìn)，避免閥門的能量損耗，同時降低氣體溫度，實現(xiàn)節(jié)能。而且，降低溫度的同時也會有助于減低壓縮功耗，因此，節(jié)能效果出現(xiàn)疊加，總體節(jié)能效果較好。

 

　　2.2.2 離心空壓機(jī)節(jié)電原理

 

　　以上介紹了離心壓縮機(jī)最佳的調(diào)節(jié)方式是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，本方案就是圍繞轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)而展開。在運行過程中，對離心空壓機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的過程在于，根據(jù)氣體壓縮機(jī)的一系列變量的實時采樣，隨時計算出最優(yōu)工作狀態(tài)；這個方案兼顧了氣體供應(yīng)、能源消耗等方面，實現(xiàn)了最優(yōu)節(jié)能。通過最優(yōu)工作狀態(tài)的估計對它進(jìn)行節(jié)能控制，類似于一個不知疲倦的氣體壓縮機(jī)專家一直在對氣體壓縮機(jī)進(jìn)行實時診斷。在調(diào)節(jié)的時候盡量做到最優(yōu)，并盡量減少重復(fù)調(diào)節(jié)，使得氣體壓縮機(jī)的出力為最穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到設(shè)計最大效率運行，節(jié)能效果顯著。

 

　　對于離心式氣體壓縮機(jī)而言，節(jié)能的主要步驟在于：

 

　?。?）避免氣體放空和旁路的問題；

 

　?。?）流量和壓力的最佳匹配，滿足最大效率點運行；

 

　?。?）最佳的控制方法，使得在最優(yōu)條件下運行并且避免喘振的可能性。

 

　　在實際的應(yīng)用中，采取的控制方法大致介紹如下：通過實際運行，對當(dāng)前的流量需求進(jìn)行評估，并衡量實際產(chǎn)出速度。根據(jù)兩者之差，計算氣壓變動的速率，再預(yù)估氣壓的升高和降低的趨勢，預(yù)知將來的氣壓變化。根據(jù)這個變化趨勢，提前對空壓機(jī)進(jìn)行逐步的、緩慢的調(diào)節(jié)，這樣既可以保證氣壓穩(wěn)定，又能夠保證空壓機(jī)的運行穩(wěn)定。

 

　　它通過測量運行參數(shù)，對離心壓縮機(jī)的運行進(jìn)行實時分析，將參數(shù)規(guī)范化成為系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的格式。緊接著，根據(jù)管網(wǎng)氣壓和流量等參數(shù)，進(jìn)行最大效率估計系統(tǒng)，對當(dāng)前離心壓縮機(jī)的最大效率進(jìn)行估計，能夠應(yīng)用于閥門開度最大、壓縮產(chǎn)熱最少的運行狀態(tài)下。并通過前饋控制，對部分參數(shù)進(jìn)行提前觀測，與最大效率計算一起，形成合理的控制指令。前饋控制的目的在于，避免壓縮氣體的響應(yīng)滯后性帶來的系統(tǒng)頻繁波動。最終，結(jié)合防止喘振的特殊算法（發(fā)明專利），形成轉(zhuǎn)速指令，并由此指揮轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，實現(xiàn)合理的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，保證離心壓縮機(jī)的持續(xù)高效運行。

 

　　2.2.3技術(shù)優(yōu)勢

 

　　時代科儀離心空壓機(jī)節(jié)電王專門針對離心壓縮機(jī)，具有多項國家專利和軟件著作權(quán)，列出如表1。

 

 

　　這些專利技術(shù)，是北京時代科儀新能源科技有限公司在以往數(shù)年的節(jié)能實踐中，經(jīng)過多次試驗和分析改進(jìn)而獲得的技術(shù)成果，具有非常典型的、成功的應(yīng)用案例，極具推廣價值。

 

　　在研發(fā)過程中，結(jié)合了航天技術(shù)的應(yīng)用，采用“人工智能”與“大數(shù)據(jù)”融合的專家控制系統(tǒng)，體現(xiàn)了技術(shù)專家的理論知識和現(xiàn)場經(jīng)驗。經(jīng)過實際運行，效果顯著。

 

　　2.2.4 離心空壓機(jī)節(jié)電王與變頻的區(qū)別

 

　　行業(yè)曾經(jīng)公認(rèn)離心壓縮機(jī)不能采用變頻調(diào)節(jié)，這是因為，變頻調(diào)節(jié)是采用反饋控制，根據(jù)氣壓的變動不斷調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。由于用氣量不斷變化，造成壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不斷變動，且呈現(xiàn)出自然振蕩，寬幅波動。對于離心氣體壓縮機(jī)而言，變頻的頻繁調(diào)節(jié)容易達(dá)到喘振線而誘發(fā)喘振的可能性。同時，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不斷波動時效率也低，節(jié)能效果不理想。

 

　　本節(jié)能系統(tǒng)借鑒了變頻對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)功能，并根據(jù)離心空壓機(jī)的特殊要求，對變頻技術(shù)進(jìn)行了專門改進(jìn)、升級，屬于特制的設(shè)備，不同于一般的高壓變頻。在控制系統(tǒng)方面，主要改進(jìn)了頻率的計算模式，在研究了離心壓縮機(jī)特征的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新的專利技術(shù)，使得離心壓縮機(jī)在變速時遠(yuǎn)離了喘振線，避免了喘振。同時，更加穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速也提高了離心壓縮機(jī)的效率。

 

　　圖4為軟件監(jiān)視系統(tǒng)運行畫面。

 

 

　　通過節(jié)能工作的開展，使企業(yè)的動力主機(jī)——離心壓縮機(jī)的功耗顯著下降，提高了企業(yè)整體的運行效率，對改善企業(yè)的經(jīng)營效益起到了積極的作用。

 

　　2.3 某制藥企業(yè)案例

 

　　該廠共有三臺空壓機(jī)，一用兩備，其運行的基本參數(shù)如表2。

 

 

　　從數(shù)據(jù)來看，該三臺空壓機(jī)屬于1用2備，通常只有1臺運行。從加載比例來看，加載率為57%，加載時，視在功率為125kW，有功功率約112kW，處于滿負(fù)荷狀態(tài)；卸載時，實載功率仍達(dá)到52.6kW，估算其卸載時的有功損耗約為31.6kW，可見損耗較大。

 

　　以上三臺空壓機(jī)存在以下改進(jìn)點：

 

　?。?）空壓機(jī)效率較低，需要改變壓縮方式，提高效率。

 

　　（2）存在嚴(yán)重的空載功耗。

 

　　需要對空壓機(jī)的運行工況進(jìn)行改進(jìn)，從而達(dá)到供氣充足、能耗下降、空載功耗消失的目的。

 

　　節(jié)能改造內(nèi)容（表3）

 

 

　　施工周期：設(shè)備的生產(chǎn)制造：10天，安裝調(diào)試1天。

 

　　節(jié)能改造效果：

 

　?。?）節(jié)電（表4）

 

 

　?。?）降低空壓機(jī)油溫：約下降20度。

 

　?。?）降低空壓機(jī)的維護(hù)費用，延長空壓機(jī)使用壽命。