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空压机能耗检测分析

1、空压机及能耗的概述

空压机,即空气压缩机,是利用电能做功压缩空气产生高压来驱动其他机械装置运行的设备,是构成气源装置的核心部件。空压机依据其工作原理可分为:容积式、动力式。容积式压缩机提高空气压力是依靠活塞在汽缸内作往复运动,将气体的体积压缩,从而提高单位体积内的分子密度,其根据结构以及活塞运动方式的不同可分为:往复式与回转式。动力式压缩机提高空气压力是通过叶轮高速旋转,增加气体分子动能,然后将其转化为气体的压力能,广泛使用的主要有4 种类型:离心式压缩机、轴流式压缩机、混流式压缩机、旋涡式压缩机。

 

空压机虽然应用于各行各业,尤其在工业中占据不可取代的位置,其优点也显而易见,但是由于需要消耗电能做功增压,其能耗问题一直以来是一个棘手的问题。据调研, 在全国发电总量中, 空压机耗电量便占到 9% 10%,在企业总耗电量中,更是高达15%35%,年耗电成本在整个运行成本中更是一直居高不下, 高达到80% 。然而如此迫在眉睫的能耗问题,却很少有企业会去做定性、定量的能耗检测与分析,所以针对目前空压机能耗存在的浪费现象,本论文将对空压机能耗问题的检测与分析进行一个详尽的论述。

 

2、空压机的工作原理

空压机是能量转换装置,以空气为原料,通过压缩作用改变空气分子密度的原理使得被压缩空气超过大气压力,将电动机的机械能转换成气体压力能。

 

2.1单螺杆式空压机的工作原理

 

单螺杆空压机的工作原理是依靠两个对称配置的星轮将压缩空间分为两个,其中两个空间内的平衡力对称,这两个星轮交互转动,分别压缩各自空间内的气体产生高压空气。由于星轮的制作材料为塑料,在与螺杆高速高温的相对运动中,会加速星轮的快速磨损,造成产生的压缩气体总量快速下降,所以该问题是现制造行业亟待解决的问题之一。

 

2.2活塞式空压机的工作原理

 

活塞式空压机内有一套改变运动方式的装置——曲柄连杆机构,可以将电动机的旋转运动转变为活塞的直线往复运动,其中通过进气阀、排气阀循环地自动打开与闭合完成吸气、压缩和排气过程。它是空压机最早采用的方式,技术手段相对比较落后,而且由于气与油没有明显分开,导致气体中含有一定量的机油,故此种空压机只能用于精度要求不是很高的行业,同时还存在一些不可避免的缺点:主机寿命短、噪音大,气体脉冲现象严重等。

 

2.3滑片式空压机的工作原理

 

滑片式空压机的主要结构是转子,在其长度方向有一定数量切割的槽,槽内涂有油膜,油膜上嵌有滑片,滑片在油膜的作用下可以在槽内滑动。其具体的工作原理是转子在气缸内的定子中旋转,由于旋转作用产生离心力,滑片受到离心力的作用脱离滑槽,形成数个密闭的压缩室, 随着旋转,压缩室的体积逐渐减小,达到增大空气压力的目的。滑片式压缩机与活塞式压缩机类似,应用比较早, 方式落后,油气难以分离,需采用油气分离器进行分离, 同样不可应用于精度要求很高的制造行业。

 

2.4离心式空压机原理

 

离心式空压机的主要结构是叶轮,进入压缩机的空气会随着叶轮急速旋转,气体便会被压入扩压器,叶轮继续旋转,空气被逐步加压。该种空压机避免了油气难以分离的缺点,实现了无油压缩,能耗低,维修方便,排气量大。

 

3、空压机能耗的影响因素

对于电动机驱动的空压机而言,能耗便可以认为是电耗,电耗一般与两类条件有关:可控因素与不可控因素, 可控因素包括:进气压力、气泵的等温效率、排气压力、排气量;不可控因素包括:环境温度、空压机的机械效率。

 

1)环境温度降低以降低电耗。环境温度人为很难控制,在能耗研究方面,不是主要的研究因素。

 

2)进气压力提高以降低电耗。进气压力主要由自然因素与非自然因素两方面控制,自然因素便是当地的大气压,非自然条件便是吸气系统阻力,主要由过滤器的阻力决定,所以在使用过程中,需要定期清洁过滤器,使得阻力不至于过高而造成电能不必要的浪费。

 

3)气泵的等温效率提高以降低电耗。空压机的等温效率是指在气体压缩过程中,尽量使得气体在相同的温度下压缩,而等温压缩与使用方式密不可分。所以在使用过程中,着重注意气体在各级冷却器中的冷却效果,改善空压机等温效率,节能减耗。

 

4空压机的机械效率提高以降低电耗。空压机一旦被制造并投入生产后,该因素便成为不可人为控制的因素,因为它是空压机的一个固有属性,决定于它的制造过程,在正常运行过程中,该参数基本没有变化。

 

5)排气压力降低以降低电耗。基于空压机特性曲线:排气压力降低,排气量会增加,不仅可以降低电耗而且可以增加排量。

 

6)空压机排气量降低以降低电耗。当压缩空气压力过剩,用气设备应降低负荷工作,可以通过调节空压机的导叶部件减少空气流量,从而降低电耗。

 

4、空压机能耗分析

压缩空气系统的流程如下:空压机→管网→用气设备,故主要从这3 个系统进行能耗分析。

 

4.1空压机

 

空压机是能量转换设备,将电能转化为空气压力能, 在其连续工作过程中,空压机效率直接影响能量的转换率,即电能的利用率。

 

以螺杆式空压机为例,其主要结构是螺杆转子,在工作一段时间后,螺杆转子势必有一定程度的磨损,单位时间内排气量降低。依据此问题,考虑更换一个新的转子, 经过一年的时间运行,对更换转子的空压机进行能耗以及排气量的测量,对比先前未更换转子一年内的能耗与排气量,可以发现,由于空压机效率的降低,更换转子前后年耗电量成本的差值按现有电价计算高达十几万元,接近一个新的转子价格。

 

4.2压缩空气管网

 

压缩后的高压空气需要输送到用气设备,这就需要用到管网,它对整个空气系统有着不可替代的作用,管网需要有效地降低压力的损耗。在确保用气设备气压不改变的条件下,管网的压力损耗越小,空压机的出口压力就越高。由于电动机消耗的能量转换为压缩空气的压力与流量,管网的压力损耗越小,相同流量的条件下,电动机消耗的能量便越小。所以在管网管理中,要尽可能找到管网的瓶颈部位,即管径最细的部位,在该部位流量较大时会产生较大的压降,增加能耗,这就需要工厂管理者解决好这一管道问题,以便节能减耗。

 

4.3用气设备

 

通过对主要用气设备的了解,明确了其对空气压力的具体要求。为保证实际生产的连续不间断以及安全的前提下,管网中的空气压力需要高于实际所需的压力,因为用气量会不断变化,同时引起的空气压力变化,用气设备仍需维持其最低需求。由于该用气压力的限制,虽确保了用气设备的最低压力,但是不可避免地造成了压力过剩,势必导致能耗增加。

 

5、空压机能耗检测方法

通过上一节对能耗的定性分析,那么运用指标比功率(kW?h)/m3  可以定量地检测能耗水平,其计算公式为[7]:比功率= 空压机输出功率 kW /空压机排气量(m3 h )可以借助于流量计检测空压机性能,通过比功率与实际电耗计算空压机效率,空压机效率越高,说明能量损耗越小,电能所做的有用功越多,该空压机性能越好,同时可以通过对检测结果分析,科学地使用、维护、管理以及更换空压机。

 

总结

在全球能源严重供不应求的恶劣形势下,能耗问题已然成为企业极为突出的问题,目前多数企业已经开始关注这一问题并不断寻求能源浪费的主要原因,力求在保证生产的前提下,降低能耗。据调研,空压机耗电量占总耗电量的比例:在部分行业竟高达70%,而在整个行业内平均耗电量仍不低于30%。所以,对于企业而言,空压机能耗检测与分析势在必行,通过检测与分析,以寻求节能的空间。

 

注:文章转载于《机电工程技术》2018年第47卷第10期,作者董旭慧,如有侵权,请联系删除。

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