【壓縮機網(wǎng)】“我認為我的空氣壓縮機并沒有制造出期望質(zhì)量的空氣，尤其是三號空氣壓縮機。”

 

　　這就是阿肯色州一家工廠的維護經(jīng)理在他辦公室里對我們說的話。 我們當時花了整個上午在他的壓縮空氣系統(tǒng)上安裝數(shù)據(jù)記錄設備。

 

　　那時是初夏，空氣壓縮機位于生產(chǎn)車間的夾層樓上，室外和室內(nèi)的溫度都在升高。壓縮空氣系統(tǒng)由三臺500匹馬力的離心式空氣壓縮機和一臺350匹馬力的無油變頻單螺桿空氣壓縮機組成。

 

　　空氣壓縮機的所有進氣口都在內(nèi)部，因此夾層中的環(huán)境空氣（而非外部空氣）被壓縮了。理論上正常的操作是對兩個離心壓縮機進行基本負載，使其中一個處于待機狀態(tài)，然后單螺桿變頻壓縮機作為備用。但是通常所有四個空氣壓縮機都必須運行才能滿足工廠的需求，這樣一來壓縮空氣系統(tǒng)就沒有備用設備。

 

　　那天早上，在安裝電子監(jiān)測設備和變壓器/質(zhì)量流量計時，我們注意到夾層樓的溫度很高。安裝完設備后，我們在午餐時間休息了一下，然后回到工廠，與工廠工作人員會面，討論問題，并檢查了我們的設備，以確保出發(fā)前一切正常。在對測量設備進行檢查時，還應在每個空氣壓縮機的入口處讀取環(huán)境溫度。這天阿肯色州的氣溫超過32℃，非常適合檢查空氣壓縮機入口處的溫度如何。

　　事實證明，入口處溫度非常高！

 

　　如一開始時提到的，把兩個離心壓縮機（3號和4號壓縮機）和變頻單螺桿壓縮機（1號壓縮機）一起放置在了生產(chǎn)車間正上方夾層結(jié)構的一端。第三臺離心式空氣壓縮機（4號壓縮機）放置在維修車間上方一個單獨的房間中，與其他三臺壓縮機處于同一水平高度，但該房間的溫度稍微低一些。入口環(huán)境溫度記錄如下：

 

　　1號壓縮機：43.9℃；

　　2號壓縮機：43.3℃；

　　3號壓縮機：48.3℃；

　　4號壓縮機：41.7℃。

　　顯然，環(huán)境溫度對空氣壓縮機的性能產(chǎn)生了巨大影響，這成為審核報告的重點之一。評價空氣壓縮機性能的另一個因素是工作壓力。最初的規(guī)格要求排氣壓力為758.4kPa，然而設備的壓力保持在813.6kPa，這對空氣壓縮機的輸出也有不利影響。

 

　　理論上兩個離心壓縮機將在大部分時間內(nèi)提供所有所需的空氣，而單螺桿壓縮機會在需求最高的時期偶爾開始運行（順便說一下，這是一種最佳應用的設計）。

 

　　然而當外面很熱時，事實證明單螺桿式壓縮機幾乎一直都需要運轉(zhuǎn)，而且通常第三臺離心機也要運轉(zhuǎn)。所以我們開始研究該系統(tǒng)正在使用的空氣量以及空氣壓縮機的運行狀況。

 

　　那么，由于環(huán)境溫度高和排氣壓力升高，空氣壓縮機的性能下降了多少？

 

　　圖1中的曲線顯示了在35℃入口溫度和758.4kPa的排氣壓力下空氣壓縮機的性能：
 

 

　　四個曲線分別表示不同葉片進口導向角度下的工作曲線。紅色曲線是入口閥100％打開（0度和不節(jié)流）時的流量曲線。在此條件下，空氣壓縮機的額定最大流量為65.5m3/min。這是用于初步確定空氣壓縮機尺寸并計算其負載的曲線。

 

　　圖2顯示了同一空氣壓縮機在48.3℃入口溫度和758.4kPa排氣壓力下的曲線：
 

 

　　注意到曲線全部向左移動（給定壓力下流量減少）。在758.4kPa的壓力下，最大流量已從65.5m³/min降低到了59.2m³/min，損失了近10％。

 

　　但是廠家正在以高于758.4kPa的壓力運行空氣壓縮機。圖3是針對實際排氣壓力為813.6kPa而調(diào)整后的曲線。
 

 

　　如圖所示，流量已減少至57.4m³/min，比設定值損失近8.5m³/min。同樣糟糕的是，喘振壓力上升，工作壓力與喘振壓力之間的壓力差已從原來的193kPa降低到68.9kPa。這使空氣壓縮機幾乎沒有任何調(diào)低的余地（調(diào)低率是離心空氣壓縮機可以通過進氣閥門節(jié)流實現(xiàn)的部分負荷運行的百分比）。這給操作壓縮空氣系統(tǒng)帶來了進一步的困難。

 

　　驅(qū)動電機保護—另一個影響性能的因素

 

　　離心空氣壓縮機具有保護驅(qū)動電機的安全功能。隨著線圈繞組溫度的升高，電動機的電流將下降。如果環(huán)境溫度超過電動機銘牌的電流溫度額定值，則控制器將限制最大進氣的導葉位置，以防止電動機過載。這進一步降低了最大流量，還使得工作壓力上升到喘振。

 

　　收集并分析數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)實際上3號空壓機的控制方式為啟?？刂?，從啟動點到停機點僅上升了20.7kPa。3號空氣壓縮機大部分時間是在空載條件下記錄，而2號和4號空氣壓縮機在滿負荷運行的情況下將單螺桿壓縮機作為備用。

 

　　那么為什么不將3號空壓機在運行了最短的空載載時間后就卸載并關閉呢？

 

　　問題的部分原因在于保護電動機的內(nèi)置安全功能。在這種情況下，安全功能使得它只能運行最少的時間，大型電動機的大部分磨損發(fā)生在啟動期間。在電動機關閉之前，由涌入電流產(chǎn)生的熱量需要耗散直到電動機的溫度達到正常工作的溫度水平。電機一旦關閉，就需要進一步冷卻，使得下次啟動時不會出現(xiàn)溫度峰值。

 

　　在這種情況下，由于較高的環(huán)境溫度，3號空壓機需要在空載狀態(tài)下運行更長的時間。在“冷卻”狀態(tài)下空載運行時，壓力略有下降會導致其負載增加。系統(tǒng)流量突然變?yōu)?6m3/min時，會立即導致壓力升高超過20.7kPa，此時3號空壓機將卸載。這將使得壓縮機在空載狀態(tài)下運行更長時間。

 

　　這樣的事件經(jīng)常發(fā)生，以至于空氣壓縮機幾乎沒有機會關機，總是在空載狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。 當機組確實要關閉時，一旦發(fā)生工廠壓力的另一次小幅下降，它將在短時間內(nèi)重啟。

 

　　改善空氣壓縮機性能的糾正措施

 

　　顯然，在這種情況下，最有效的措施是降低壓縮機進口處的溫度。還必須降低電機的溫度，以提高電機的可靠性并進一步提高性能。另一建議是將空氣壓縮機的排氣壓力降低到生產(chǎn)設備運行所需的最低壓力。

 

　　第一個建議是在廠區(qū)外部安裝空氣進氣口，然后將外部空氣直接輸送到空氣壓縮機進氣口過濾器。盡管阿肯色州的夏季溫度經(jīng)常超過32℃，但此溫度遠低于上述測量到的43.3℃的進口溫度，這樣做將使空氣壓縮機的輸出能力提高10％。

 

　　下一個建議是通過增加空氣壓縮機區(qū)域的通風量來降低該區(qū)域的溫度。由于增加壓縮機區(qū)域的空調(diào)管道不是一個可行的選擇，所以建議使用強制通風措施從廠區(qū)外部增加壓縮機區(qū)域內(nèi)的通風量，從而達到降溫的目的。

 

　　適當增加壓縮機區(qū)域內(nèi)的空氣流通量可以將電機周圍的溫度降低9至12℃，從而降低電機的工作溫度，并使得控制器的進氣無法節(jié)流以保護驅(qū)動電機。這將使流量增加幾個百分點，從而使空氣壓縮機的運行更接近理論流量曲線。它還將產(chǎn)生更大的壓升，使設備在卸載前有更好的調(diào)節(jié)能力。

 

　　不要忽略環(huán)境溫度

 

　　該案例研究說明了進氣溫度和環(huán)境溫度對離心空氣壓縮機性能的關鍵程度。在設計壓縮空氣系統(tǒng)時，不僅需要了解生產(chǎn)設備的壓力和流量要求，還需要了解設備運行的條件。用戶、系統(tǒng)設計師和設備供應商之間的溝通對于確保系統(tǒng)正常運行至關重要。

 

　　最終目標始終是設計、安裝和運行壓縮空氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)應滿足用戶的流量和壓力要求，方便后期維護或更換，并最大程度地提高可靠性。設計這樣的系統(tǒng)時，環(huán)境溫度通常被忽略但至關重要。

 

　　關于作者

 

　　作為阿特拉斯·科普柯離心審核員，布雷特·格里芬（Brett Griffin）和托德·奎格利（Todd Quigley）在壓縮空氣審核和能源管理研究方面與美國各地的客戶合作，他們專門從事大型空氣裝置和離心空氣壓縮機的研究。

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