李　強(qiáng)

(安徽金安礦業(yè)有限公司)

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螺桿式空壓機(jī)變頻控制與余熱回收改造

李強(qiáng)

(安徽金安礦業(yè)有限公司)

摘要針對(duì)礦用螺桿式空壓機(jī)的工作特點(diǎn)和能耗現(xiàn)狀，介紹了變頻節(jié)能改造技術(shù)與余熱回收利用技術(shù)在螺桿式空壓機(jī)中的應(yīng)用。通過金安礦業(yè)磨選車間4臺(tái)螺桿式空壓機(jī)組的應(yīng)用，分析了兩項(xiàng)節(jié)能改造帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞螺桿式空壓機(jī)變頻控制余熱回收節(jié)能

空氣壓縮機(jī)是將電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置，在礦山、冶金、機(jī)械制造等行業(yè)主要用作風(fēng)動(dòng)設(shè)備、風(fēng)動(dòng)工具、氣力輸送和吹掃等。螺桿式空壓機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用壽命長(zhǎng)，在各工況企業(yè)的應(yīng)用最為廣泛。根據(jù)螺桿空壓機(jī)使用調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大功率的能耗系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效率普遍較低，能量浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，主要體現(xiàn)在空壓機(jī)的空轉(zhuǎn)運(yùn)行和機(jī)械做功產(chǎn)生熱量的浪費(fèi)。因此，開展螺桿式空壓機(jī)變頻節(jié)能和循環(huán)利用改造，將有助于提高空壓機(jī)的使用效率，使企業(yè)節(jié)能減耗與降本增效。

1變頻節(jié)能改造

1.1變頻原理

普通螺桿空壓機(jī)的工作分為吸氣、壓縮、輸送與噴油、排氣4個(gè)過程，進(jìn)氣控制閥用于控制空壓機(jī)的吸氣量。由于用氣設(shè)備的工作周期或生產(chǎn)工藝的需求，實(shí)際生產(chǎn)過程中的用氣量經(jīng)常發(fā)生波動(dòng)，造成空壓機(jī)頻繁加載、卸載運(yùn)行，而空壓機(jī)電機(jī)則一直處于恒速的工頻運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，導(dǎo)致空壓機(jī)經(jīng)常處于空載、部分負(fù)載的低效率運(yùn)行狀態(tài)[1]，造成大量的能源浪費(fèi)，且加劇設(shè)備的機(jī)械磨損。變頻控制的原理則是通過改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制空壓機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的排氣量，進(jìn)而控制管路壓力，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

螺桿式空壓機(jī)排氣量與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比：

(1)

式中，Qf為變頻狀態(tài)下的排氣量；Qe為額定狀態(tài)下的排氣量；nf為變頻狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速；ne為額定狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速。

根據(jù)交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電源頻率之間的關(guān)系式：

(2)

式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率；f為電源頻率；p為電機(jī)繞組的極對(duì)數(shù)。

在交流異步電動(dòng)機(jī)中，p為定值，s基本不變，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電源頻率成正比，改變電源頻率就可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變空壓機(jī)的排氣量，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。

1.2變頻控制方法

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，單位時(shí)間內(nèi)的磁通量變化會(huì)引起電動(dòng)勢(shì)的變化，電動(dòng)機(jī)主磁通

(3)

式中，U為電機(jī)定子輸入電壓，即變頻器的輸出電壓;f為電源頻率；N為定子繞組匝數(shù)，為常數(shù)。

如果保持U/f恒定，即可保證磁通Φm不變,改變電機(jī)定子的輸入電壓，就可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，這種控制方式為恒壓頻比控制方式，也可稱為恒磁通控制方式[2]。螺桿式空壓機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1　恒壓頻比變頻控制系統(tǒng)

在實(shí)際操作中，變頻調(diào)速系統(tǒng)將空壓機(jī)排氣壓力作為控制對(duì)象，在儲(chǔ)氣罐的壓縮空氣入口處引出一條支路，安裝壓力變送器，用于實(shí)時(shí)測(cè)定系統(tǒng)的壓力值。測(cè)定的壓力值被反饋到PID調(diào)節(jié)器，將其與系統(tǒng)的壓力設(shè)定值比較，得出兩者的壓力差值，變頻器根據(jù)壓力差值輸出相應(yīng)頻率和電壓幅值的交流電，在電動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。為了預(yù)防變頻控制系統(tǒng)發(fā)生故障，一般還需配置一套工頻系統(tǒng)，在應(yīng)急模式下采用。變頻、工頻兩套控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自由切換，以保證空壓機(jī)的正常運(yùn)行。

1.3變頻改造的效果

普通螺桿式空壓機(jī)變頻節(jié)能改造后，即可按照實(shí)際生產(chǎn)所需要的排氣壓力決定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)輸出功率得到有效調(diào)節(jié)，無(wú)需再做無(wú)用功，同時(shí)消除了空壓機(jī)的空載能耗，達(dá)到節(jié)能的目的。從實(shí)際的改造效果來(lái)看，改造后的節(jié)電率普通提高20%以上。以磨選車間4臺(tái)75 kW并聯(lián)螺桿空壓機(jī)組為例，每天工作20 h，每年工作300 d，電費(fèi)為 0.8元/kWh，假設(shè)改造后節(jié)電率為20%，則年節(jié)約電費(fèi)為28.8萬(wàn)元，1 a即可收回投資改造費(fèi)用。另外，空壓機(jī)變頻改造后還具有提高壓縮空氣品質(zhì)、延長(zhǎng)空壓機(jī)使用壽命、降低噪音，改善運(yùn)行環(huán)境等效果。

2空壓機(jī)余熱回收

2.1余熱來(lái)源

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)用電量的10%以上都用于空壓機(jī)的能源輸入，普通螺桿式空壓機(jī)輸入電能的有用功部分(用作壓縮空氣勢(shì)能的增加)僅占總能量的20%左右，無(wú)用功部分(機(jī)械做功產(chǎn)生的熱能)占到總能量80%以上[3]。根據(jù)工程熱力學(xué)分析，空壓機(jī)工作產(chǎn)生的熱量主要分布于以下幾個(gè)部分，如表1所示[4]。

表1螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行熱量分布

%

由表1可見，空壓機(jī)熱能的大部分都是可利用

的，只是為保證空壓機(jī)的正常運(yùn)行，將其通過油冷卻器和氣冷卻器散發(fā)到周圍的環(huán)境中去。該部分熱量稱之為余熱，如果能將這部分余熱回收利用，如工人洗澡等生活用水、廠房采暖等生產(chǎn)用水的加熱，既可提高能源利用率，又可以有效減少燃煤等燃料的供給，具有良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益。

2.2余熱回收

螺桿式空壓機(jī)的工作流程為：空壓機(jī)通過空氣濾清器吸入空氣并濾除灰塵和雜質(zhì)，經(jīng)進(jìn)氣控制閥進(jìn)入到主機(jī)中。主、副螺桿通過合運(yùn)動(dòng)改變與主機(jī)的封閉容積，完成空氣壓縮過程，壓縮過程中封閉腔內(nèi)不斷噴油，用于潤(rùn)滑和冷卻螺桿，由此產(chǎn)生了高溫高壓油氣混合物。油氣混合物通過排氣閥進(jìn)入到油氣分離器。由于機(jī)器工作溫度環(huán)境的要求，高溫高壓油氣混合物需被輸送到各自的冷卻器，其中壓縮空氣經(jīng)氣冷卻器后被送到工作系統(tǒng)中，潤(rùn)滑油經(jīng)油冷卻器后返回到油路中循環(huán)利用。絕大多數(shù)熱量均是通過油、氣冷卻器被揮發(fā)到周圍空氣中。

利用熱能轉(zhuǎn)換原理，對(duì)空壓機(jī)的內(nèi)部油、氣冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改造，并通過換熱器將余熱回收。高溫高壓油氣溫度為80～95 ℃[5]，經(jīng)油氣分離器后，潤(rùn)滑油經(jīng)油熱交換器將熱量傳遞給內(nèi)部水源，壓縮空氣經(jīng)氣熱交換器將熱量傳遞給內(nèi)部水源，熱量回收率為85%。把空壓機(jī)散發(fā)的熱量通過換熱器回收轉(zhuǎn)換到水容器中，常溫水吸收熱量后，水溫升高，同時(shí)降低空壓機(jī)的運(yùn)行溫度，不僅提高了空壓機(jī)的運(yùn)行效率，延長(zhǎng)其使用壽命，回收的熱水還可用于生活、生產(chǎn)及其他需要的地方，余熱回收方案如圖2所示。

圖2　空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)

2.3經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

以磨選車間4臺(tái)75 kW、額定壓力0.8 MPa并聯(lián)螺桿空壓機(jī)機(jī)組為例，每天工作20 h，平均排氣壓力0.65 MPa。

(1)每天回收的總熱量。

Q1=860PNnηηFh=16 675 501kJ，

(4)

式中，Q1為可回收熱量，kJ；PN為空壓機(jī)額定功率，kW；η為熱交換器回收效率；ηF為空壓機(jī)的負(fù)載率；h為工作時(shí)間，h。

(2)每天產(chǎn)生的熱水量。按水溫20 ℃，熱水使用溫度50 ℃計(jì)算，每天可生產(chǎn)的熱水量為：

(5)

式中，T為產(chǎn)生的熱水量，t；Q為回收的熱量，kJ；Δt為加熱溫差，℃；ηh為換熱效率，%。

(3)節(jié)能費(fèi)用。每天將120 t水加熱30 ℃所需的標(biāo)煤量為：

(6)

式中，Qb為標(biāo)煤發(fā)熱量，kJ/kg；η為燃煤鍋爐熱效率。

標(biāo)煤價(jià)格按850元/t，每年按300個(gè)工作日計(jì)算，每年所需的標(biāo)煤費(fèi)用為242 250元。

與此同時(shí)，空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)還大幅減少了鍋爐運(yùn)行費(fèi)用、減少CO2排放量等有益效果。

3結(jié)語(yǔ)

螺桿式空壓機(jī)變頻控制技術(shù)不僅節(jié)約了電能，還有效提高了設(shè)備的運(yùn)行效率，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命；余熱回收利用改造在改善空壓機(jī)本身性能的同時(shí)，還可以變廢為寶，節(jié)省能源消耗，減少熱污染物的排放。以上兩種節(jié)能改造效果明顯，具有良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，值得實(shí)施和推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]聶書奎，黃光亮.淺析空氣壓縮機(jī)綜合節(jié)能技術(shù)在煤礦的應(yīng)用[J].礦山機(jī)械，2012(11):125-126.

[2]杜金城.電氣變頻調(diào)速設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社，2001.

[3]陳鵬高，高寶華，任廷榮.空壓機(jī)的節(jié)能改造[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2013(4):99-104.

[4]張武平.礦山空壓機(jī)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[J].煤炭技術(shù)，2007(6):16-18.

[5]陸愛軍，陳慈平，錢進(jìn).空壓機(jī)余熱應(yīng)用實(shí)例[J].上海節(jié)能，2011(8):27-30.

(收稿日期2015-10-27)

李強(qiáng)(1969—)，男，工程師，237000 安徽省六安市霍邱縣范橋鎮(zhèn)。