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空压机节能技术 上海理工大学 一、空压机概述 空气压缩机是一种在工业生产中广泛使用的机械设备， 不同的行业或用途，空压机使用的时间也大不相同。据有 关部门统计，空气压缩机的能量消耗占全国总发电量的10 左右。大量机械工业企业能量平衡资料表明，压缩空气 站的耗电量占企业总耗电的520（平均约为10）， 有的高达30。 目前我国螺杆式空压机在行业应用需求和产量上占绝对 优势。一些螺杆压缩机采用微电脑控制技术，发展自我智 能检测诊断、保护功能，在空车运行时间过长时，可以自 动停机和自动启动加载，以节约能源。从空压机用户角度 来看，除了应关心主机的先进性，注重整机的能效以外， 更应根据实际生产用气需求合理设置空压机的运行参数， 降低系统运行费用。 空气压缩机的种类及原理 空气压缩机的种类很多，按工作原理可分为容 积式压缩机，往复式压缩机，离心式压缩机 容积式压缩机的工作原理是压缩气体的体积， 使单位体积内气体分子的密度增加以提高压缩 空气的压力，如螺杆式压缩机； 离心式压缩机的工作原理是提高气体分子的运 动速度，使气体分子具有的动能转化为气体的 压力能，从而提高压缩空气的压力。 往复式压缩机(也称活塞式压缩机)的工作原理 是直接压缩气体，当气体达到一定压力后排出 。 螺杆空气压缩机 离心式压缩机 二、关于空压机的几个问题 为什么要适当调整空压机出口压力 ？ 当空压机出口压力远大于用气设备的使用 压力时，使用前就减压，会造成压缩空气 品质下降及能量损失，因此，应按用气设 备的使用压力适当调整空压机的出口压力 ，既满足了使用需求，又可降低空压机的 负荷，减少不必要的损失，节省电能。 为什么要减少空压机空转时间？ 一般的空压机空转时，虽然不做功，但功 率消耗却为额定功率的1/3，所以合理调整 空压机负荷，减少空压机空载时间，是空 压机节电的有效措施之一。 空压机空转与待机有何区别？ 一般新型空压机具有待机功能，即负荷很 低时，空压机停止，压缩机停止运行，只 是控制电路部分带电工作，此时的功耗很 低，只有几十到几百瓦，一旦有负荷需求 时，压缩机马上正常工作，而且对压缩机 有保护作用。而空转的功耗很高，相当于 额定功耗的1/3，且影响压缩机使用寿命。 为什么要控制空压机进风温度？ 进风温度越高，空压机制气效率就越低， 电耗就越高。常用的降低进风温度的方法 ：1、利用室外空气作为进风，进气口应采 取遮阳措施（主要考虑夏季高温季节）， 尽量降低空压机进气温度。2、对于放置空 冷式的空压机房，应采取措施把废气排放 到室外。3、空压站房内保持良好的通风， 降低室内温度。 如何利用空压机产生的“废热”？ 空压机在制气过程中，由于空气压缩后， 体积减少，温度升高，以及压缩机做功等 都将产生大量热量，而这些热量还要及时 排放，否则影响压缩机正常工作，这些热 量通称为废热，如果附近对热源有需求， 如热水、热空气等，则可以通过热交换器 把空压机产生的废热转换成可以利用的热 源，一举两得，节约能源。 新增或更新空压机时应注意什么？ 选择高效空压机 优先选择有待机功能的空压机 有多台时，尽量选择不同容量搭配或一台 有调速功能的空压机 配套的空气干燥器要高效、省电或省气 如何选择空压机的排气量？ 排气量的大小是空压机的主要参数之一，选择空压 机的气量要和自己所需的排气量相匹配，并至少留 有10%的余量。否则如果用气量大而空压机排气量 小，风动工具一开动，会造成空压机排气压力的大 大降低，而不能驱动风动工具。当然盲目追求大排 气量也是错误的，因为排气量越大压缩机配的电机 越大，不但价格高，而且浪费购置资金，使用时也 会浪费电力能源。在选排气量时还要考虑高峰用量 和通常用量及低谷用量。如果低谷用量较大而通常 用量和高峰用量都不大，通常的办法是以较小排气 量的空压机并联取得较大的排气量，随着用气量的 增大，而逐一开机，这样不但对电网有好处，而且 能节约能源（用几台开几台），并有备机 干燥机如何发挥作用？ 干燥机是用于干燥压缩空气。离开后冷却 器的空气通常是完全饱和的，就是说任何 降温都会产生冷凝水。冷冻式干燥机是通 过降低压缩空气的温度，析去水分，然后 将空气再加热到接近原来的温度。再生式 干燥机是使空气通过含有化学物质的过滤 器以析出水分。这种装置比冷冻式装置更 能吸附水气，但干燥剂的再生需消耗电能 或压缩空气。 如何布置干燥器的位置？ 一般情况下可把干燥器位于贮气罐之后，这样 ，从后冷却器出来的气流能在贮气罐内得到冷 却。罐内形成的冷凝水应通过冷凝水排水管导 出。由此可使得压缩空气干燥器有较低的入口 温度，这对节省功率有积极效果。在特殊情况 下，只需较小的干燥器就够用了。此外，通过 贮气罐的缓冲作用及与之相联系的干燥器负荷 均匀，可达到较稳定的压力露点。但是注意， 如有少数较大的用气装置，可能会出现干燥器 的过载。干燥器的规格应适应平均耗气量。 为何需对水冷式空压机的空冷器进 行清洗除垢？ 工业生产中使用的中、低压空压机，多采用两级 压缩。其间配有中间冷却器降低压缩空气温度， 节能能耗，保证安全生产和空压机的出气能力。 为了降低压缩空气排出温度，还配置有末端冷却 器。水冷式空压机的空冷器一般采用工业水冷却 。因此，空冷器长期运行后其内部都有水垢生成 。水垢增生防碍了热交换，减少了空冷器内部截 面积，严重时完全堵塞管路，造成空压机排气温 度超过工艺要求的现象。如能定期对空冷器除垢 ，有以下优点： 1）将大大提高换热效率，空压机的正常运行得到 了保证。 2）从空压机前一级出来的空气，经过除垢后 的中冷却器移除多余的热量后，降低了气体进 入二级压缩的起点供压缩终了的温度，从而减 少了动力消耗。因此，空压机的操作运行也就 越经济。 3）空冷器除垢后，冷却水的利用率大大地提 高，冷却水耗量大大地降低。困此，减少了空 冷器对冷却水流量和压力供给的需要。 4）空冷器除垢后，提高了送出压缩空气的质 量，因为除垢后的空冷器，降低了送出空气的 温度，析出的水分由末冷器的气水分离器排除 。这样，经过有效冷却分离除去水分送出的空 气更为干燥。 如何发挥储气罐的缓冲功能？ 储气罐的主要功能是起缓冲作用，用气设备的 用气不均衡必然导致压缩机的工作负荷不断变 化，这不但影响压缩机的工作效率和使用寿命 ，而且有时会供气不足，影响生产，所以一般 除了在空压机房设置储气罐，有条件的情况下 ，在用气点附近也要设置储气罐，用气负荷变 化频繁的情况下，应尽量选择大容量的储气罐 ，用来调节和平衡供气能力。 如当系统集中用气时用气量很大，但时间较短 时，最好适当增加储气罐的容积，这样可减少 空压机空重车的转换次数。 为什么要定期检查压缩空气管网是 否泄漏？ 压缩空气管网焊接、连接处，容易产生压 缩空气泄漏。特别是较老的管线中因法兰 连接处密封圈腐蚀而泄漏焊接处锈蚀， 废弃管路漏气较易发生，应对这些部位定 期检查，及时消除泄漏点，以防浪费压缩 空气。 使用不同压力等级的设备如何供气 ？ 当各种用气设备所需压缩空气的压力相差较大 且有相当用气量时，应根据使用压力不同，分 别供给相应压力的空气，避免用同一管路高压 供气，低压设备再减压使用，造成高品质压缩 空气低品质使用。只有在用气设备的使用压力 较低，而用气量很少时，可以考虑用高压空气 供应。当用气设备的使用压力较高，且用气量 很小时，就应考虑单独供气，不应提高整条管 路的压力等级，再经减压供给用气量大的其他 用气设备，从而避免较大的能源浪费。 空压机集中、分散供气的原则如何 ？ 相同用气压力等级、用气点集中适宜于空 压机集中供气。 用气压力等级相差较大、用气点较分散适 宜于压缩机分散（就地）供气。 为什么要重点对用气终端进行漏气 检查？ 一般来说，企业终端用气点都比较多，且 漏气较多。一是用气终端设备密封圈易老 化、损坏，二是由于现场噪声大，很难发 觉漏气，三是由于管理不严，致使空气阀 门常开，非正常使用时常漏气等等。所以 加强用气终端的使用管理、加强漏气检查 ，是减小压缩空气消耗，节约电力的有效 措施。 为何要陆续将活塞式空压机（1.0 10m3）列为限期淘汰的落后产品？ 1）活塞式空压机有气阀、活塞、活塞阀等诸多易损件，连续运 行可靠性差，且这些易损件的磨损和损坏都将造成气体压缩时 候更大的泄漏。同螺杆空压机相比，活塞式空压机的效率低， 特别是长期连续运行，其经济性更差。 2）活塞式空压机是往复间断性供气，运行时气流脉动大，螺杆 式压缩机转速高，输气平稳，无气流脉动，能够满足要求较高 气量用户的需求。 3）活塞式空压机基本没有自动控制系统，螺杆式空压机有完善 的自动控制和保护系统，属于机电一体化的产品，降低了能耗 。 4）活塞式空压机存在活塞环的磨损，这样仍有不少的润滑油窜 到气缸中随气体一起排除，既降低了气体的品质，又增加了油 耗。螺杆空压机有高效的油气分离系统和过滤设备，无磨损件 ，供气品质高、耗油量低。 5）活塞式空压机为往复式运动机构，运行时振动大，噪音较高 。螺杆空压机为回转式运动机构，平衡性较好，其振动小，噪 音低，减少了对工作环境的污染。 变频技术的应用 在实际运行中，当储气罐内压力上升达到设定压力 时，一般采用两种办法：一种是空压机卸荷运行， 不产生压缩气体，电动机处于空载运转，其用电量 仍为满负载的30-60%，这部分电能被白白浪废掉。 另外一种办法是停止空压机运行，这样似乎空压机 空转或不断放空所浪费的电能被消除了，但是若无 容积较大的储气罐，将会带来电动机的频繁启动， 空压机的空载启动电流大约是额定电流的5-7倍，对 电网及其它用电设备冲击较大，同时使空压机的使 用寿命也会缩短。如采用变频调速技术，可实现整 个空压站的恒压自动控制，使系统可以根据储气罐 压力的变化，自动调节空压机的转速，实现空压机 的供气压力转速的动态匹配，减少了电机的实 际输入功率，达到节能目的。此外空压机没有了空 转，电机不存在轻载运行，这部分能量也是很可观 。 三、 空气压缩机变频节能改造 案例 1、前言 空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进 行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备。作为基础 工业装备，空压机在冶金、机械制造、矿山、电力、纺 织、石化、轻纺等几乎所有的工业行业都有广泛的应用 。空压机占大型工业设备(风机、水泵、锅炉、空压机 等)耗电量的15%。由于结构原理的原因，大部分空压机 自身存在着明显的技术弱点。 随着电力电子技术的发展，变频器在调速领域中的 应用越来越广泛。它具有稳定，操作方便，节能效果明 显等优点，越来越受到广大工程技术人员和管理人员的 重视。绝大部分生产设备都用到压缩空气，以前都是由 单个的小型空压机供气，这种供气方式存在着压力不稳 定，故障率高，维修成本大等缺点。 2、空压机改造前的运行状况 设备改造前，两台空压机一用一备，全部工作在工频 状态，起动方式为星三角降压起动，压力控制采用两点 式控制（上下限控制），即空压机气缸内压力达到设定 上限时，空压机通过本身的油压关闭气阎，当压力下降 到设定下限时，空压机打开进气阀。由于生产过程中用 气量的变化，空压机也频繁地加载和卸载，主电机的启 动电流仍然很大，影响电网的稳定及其它用电设备的运 行安全，且电机工频起动设备的冲击大，电机轴承的磨 损大，所以设备维护工作时对机械量大。主电机时常空 载运行过程中不产生压缩空气，属非经济运行，电能浪 费严重，电机在工频运行致使空压机运行时噪音很大等 原因，因此对其进行变频改造是很有必要的。 3、空压机变频节能原理 螺杆式空压机基本运行方式是加载、减载方式。减载时电机空转,能 源白白的浪费，如果利用变频器通过改变电机频率来调节转速，变频 控制即通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量，从而 达到控制管路的压力，具有明显的节能效果。空压机变频节能系统原 理如下:通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较，得 到偏差，经PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由 变频器输出的相应频率和幅值的交流电，在电动机上得到相应的转速 。那么空压机输出对应的压缩空气输出至储气罐，使之压力变化，直 到管网压力与给定压力值相同。变频器，压力变送器、电机、螺旋转 子组成压力闭环控制系统自动调节电机转速，使储气罐内空气压力稳 定在设定范围内，进行恒压控制。反馈压力与设定压力进行比较运算 ，实时控制变频器的输出频率，从而调节电机转速，使储气罐内空气 压力稳定在设定压力上。 系统改造时保留原工频系统不变，增加变频系统，无须再培训再操 作系统，当空压机控制系统运行，变频系统自动进入运行状态。本系 统采用压力闭环调节方式，通过变频器的控制面板设定空气压力定值 ，在储气罐上安装个压力传感器。将空气压力信号转换为 0 5 V 的 电信号，反馈到变频器内部的 PID 调节器，调节器将信号与压力定值 进行比较运算，然后输出控制信号，变频器再根据此信号输出频率， 调节电动机的转速，使空气压力保持稳定，这样空压机始终保持在节 电运行状态。实现原理如下图所示： 4、系统原理设计方案 基于变频控制系统由以下部分:PLC、变频器、变频柜、 电抗器、压力变送器、交流接触器、中间继电器等组成， 实现PLC对电气部分的控制，对变频控制柜：启动、运行 、停止、切换、报警等控制。我公司采用先进控制技术， 根据用户压缩空气的需求量，在不改变原有的控制系统线 路，采用压力传感技术来检测网管压力，使压缩机马达在 空载运行时停止运行，根据用气量自动调整供气压力保证 空压机始终运行在节能状态，可大幅节省用电量，达到节 电的目的。 系统运行步骤： (1)、开机前选择变频/工频启动； (2)、启动空压机“启动”键，变频器在设定的时间内启动 ，空压机开始工作； (3)、变频器根据现场压力变送器检测网管出口压力进行 比校，经PID指令运算，调节变频器输出频率； (4)、停上空压机，空压机与变频器同时停上工作； 5、节能效果及经济效益分析 改造前，空压机加载运行时运行电流240A，运行时 间2min，卸载时运行电流110A，运行时间4min。 改造后，空压机频率基本上在3045Hz，运行电流 平均120A，无卸载时问，基本不停机。 用电量分析：每天工作24h，每月30天。 改造前为 W=1.732*I*U*24x30/1000=72661kWh 改造后为 W=1.732*I*U*24x30/1000=56865kWh 由上可计算出，改造后每月可节电 W=15796kWh 每度电按0.58元计算，每月节省电费9161元。 6、改造后几大优点 (1)、节能降耗。 (2)、电动机从低速起动，冲击电流小，电动机和空压机 运行平稳。 (3)、由于变频器具备较强的保护功能，降低了设备故障 率。 (4)、系统压力更加稳定，提高了产品质量。 空压机节能改造方案2 1 前言 随着电力电子技术的发展，变频器在调速领域中的应用越来越 广泛。它具有稳定，操作方便，节能效果明显等优点，越来越 受到广大工程技术人员和管理人员的重视。特变电工山东鲁能 泰山电缆有限公司是一家大型电线电缆生产企业，绝大部分生 产设备都用到压缩空气，以前都是由单个的小型空压机供气， 这种供气方式存在着压力不稳定，故障率高，维修成本大等缺 点。在 2002 年进行了技术改造，建立了一座空压机站，新上 2 台无锡阿特拉斯。科普柯压缩机有限公司 GAl32-8.5 型螺杆式空 压机。但在实际运行过程中发现耗电量大的问题，经过考察论 证，在 2005 年 2 月进行了变频技术改造，选用科姆龙无感矢量 变频器 Kv2000G13204T ，经过一年多的实际运行，工作正 常，压力稳定，节能效果显著，取得了良好的经济效益和社会 效益。 2 空压机改造前的运行状况 设备改造前，两台空压机一用一备，全部工作在工 频状态，起动方式为星三角降压起动，压力控制采 用两点式控制（上下限控制），即空压机气缸内压 力达到设定上限时，空压机通过本身的油压关闭气 阎，当压力下降到设定下限时，空压机打开进气阀 。由于生产过程中用气量的变化，空压机也频繁地 加载和卸载，经常是加载 2min ，卸载 4min ，在用 气量小的时候，有时还停机 10 min ，重新起动，对 空压机、电动机和电网都有很大的冲击。并且空压 机在空载过程中不产生压缩空气，电动机处在空载 状态，白白消耗电能。因此对其进行变频改造是很 有必要的。 3 空压机变频改造实施方案 系统参数： 空压机型号 GAl32-8 5 主电动机型号 YXLA 315M-4 额定功率 132 kW 额定电压 380v 额定电流 250A l 485 r/min 远传压力表 VTP10-A-G10-B 变频器科姆龙无感矢量变频器 kv2000 G1320-4T 额定电流 253A 根据空压机实际运行状况，我们用一台变频器来控制两台空压机，通 过电气控制来转换两台空压机的变频运行，这样当一台空压机出现故 障时，很快转换到另一台空压机运行，既不影响生产又节约了设备投 资。 系统改造时保留原工频系统不变，增加变频系统，做到工频 / 变频互 锁