综述
SUMMARY

压缩空气系统节能认知误区浅议<上>

  现代化工业生产和高品质生活都离不开压缩空气,空压机作为压缩空气的制供设备,对于各行各业的使用者来说都非常重要,而谈论空压机都离不开压力、流量(排气量)、功率三大性能参数的表现。由于空压机是耗能大户,且其广泛使用于工业生产的各个领域,空压机的降耗增效意义非常重大,得到了业内及客户一致认可。笔者通过设计,制造,使用和服务(售前、中、后)几个方面来阐述了压缩空气节能的秘密,希望您能有所收获。单一的压缩空气设备节能不一定可以使压缩空气系统节能,本章节带您了解压缩空气系统的节能误区。

  一、国家政策导向

  提问:什么是现阶段中国社会主要矛盾?

  答:人民日益增长的美好生活需要和发展不平衡不充分之间的矛盾。

  十九大报告阐述的新时代、新征程、新变化,即中国社会的主要矛盾发生了变化,由过去落后的生产力与人民群众日益增长的物质文化需要之间的矛盾,转化为人民日益增长的美好生活需要和发展不平衡不充分之间的矛盾,这一阐述非常明确。

  对于十九大报告提出的关于增长转型的要求,即由高速增长阶段向高质量发展阶段转变。第一,要坚持质量第一、效益优先;第二,要深化供给侧结构性改革,推动质量变革、效率变革和动力变革,提高全要素生产力;第三,要建设实体经济、科技创新、现代金融、人力资源协同发展的产业体系。

  十九大报告强调要全面推进绿色发展这一阐述,要构建包含生产、生活、技术、融资等在内的绿色发展系统;要着力解决我国面临的环境突出问题。因此,高品质与节能型产品将是未来空压系统设备发展的方向。

  二、市场导向

  我们的客户正在进行产业升级和供给侧改革,因此他们正在或将要做的事情是:品质化发展、淘汰落后产能、节能增效。

  耗能大户,量大利薄,看重节能增效。而追求高品质的客户,先看品质,再看节能,最后价格。见图1。

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  三、行业发展方向

  压缩空气是高能产品,根据能量守恒,它的生产注定是高耗能的。如果能从高耗能中省下百分之几,每年节能量是很可观的。

  压缩空气的节能已经从单一设备节能转变为压缩空气系统节能。讨论压缩空气系统节能,我们必须要清楚耗功在哪里?压缩空气系统耗功我们可以关注四个方面:

  1.系统设备耗功

  我们看看压缩空气系统能流图(从能源输入端和输出端来看),见图2。

  作者在文章《压缩空气系统选型对节能影响重要性分析》讲到,能源输入端主要是压缩空气系统设备的耗功,见图3。

  ①空压机85%~95%;

  ②干燥器3%~15%:

  2.空压机耗功

  在压缩空气系统中耗功占比最大的是空压机,因此对空压机的耗功节省可以立竿见影。图4为空压机耗功分解。

  作者在文章《轴功率对喷油螺杆空压机节能影响》讲到空压机耗功主要在:

  √主机轴功率耗功占比最大;

  √其次是电机效率;

  √再就是传动效率

  3.轴功率耗功

  主机轴功率大小,跟主机选型、设计、制造及系统匹配有关。在后面的节能误区会有详细描述,见图5。

  4.电机效率

  电机作为空压机的主要输入动力,其效率对于空压机节能也是影响很大。工频和变频电机的采用,在后面的节能误区会有详细描述,图6。

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  四、压缩空气系统的节能误区

  误区一:空压机的主机转数越高或越低越节能

  作者在文章《什么因素会影响比功率》中讲到每档主机都有一个最佳转数,见图7。

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  ①当转数低时,泄露会影响到比功率值上升(左边曲线);

  ②当转数高时,机械损失也会影响到比功率值上升(右边曲线);

  ③所以,当空压机工作在最佳主机转数时,最节能(曲线最低点)。

  通常主机的内泄漏是不可避免的,提高主机转速可以改善相对泄漏量,提高效率。而增加主机压力,也会使主机的内泄露加大,排气量减少,主机耗能增加。

  主机在高转速下,轴承和轴封磨损加剧;润滑油的冷却效果降低,机头内温远高于排气温度,润滑油加速老化,润滑性能降低。此时主机机械损失引起的能耗会随转数增加而加大。

  正如图8所示,当主机在某个转数下,其能效值可以达到一个平衡点(内泄露和机械损失在某段转数下主机能耗处于低值,某个转数点为最佳)。当偏离该区域值时,无论增加转数或减少转数,都会引起主机增加能耗。

  因此在设计节能型空压机时,我们设定主机的转数是根据主机的比功率曲线图来选择而不是转数越高越好或越多越好!

  另外,不同的空压机主机由于设计和制造的水平不一样,也会出现某些主机的比功率曲线低洼线段较陡,对于变频空压机的节能是不利的。

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  因此,在各流量段的空压机有不同主机来搭配,同时工频和变频机型也是根据需要来选型主机。

  市场上,为了竞争的需要,拼命提高主机转数会有“小马拉大车”的风险。同时,一味强调大主机、低转数,也不一定节能。

  误区二:推崇两级压缩,忽略使用周期成本

  作者在文章《绝热效率对喷油螺杆空压机节能影响》中谈及:“空压机组压缩比增大,容积效率降低,比功率值增高。”

  从理论上来说,两级压缩由于级间压缩比小,主机泄露少(压力低),同时第二级进气温度由于中间冷却作用变低,因而在相同空压机能效限定值,两级比单级压缩的所需的绝热效率更低。见图9为单级和双级压缩达到1级能效时主机所需的绝热效率。

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  从理论上,两级压缩可减小主机能耗,提高绝热效率,以求达到相关能效比功率限定值,从而提高空压机能效等级,但是由于两级压缩采用中间冷却的方式不同却有可能无法实现理论上的等温压缩。

  两级压缩:当空气经过两个主机压缩时,级间设有中间冷却器和汽水分离器。此时,进入二级压缩主机的空气可以尽量接近环境温度,从而使得压缩更接近等温压缩。

  两段压缩:当空气经过两个主机压缩时,级间通过喷液(油)冷却,但是由于压力露点的影响,进入二级压缩主机的空气不会低于60℃,此时压缩距离等温压缩有一定差距。

  无论是两级(或两段)压缩的耗功小于单级压缩的耗功,但是其关键零部件数量翻倍(相比单级的2.3倍),零部件越多故障率概率越高,从而导致机器的可靠性和安全性大幅下降。

  从产品的使用生命周期来看,随着使用时间的推移,两级压缩的性能降低及维护成本也远大于单级压缩。牺牲安全性和可靠性换取节能在小型机器上有点得不偿失。

  根据国内外螺杆空压机性能的实验研究成果,我们发现常见主机(7~8bar机组中)250kW以上使用单级压缩达到1级能效已有较大难度,见图10。

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  综合考虑到国内主机的设计及加工水平和能力,建议:

  √在90kW以下机组可采用单级压缩,

  √而追求1级能效的90kW以上机组则采用两级压缩,这将有助于提高机组能效,降低成本,提高稳定性。

  误区三:变频空压机满载使用

  大多数用户使用空压机时并不是时时刻刻满负荷工作时,此时变频空压机的参与可以通过调整主机转数来调节气量,保证管网压力稳定。从而达到节能的效果。

  然而在市场上,许多供需双方都认为购买变频空压机一定比工频空压机节能。即使客户大部分时间其用气量在满载的情况下,也在为小部分时间变负载而纠结。

  例1,某工厂有两条气量要求不一样的生产线。原有空压机想进行节能改造。A生产线的满载用气量为10m3/min且几乎没有波动;而B生产线的满载用气量为8m3/min但经常波动,见图11。

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  由于两条线都是独立管网。如果按满载流量给A和B生产线都改造为变频空压机。对于A生产线来说,不但不节能,反而更耗能。为什么?

  变频器自身消耗输入功率的5%,折算到每一立方压缩空气的耗电量和生产成本,明显大于工频螺杆机耗能。

  我们再看GB19153-2019《容积式空气压缩机能效限定值和能效等级》标准中关于1级能效空压机工频和变频的限定值比较(10m3/min-7bar):

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  对于B生产线来说,由于气量变化大,使用变频空压机是适合的。

  误区四:变频空压机做主力机型用

  例2,某生产线一天的用气量在10~12m3/min,见图12。

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  如果只用一台12m3/min变频空压机,由于变频器自身消耗输入功率的5%,机头和电机偏离设计转速,效率降低5%左右,电机反复加速和减速(制动)耗电显著大于恒速运转,折算到每一立方压缩空气的耗电量和生产成本,明显大于工频空压机。

  所以在空压机配置上,推荐1台10m3/min工频机+1台2m3/min变频机。工频空压机作为主力机型,变频空压机为辅助机。

  在2台空压机以上的系统,工频空压机永远为主力,变频为辅助。

  笔者曾经看见有些用户的空压机房里十几台空压机全是清一色的变频空压机,这是对变频空压机节能的误解。

  <注:本文未完待续,更多精彩内容见下期!>

  作者简介

  梁柳生,1968年,男,广西柳州,大学本科。

  ①高级工程师,1990开始从事空压机行业工作。有在国企、合资及外企工作经历,其中22年在AC集团工作。先后从事过空压机及后处理设备的产品设计、产品工艺、生产管理、产品质量跟踪服务等及全国销售总监并有在欧洲学习和工作的经历。2017年创办上善气体工作室,专业从事压缩空气系统研究,精益生产管理及销售的培训工作

  ②国家标准JBT10526-2005《一般用冷冻式压缩空气干燥器》第一起草人

  ③全国压缩机标准化技术委员会委员

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