28.16000m～3h制氧机组空压机节能分析

1 8 0 机械 2 0 0 4 年第 3 1 卷增刊 16000m3/h制氧机组空压机节能分析 邹益金 (攀枝花新钢矾股份有限公司 氧气厂，四川 攀枝花 617000) 摘要：分析了影响离心空压机能耗的有关因素，并对如何降低 1 万 6 空分空气系统阻力、降低空压机能耗提出了措施和 建议。 关键词：制氧机；空压机；节能 Energy-saving analyzes for air compressor in 16000 m3/h air separation plant ZOU Yi-jin Abstract：The paper analyzes the factors relating to the energy-consuming of a turbo air compressor. It gives some methods and suggestions on how to reduce the pressure-differences of air piping system, and the ways of energy-saving. Keywords：air separation plant；air compressor；energy-saving 引言 1 万 6 制氧机自 2002 年 5 月 28 日投产以来， 氧、 氮、 氩产量、质量均达到或超过设计值。 但通过对该机组进行 系统的分析，空气管路系统的阻力大，造成空压机的排压 高、能耗高。本文对影响离心式空压机排压、功耗、排气 量的原因进行了理论分析，并结合VK50-3 空压机的性能 曲线和1万6空分的实际运行情况对如何有效地降低空气 系统阻力、 进一步优化该机组的技术经济指标、降低机组 能耗提出了改进措施。2003 年 5 月，氧气厂对 1 万 6 空 压机出口管路进行了优化改进，系统的阻力大幅度降低， 耗电量由 7100Kwh 降至 6900Kwh，节能效果非常明显。 1 影响空压机能耗的因素分析 离心式空压机的电耗 （Kw.h/h） 与排气量、 环境温度、 压力比及效率等因素有关，计算公式如下： W= MT 12 3600 )/ln( PPTRVk (1) 式中：为标准状态下空气密度，=1.293 kg/m3；Vk 为空压机的排气量，m3/h；R为气体常数，R=0.278 kJ/ （kg.K） ；T 为环境温度，K；P2为排气压力，MPa；P1 为进气压力，MPa；T为空压机的等温效率；M为空压 机的机械效率。 从式(1)中可以分析： (1)环境温度 T， 则电耗 W。 但环境温度属于自然 条件，受人为因素影响小，基本上可以看作常数； (2)进气压力 P1，则电耗 W。P1由当地大气压力 P0和空压机吸气系统阻力（主要是过滤器的阻力）决定， 所以采用高效过滤器、 操作上定期除灰使过滤器的阻力控 制在设计范围内也是空压机节能的重要途径；1 万 6 机组 采用目前最先进的自洁式过滤器， 阻力与采用传统的袋式 过滤器比可由 11.5KPa 降低至0.5KPa，使电耗降低 0.60.7%（相当于每小时节电 50kWh） ； (3)空压机的机械效率M，则电耗 W。但M主 要是由压缩机的设计、制造、安装决定的，当压缩机处于 正常运行时，该参数变化不大； (4)空压机的等温效率T，则电耗 W。T与操 作条件有着非常密切的关系。 所以在操作中重点是确保气 体在各级冷却器得到充分冷却， 使压缩机尽量趋近于等温 压缩，有效提高压缩机的等温效率，降低空压机电耗； (5)空压机的排气量 Vk，则电耗 W。但排气量由 于受空分生产限制， 在正常生产状况下不可能进行较大幅 度地调整； 通常为充分发挥空分的生产潜力， 往往需要尽 可能大的空气量以满足空分生产。 当空分产品过剩需减负 荷运行时， 也可适当关小空压机导叶减少空气量来降低电 耗。但受“喘振区域”的限制，空气的调节量是有限的； 另外，导叶关小后，空压机吸入阻力会增加，对节电又不 利。所以调节空气量只能是空压机的调节手段之一，但并 不是节能降耗的有效途径； (6)排气压力 P2，则电耗 W。通过理论计算可知， 对 1 万 6 机组而言， 在其它参数不变的情况下，空压排气 压力降低 30Kpa，则空压机电耗每小时可降低 200 多度， 节能效果非常明显（另外，空压机特性曲线反映出：排压 降低后，排气量会增加，从而达到增产降耗的双重作用） 。 空压机排压是由精馏下塔压力和空气系统阻力决定的， 所 以在满足下塔正常工作压力前提下，如何优化工艺、有效 地降低系统阻力是空分系统节能的重要途径。 机械 2 0 0 4 年第 3 1 卷增刊 1 8 1 2 空压机性能曲线与管网特性曲线分析 2.1 空压机性能曲线 空压机性能曲线是由压缩机本身的性能决定的， 其反 映了空压机排气压力 Pc、 功率 W 随空气流量 Q 的变化关 系，如图 1 所示。 通过性能曲线可以找到压缩机的最佳工 作点。图中压缩机在 A 点的工作参数为 P1、Q1、W1，在 B 点的工作参数为 P2、Q2、W2。图中反映出：当排压由 P2降为 P1后，空压机的耗电量随排压降低而降低，而排 气量却是增加的，此时既达到了节能的目的， 增加的空气 量还有利于提高氧气产量。 所以工作点 A 的经济性比工作 点 B 好,所以在压缩机运行中要尽量使工作点趋近 A 点。 图 1 VK50-3 空压机性能曲线 2.2 管网特性曲线 管网特性曲线如图 2 所示。 由于气体在管网中的流动 阻力与流量的平方成正比，即： P=AQ2 式中：P 为管网的阻力损失；Q 为管网的气体流量；A 为管网的阻力系数。 图 2 管网特性曲线 图 2 中的二次曲线代表了气体在管网内流过时， 阻力 损失与流量之间的关系。当气体流量为 Q 时，管网的阻 力损失为P ，当用户的工作压力（如精馏下塔压力）为 Pr 时，则压缩机的排压达到 Pc 才能满足要求。在 Pr 不 变的情况下，P 越低，则空压机的排压越低。 2.3 压缩机实际工作点的确定 压缩机在实际运行中， 其工作点既会受压缩机性能曲 线的影响， 又会受到管网特性曲线的影响。 压缩机、 管网、 空分三者之间在稳定工况下的平衡关系是： 压缩机的排气量=通过管网的气体流量=空分的用气量； 压缩机的排气压力 Pc管网的阻力损失P=空分的工作 压力 Pr； 所以其工作点是压缩机性能曲线与管网特性曲线的 交点，如图 3 所示。 图 3 离心式压缩机工作点变化曲线 从图中可以看出，对同一压缩机而言，其性能曲线是 不变的，但随着管网阻力的变化，压缩机的工作点将沿着 性能曲线移动。当管网阻力降低后，压缩机的排压将由 P2降为 P1，而排气量从 Q2升为 Q1，如图中 A 点、B 点所 示。 3 1 万 6 机组空气系统阻力分析 空压机的排压（Pc）由空分系统的工作压力（Pr）和 系统的阻力（P）两方面决定的，即 Pc= Pr +P。在 正常的生产状况下， 空分系统的工作压力基本上是恒定的 （由设计确定） ；而空分系统的阻力在设计中虽然有一个 具体值，但由于在设计后的各个工序中：包括单机（或管 道阀门）的设计、安装，系统配置，操作控制等多因素的 影响都会造成系统的阻力偏离设计值。 1 万 6 机组空气系统阻力如图 4 所示： 图 4 1 万 6 空气系统阻力现状示意图 就 1 万 6 机组而言， 运行现状表明空气系统的局部阻 力偏大： 从空压机出口至空冷塔段， 虽然管道短、 设备少， 阻力曲线 压缩机排气压力 P、 阻力P（P-Pr） Pr Pc Q 压缩机排气量 P=Pc-Pr Q1 Q2 压缩机排气量 压缩机排气压力 P、 阻力P（P-Pr） Pr P2 P1 阻力曲线 A B 压缩机性能曲线 流量与耗电量 的变化曲线 Q2 压缩机排气量 Q1 P1 压缩机排气压力 P W2 压缩机耗电量 W W1 P2 B 流量与排压的变化曲线 A A B 放空 下塔 上塔 空压机 空冷塔 分子筛 主换 热器 V103A、 B、C 0.515MPa 0.482MPa 0.442MPa 0.464MPa 0.471MPa 0.475MPa FI1062 WE1001 V1101 V102 V101 1 8 2 机械 2 0 0 4 年第 3 1 卷增刊 但阻力高达 33kPa，占供气系统阻力的 45.2%，其中孔板 阻力20kPa、 末端冷却器阻力13kPa （设计阻力4.5kPa） 。 4 降低 1 万 6 机组空气系统阻力的措施 (1)取消或更换孔板流量计 FI1062（威力巴流量计的 阻力1 KPa） ，可降低阻力20 KPa； (2)空压机末端冷却器 WE1001 进行节能改造和优化 操作，有效降低空气阻力（进口冷却器的阻力只有2.5 KPa） ； (3)冷却水系统优化操作，确保空压机各级冷却器、 空气预冷系统的冷却效果达到最佳值； (4)对空冷系统、空气纯化系统进行优化操作，摸索 总结水温、水量、空气温度等参数对系统阻力的影响； (5)严格控制好分子筛吸附、再生效果，防止 CO2带 入主板式换热器及塔内后造成阻力升高； (6)控制好主换热器热端温差，降低空分系统的冷量 损失； (7)研究主冷液位与上塔、下塔压力的变化关系，找 出主冷液位的最佳控制方法，降低空压机排气压力。 5 改进后的效果分析 2003 年 5 月，空压机出口管路按上述措施进行了节 能改造，空气系统的阻力预计降低了30KPa，在保证精 馏下塔压力不变的前提下，空压机出口压力由515KPa 下 降为 485KPa。 改进前后各点的压力参数对比如表 1 所示。 表 1 改进前后压力参数对比 空压机背压降低后，其小时耗电量由 7100kWh 降至 6900kWh，在电耗降低的前提下空压机的排气量可由 80000 m3/h 变为 80700m3/h，增加 700 m3/h，既达到了节 能的目的， 增加的空气量又可增加氧气产量， 进一步降低 制氧单耗。 参考文献： 1 徐忠主编离心式压缩机原理西安交通大学，2000 2 汤学忠、顾福民主编新编制氧工问答冶金工业出版社，2001 3 DEMAG VK50-3 空压机操作手册，2001 示新螺杆图样。 两台新型的螺杆压榨机制作完成后， 现已分别在兰州 维尼纶厂和福建维尼纶厂投产。通过近一年的工业运行， 证明其投料量、 含湿率、电机电流以及噪声振动等指标均 能完全满足工艺要求，部分指标甚至超过了原有机型。 实 践证明，这一重大改进是成功的。 图 2 新螺杆图样 参考文献： 1巴尔斯科夫（苏） 橡胶机械北京：化学工业出版社，1982 2成大先机械设计手册北京：化学工业出版社，1994 3编辑委员会化工厂机械手册北京：化学工业出版社，1989 4范有发冲压与塑料成型设备北京：机械工业出版社，2001 5陈宏钧实用机械加工工艺手册北京：机械工业出版社，