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空压系统节能改造

 工业领域的电能消耗占全球电能消耗的50%以上,而这里面高达20%的电能被用于空气压缩和传送以满足终端用户的需求。考虑到目前旋转式空压机高达160亿美金的巨大市场份额而且据预测在接下来的7年内将以3.6%的复合年增长率增长,因此在制定降低温室气体排放及全球升温计划时,工业压缩气体系统中的能源节约或者回收将显得尤为重要。企业也越来越重视空压系统的节能降耗,因为节省下来的都是纯利润!

 

空压系统主要由但部分构成:空压机、压缩空气后处理和管路。下面我们分析一下每个部分节能空间有多大?

1、空压机节能空间

此外,对于螺杆空压机来说,对机器性能影响最大的是转子间的间隙(径向间隙)和端面间隙(轴向间隙)导致的泄漏。这些泄漏路径连接着高低压的工作腔,因此潜在的泄漏是非常高的。而下图中的其它泄漏路径涉及到较小的压力差,因此对性能影响相对较小。径向间隙的大小取决于空压机主要部件的尺寸和公差。而轴向间隙则取决于机器组装。因此,由于螺杆压缩机的性能受到泄漏的严重影响,任何对其内部间隙的修改都会对其效率产生重要影响。

当下,某些现代化的转子加工中心,已经能够将转子的公差降低至3微米。这意味着,就单单生产转子而言,转子间的间隙可以低至12微米。虽然这样可以减少径向间隙,从而提高了压缩机的容积效率,而且这样的细小间隙几乎可以与滚动轴承的间隙相媲美,但是这样也会影响到压缩机的可靠性和性能表现。对间隙尺寸和分布的影响进行了深入的研究后发现,这些非常小的间隙扮演着非常重要性的角色。研究结果显示,移动轴承50微米就能导致空压机的比功率发生2.5%的变化(在1500rpm, 9 bar的排气压力下)。研究结果还显示,如果转子间的间隙增加31.5%,比如从15微米增加到20微米,将会导致容积流量损失1.7%。无油螺杆压缩机在排放端的间隙出现35微米的波动,就会导致22%的能效损耗。 对于注油式螺杆压缩机,人们期望这种波动对比功率产生的影响不那么显著,但是很明显,这些间隙值与整体压缩机性能之间存在很强的相关性。

众所周知,滚子轴承和止推轴承都会存在磨损,而磨损速率则取决于其运转速度和负载程度, 虽然各生产商会采用不同类型、不同尺寸的轴承来延长其寿命,但是这是无法避免的,所以他们会建议用户在机器运行一定时间后需要对机头进行大修。大修主要是要更换滚动和止推部件,还空压机一个“安全”的运行环境,避免给机头造成灾难性的损坏。 绝大多数国际一线品牌的生产商通常会建议在机器每运行3万-5万小时后,进行一次大修。

考虑到轴承磨损,在轴向方向,止推轴承能够承受的最大磨损间隙是50微米,超过50微米到200微米之间,将会对机器性能造成影响。 在径向方向,轴承任何部位的磨损不能超过生产商的转子间隙(12微米-15微米),否则将会对机器性能造成影响。这两种情况都表明,这些间隙的变化会导致显著的性能损失。因此,也就不难理解,螺杆机的能效表现不是恒久不变的,而是随着时间而衰减的。

尽管目前很难找到研究这种现象的学术文献,然而在现实环境中,能效审计公司对一些旧的、即将大修的螺杆压缩机的流量和功率进行了测量,并有很多的文档记录。在一个测量案例中, 澳大利亚工业部测量了一批运行了10年左右的螺杆机,发现其平均能效衰减30%,最差机器的能效衰减高达55%。

虽然上述测量结果是基于一些特定的状况,而且当下螺杆机所使用的轴承的性能也有了很大的提升,但是不管如何改善,随着使用时间的变化,螺杆机的性能衰减是个无法避免的事实,这是由轴承本身的特性和螺杆机的工作原理所决定的。

滑片式空压机

对于滑片式空压机而言,随着时间的推移,零点时刻的比功率也不会保持一成不变。要解释这一现象,先要了解其工作原理。滑片机的定转子总成由一个偏置的转子和一个圆柱形的定子组成,两端由端盖密封并配以巴氏白瓦合金套管。转子上面有机加工过的纵向槽,以便滑片在里面自由滑动。转子通过电机进行直接驱动,转速通常在1000到1500转(50Hz)之间,通过偏心力转动使滑片与定子内壁进行密封接触从而形成压缩袋。空气被吸入后,此时容积最大,随着转子的转动,容积逐渐减小(压力上升)从而形成一个压缩循环。当容积减到最小时,空气通过压缩元件被释放出来。

在滑片式空气压缩机中,滑片总是与定子内表面的润滑膜相接触,这样既可以避免两个金属表面直接接触,也避免了气体泄漏。在滑动叶片的前缘存在一个润滑楔子,精确加工的叶片尖端半径,润滑的滑动元件和支撑面(定子)的附着力增加了润滑压力,并在两个表面之间产生了流体动力润滑膜。当施加非常大的压力时,润滑剂的粘度会增加,润滑油就可以避免被挤压在表面之间,从而保持一个恒定的薄膜。此外,润滑油也起到了一个完美的密封功能。

另一个可能的泄漏途径是通过压缩机端盖。 然而,滑片空压机没有轴向推力将转子推向两侧端盖,因此也就没有必要安装止推轴承来控制轴向位置。轴向间隙是在机器装配过程中就已经设定好的。转子可以自由地沿着轴向移动,它通过在压力下注入的润滑油,与两端端盖保持同样的距离,从而防止接触和提供有效的密封。

由于在滑片式空压机内没有磨损的滚子和推力轴承,所以在机器制造的时候设定的间隙是恒定的,该间隙在压缩机的整个生命周期内都不会变化。这样的设计有两个好处:首先,随着时间的推移,容积效率不会有任何衰减;其次,永远不需要进行更换磨损轴承这样的大修。这就保证了玛泰的压缩单元(机头)可以达到超过10年不限时间的使用寿命。

既然已经证明容积效率不会随着时间的推移而衰减, 为什么上面提到的比功率恒定的假设也不适用于玛泰滑片式空压机呢?

滑片的磨合期与前1000小时

从启动滑片式空压机开始到前1000个小时期间,滑片进行着一个前期磨合的过程。虽然玛泰在生产滑片的时候已经对其滑片进行了非常精确的打磨,但是前1000小时的运转可以更好地磨合转子槽和滑片之间锲合度,从而达到最佳效果。从摩擦学的角度讲,必要的抛光处理可以使表面更加平整、光滑。

此处不能将磨合与磨损的概念相混淆。磨损指摩擦体接触表面的材料在相对运动中由于机械作用,间或伴有化学作用而产生的不断损耗的现象,长时间的磨损将会影响机器的性能。而磨合是为了使配合件正常稳定运转的一种措施。玛泰滑片空压机的滑片采用特殊材质制作,可以使其寿命长达10年以上无需更换。

这种前期磨合效果对摩擦损失的功率有显著的正向影响,并对空压机产生的功率有显著的影响。多年来,这一效应在滑片式空压机工业领域中早已经为人所知,但直到现在,它还没有被独立地和科学地测试过。

在2016年,针对这一理论,玛泰发起了两个同时并行的测试计划:一个是在玛泰总部现代化的研发中心测试一台50Hz 的Maxima 75 Xtreme,另一个是在美国的 INTERTEK(天祥集团) 总部测试一台 60Hz的Maxima 55。 INTERTEK也是美国为CAGI提供空压机测试认证的公司。在这两种测试环境下,压缩机的性能都是从零点时刻开始记录,然后每100小时采集一次数据。从测试结果中可以看出,在保持一个恒定地空气输出的条件下,电能的消耗呈显著下降,其比功率得到了很大的提升,比零点时刻低5%。

通过以上数据的分析和讨论,我们在模拟计算生命周期成本时,可以勾勒出一个更加真实的场景。再回到前面的例子,尽管滑片机和螺杆机都有着CAGI公布的零点时刻比功率,但是我们在实际计算的时候需要将螺杆机能效衰减和滑片机能效提升的因素考虑进去。此处,需要重点强调的是不同的螺杆空压机制造商在他们的机器中会选择使用不同的轴承,因此我们不能武断的针对所有品牌的螺杆机使用同样的能效衰减率。但是另一方面,科学研究也表明,如果轴承磨损达到人类头发直径的十四分之一(5微米),螺杆机的容积效率将会损失2%。 因此,我们模拟螺杆机使用5年(大修之前)出现2%,5%和10%这三种能效损耗比率来计算新的生命周期成本,也是希望通过这三种能效衰减比率尽可能的包含绝大多数的螺杆机品牌。

如果将使用时间延长至10年,再次计算其生命周期成本,那么就要考虑到螺杆机的大修。在这个试算案例中,假设大修费用占设备购置成本的50%。对于玛泰滑片空压机,在其生命周期内不存在大修的需求。因此,在本次计算中,滑片机的大修费用为0。

以75kw排气压力8bar风冷空压机为例,MATTEI MAXIMA Xtreme 75kw空压机比功率为5.2kw·m³/min,国家一级能效比功率是6.5kw·m³/min(节能20%),二级能效比功率是7.3kw·m³/min(节能29.8%),三级能效是8.4kw·m³/min(节能38%)。另外考虑螺杆空压机5年5%左右的比功率波动,节能空间巨大!

2、后处理节能空间

压缩空气后处理,一般包括冷干机、吸干机和过滤器。

冷干机,相对能耗较小,Hiross冷干机采用三合一换热器,体积仅为普通冷干机的1/3左右,一台14m³/min冷干机,功率仅为1.86kw(普通冷干机一般在3.5kw以上)。对于冷干机最重要的是能否达到稳定的压力露点(3~8℃)。很多客户反馈夏季容易出现压缩空气中有水的问题,但冷干机显示露点也在3~8℃露点范围内,殊不知,一些不良厂家欺骗消费者,将露点传感器放在了蒸发器附近,而不是将露点传感器接在排气口处,所以显示的是虚假露点。

吸干机,是耗气大户。常见的双塔无热吸干机气耗在20%左右,微热双塔吸干机在12%左右,鼓风微热吸干机可低至2%。目前也有一些厂家推出零气耗双塔吸干机,但不仅需要加热器,还需要鼓风机和冷却水,综合下来能耗并不低。双塔吸干机还有一个致命问题,分子筛很难填充紧密,“隧道效应”严重,导致露点不稳定,吸附剂过度磨损,一般一年或两年就需要更换吸附剂,且故障率高,维护成本高。

Parker最新推出的PNEUDRI MXLE系列真空无热模块化吸干机,采用暴风雪填充技术,耗气量仅为3%。以34m3/min吸干机为例,PNEUDRI MXLE 108功率仅为9.5kw,考虑3%气耗功率损失6.5kw,共计16kw,与零气耗鼓风微热双塔吸干机(鼓风机、加热器等总功率约32kw)比,节能至少50%以上!

 

过滤器,是很容易被忽视的部分。普通过滤器初始压降一般在300mba以上,随着时间使用,压降会增加很快。高压降意味着高能耗。Parker-dh Oil-X Evolution系列过滤器,初始压降仅为200mba。每级过滤平均能节能1%以上。一般吸干机前后至少配三级过滤,就能节能3%以上。

压缩空气管路,大多采用的是镀锌管,部分客户用的是不锈钢管。但不管是镀锌管和不锈钢管,都有一个问题:管内壁粗糙,压损大。Legris发明的Transair铝管道,内表面光滑,且安装快捷方便。根据实际测算,不仅能避免25%的压缩空气泄露,没减少0.1Mpa压损,即可减少7%的能耗。

另外,如果您有多台空压机,还可进行联控,以避免99%的频繁启动,根据实际用气需求,合理管理每台空压机的运行。

我公司可为客户提供功耗检测,评估现有空压系统的节能空间和设备状况,欢迎咨询。

 
TAG:节能空压机,,吸干机,过滤器
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