空氣壓縮機(jī)節(jié)能與應(yīng)用

  空壓系統(tǒng)電能消耗占工業(yè)能耗的8~10%左右，全國(guó)空壓機(jī)耗電量約為2260億kW·h/a，其中有效能耗只占66%，其余34%的能量（約768.4億kW·h/a）被白白浪費(fèi)掉，空壓系統(tǒng)的節(jié)能亟待高效開展。大量的數(shù)據(jù)表明，壓縮空氣系統(tǒng)的主要費(fèi)用都耗費(fèi)在運(yùn)行環(huán)節(jié)上，在其生命周期中，運(yùn)行費(fèi)用（電費(fèi)）占據(jù)的比例高達(dá)78~92%。

  隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，空氣壓縮機(jī)作為一種重要的動(dòng)力輸出，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶煉、鋼鐵、建材、半導(dǎo)體、熱電、醫(yī)藥、化工、食品、紡織、醫(yī)藥等眾多工業(yè)領(lǐng)域。然而，空壓機(jī)屬于高能耗設(shè)備，在某些行業(yè)耗電占到了生產(chǎn)耗電的60%以上，故俗稱“電老虎”。節(jié)能是一項(xiàng)長(zhǎng)期的戰(zhàn)略任務(wù)和基本國(guó)策，也是實(shí)施十三五規(guī)劃的緊迫任務(wù)。要深入貫徹科學(xué)發(fā)展觀，以提高能源利用效率為核心；以轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，加快技術(shù)進(jìn)步為根本；強(qiáng)化全社會(huì)的節(jié)能意識(shí)，建立嚴(yán)格的管理制度，實(shí)行有效的激勵(lì)機(jī)制；增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展能力。

  水泥生產(chǎn)是高耗能行業(yè)，水泥行業(yè)能耗占全球能源消耗的2%，水泥行業(yè)的二氧化碳排放量占全球碳排量的 5%，而全球超過50%的水泥在中國(guó)生產(chǎn)。水泥工廠最大的挑戰(zhàn)是能源消耗（熱能和電能消耗），約占生產(chǎn)成本的 50%～70%。近年來，中央和地方政府對(duì)能源密集型的水泥行業(yè)加強(qiáng)管控，要求提高生態(tài)效益和可持續(xù)性，并出臺(tái)規(guī)章制度和罰款條例，敦促水泥企業(yè)降低能源消耗，減少二氧化碳的排放。因此，如何通過精細(xì)化管理，對(duì)水泥能耗深入挖潛，提高能源使用效率，是每個(gè)水泥企業(yè)都要面臨的一個(gè)課題。

表一

  根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與檢測(cè)獲取的大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)（表一），結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大部分壓縮空氣系統(tǒng)運(yùn)行能耗高的主要原因如下：

  一、設(shè)備效率低

  幾年前配置的空壓機(jī)大多屬于低能效設(shè)備（表二），與終端等設(shè)備匹配不合理，僅僅為了滿足生產(chǎn)的基本需求；空壓機(jī)調(diào)節(jié)方式落后、無集中控制，用氣量隨機(jī)變化時(shí)，空壓機(jī)因卸載而浪費(fèi)嚴(yán)重；末端設(shè)備用氣不合理、效率低、設(shè)備用氣存在浪費(fèi)。

表二

  二、供氣壓力不合理

  沒有對(duì)供氣壓力進(jìn)行分級(jí)規(guī)劃，而是簡(jiǎn)單采用高壓供氣外加機(jī)械自力式減壓閥來滿足不同的壓力需求，大量的能源浪費(fèi)在閥門上。此外，當(dāng)需求側(cè)用氣量變化引起管網(wǎng)壓力的隨機(jī)波動(dòng)，為了避免機(jī)組的頻繁啟停，需要設(shè)定一個(gè)很寬的壓力變化范圍，造成空壓機(jī)出口壓力的大幅波動(dòng)，增加了空壓系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。

  三、能源浪費(fèi)的原因

  1、空載能耗高。目前企業(yè)壓縮機(jī)為單臺(tái)N立方，壓縮機(jī)開停只有N或N的倍數(shù)，空壓機(jī)設(shè)備開停依賴人工管理的傳統(tǒng)。尤其在用氣負(fù)載頻繁變化時(shí)，系統(tǒng)不能快速反應(yīng)，也不能實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排量的微調(diào)。這形成了空壓站各壓縮機(jī)的空載。通常情況下，當(dāng)壓力達(dá)到y(tǒng)公斤時(shí)，空壓機(jī)進(jìn)入卸載運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)壓力降到x公斤時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)入空載狀態(tài)，即關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時(shí)將油器預(yù)分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)空轉(zhuǎn)雖然可以使空壓機(jī)不需要再壓縮氣體作功，但空壓機(jī)在空轉(zhuǎn)中還是要帶動(dòng)螺桿或者活塞做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電耗仍在繼續(xù)發(fā)生。實(shí)際檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，空壓機(jī)空載時(shí)的能耗高達(dá)其滿載運(yùn)行時(shí)的40%～55%（請(qǐng)參考表三）。

  2、爬升能耗高。螺桿壓縮機(jī)有兩種運(yùn)行模式，加、卸載運(yùn)行模式或空載、滿載運(yùn)行模式。加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在x公斤～y公斤之間來回運(yùn)動(dòng)。X公斤是最低工作壓力值，即能夠保證用戶正常工作的最低壓力（加載壓力）。一般情況下，x公斤、y公斤之間關(guān)系可以用下式來表示：y公斤＝x公斤＋（1＋δ），δ是一個(gè)百分?jǐn)?shù)，其數(shù)值大致在10%～25%之間。壓差一般在一公斤以上。通過理論計(jì)算和實(shí)際檢測(cè)，得知空壓機(jī)壓力每增加1公斤，能耗增加5-6%。由此可知，在加、卸載供氣控制方式下的空壓機(jī)，其工作氣壓由X到Y(jié)，有一個(gè)氣壓爬升的能耗，存在事實(shí)上的能源浪費(fèi)。同時(shí)，高于x公斤的氣體在進(jìn)入用氣終端前，其壓力需要經(jīng)過減壓閥減壓至接近x公斤，壓力越高流速越快，這就造成同樣的工況，壓力越高所耗氣量越大。這一過程同樣是一個(gè)能源浪費(fèi)的過程。

  3、傳統(tǒng)管理。在空壓站的使用管理過程中，存在兩種不可避免的矛盾。一種是企業(yè)對(duì)空壓機(jī)管理人員有明確的考核，那么會(huì)出現(xiàn)氣壓經(jīng)常不夠或能少開就少開的習(xí)慣，不利于生產(chǎn)線的正常運(yùn)行，或出現(xiàn)壓力達(dá)不到設(shè)備使用要求導(dǎo)致用氣終端故障增加。一種是對(duì)空壓機(jī)管理人員沒有明確的考核，這就會(huì)導(dǎo)致空壓機(jī)多開、空壓站空載能耗高的結(jié)果。無論哪種管理模式，其結(jié)果都會(huì)是空壓站電能浪費(fèi)增大，而且不利于安全生產(chǎn)。[Page]

  四、空壓站節(jié)能案例賞析

  案例一：

  某某水泥有限公司4500t/d熟料生產(chǎn)線項(xiàng)目于2008年8月18日點(diǎn)火投產(chǎn)，總投資6.2億元，年產(chǎn)熟料155萬噸，水泥200萬噸，建設(shè)范圍自石灰石、砂巖礦山開采及破碎至水泥成品出廠，并同步配套建設(shè)純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，屬典型的節(jié)能型項(xiàng)目，污染物的排放優(yōu)于國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，可以有效的提高現(xiàn)有資源的綜合利用率。

  空壓機(jī)設(shè)備節(jié)能改造前后效益對(duì)比數(shù)據(jù)

  下面是就該公司采用《合同能源服務(wù)管理》方式對(duì)現(xiàn)役高危、高耗能空壓機(jī)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)節(jié)能改造的節(jié)能效益和工程項(xiàng)目達(dá)成方式的闡述，請(qǐng)參閱：

  1、改造前服役空氣壓縮機(jī)能耗數(shù)據(jù)（表一）

  備注：目前開機(jī)情：  1.空壓機(jī)房平時(shí)開機(jī)5開1備。

  2.開機(jī)總運(yùn)行功率：557kW/排氣量

  3.齒輪傳動(dòng)損耗：3—5%（以110kW按3%的損耗是3.5kW/每小時(shí)）。

  4.所有的冷干機(jī)都未運(yùn)行。

  備注：此份實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為該公司提供的，提供日期：2015年10月12日

  2、改造后服役空氣壓縮機(jī)能耗數(shù)據(jù)（表二）

  1、表1中得出：貴司正常使用是5臺(tái)，銘牌功率110/kW*5=578kW；實(shí)際耗電557kW/每小時(shí)（實(shí)際運(yùn)行壓力在0.63）；理論排氣量在：100.6m³/min，實(shí)際排氣量在85.51m³/min；

  2、表2中得出：采用益鑫提供的永磁同步雙級(jí)壓縮永磁變頻一體機(jī)5臺(tái)，90/kW*5=450kW; 實(shí)際耗電在453kW/每小時(shí)，理論排氣量在：99m³/min，實(shí)際排氣量在90m3/min；

  3、空壓機(jī)設(shè)備節(jié)能改造前后節(jié)能量數(shù)據(jù)：采用同壓力、同排量的節(jié)能空壓機(jī)替換現(xiàn)用的空壓機(jī)完成等同的生產(chǎn)量，節(jié)能空壓機(jī)比原來的空壓機(jī)在加載運(yùn)行狀態(tài)下每小時(shí)節(jié)省電量約104度，每小時(shí)節(jié)省電費(fèi)約72.8元（電費(fèi)按0.7元/度計(jì)算）。

  4、結(jié)論：該公司空壓機(jī)節(jié)能改造后

  A、該公司節(jié)能效益收益

  ①運(yùn)行1小時(shí)可節(jié)約電量約104度；可節(jié)約電費(fèi)約72.8元；

  ②運(yùn)行一年（365*0.95=346.75天/8322H）節(jié)約電量86.5萬度；可節(jié)約電費(fèi)約60.5萬元；

  ③運(yùn)行4萬小時(shí)可節(jié)約電量約416萬度；可節(jié)約電費(fèi)約291萬元。

  B、該公司節(jié)能效益收益

  備注：1.五年以后的常規(guī)保養(yǎng)費(fèi)用在1.5萬/元/臺(tái)/年；

  2. 益鑫公司保證按照客戶提供的空壓機(jī)數(shù)據(jù)采集表節(jié)能率≥20%。

  3.客戶零投入，五年所獲利272.5萬/元，十年獲利525萬/元。

  B、社會(huì)節(jié)能效益

  ①運(yùn)行1小時(shí)可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約0.0332噸；可減少二氧化碳排量約0.0664噸；

  ②運(yùn)行4萬小時(shí)可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約1331噸；可減少二氧化碳排量約2662噸；

  ③隨著碳排放上網(wǎng)交易，目前均價(jià)在25元/噸（目前7個(gè)試點(diǎn)城市，明年全國(guó)實(shí)施）。

  案例二：

  某某玻璃股份有限公司，占地800余畝，員工800多名，公司注冊(cè)資本2億元人民幣，公司建于2004年，擁有兩條700t/d超白玻璃及深加工生產(chǎn)線，年產(chǎn)超白玻璃860萬重箱，鋼化玻璃50萬平方米，中控玻璃280萬平方米。

  公司秉承“產(chǎn)品代表人品，質(zhì)量代表形象”的經(jīng)營(yíng)理念，努力追求和和開發(fā)高科技、高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量的新產(chǎn)品，近年來創(chuàng)出了最佳的社會(huì)效益，成為同行業(yè)中一面旗幟。

  空壓機(jī)設(shè)備節(jié)能改造前后效益對(duì)比數(shù)據(jù)

  下面是就該公司采用《合同能源服務(wù)管理》方式對(duì)現(xiàn)役高危、高耗能空壓機(jī)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)節(jié)能改造的節(jié)能效益和工程項(xiàng)目達(dá)成方式的闡述，請(qǐng)參閱：

  1、改造前服役空氣壓縮機(jī)能耗數(shù)據(jù)（表一）

  備注：目前開機(jī)情況：A 正常開3臺(tái)備2臺(tái)，生產(chǎn)用氣120m³/min  ；

  B 此3臺(tái)設(shè)備出廠日期：2010年，隨著時(shí)間的推移，設(shè)備保養(yǎng)費(fèi)用會(huì)增加很大（5#主機(jī)即將大修，效率下降5—10%）。

  C皮帶傳動(dòng)損耗：3—5%（以250kW按3%的損耗是7.5kW/每小時(shí)）。

  2、改造后服役空氣壓縮機(jī)能耗數(shù)據(jù)（表二）

  1、表1中得出：貴司正常使用是3臺(tái)，銘牌功率250/KW*3=750kW；實(shí)際耗電846KW/每小時(shí)排氣量在：120.8m³/min；

  2、表2中得出：采用益鑫提供的永磁同步雙級(jí)壓縮3臺(tái)，200/kW*3=600kW; 實(shí)際耗電在660kW/每小時(shí)，排氣量在：

  3、空壓機(jī)設(shè)備節(jié)能改造前后節(jié)能量數(shù)據(jù)：采用同排量、同壓力的節(jié)能空壓機(jī)替換現(xiàn)用的空壓機(jī)完成等同的生產(chǎn)量，節(jié)能空壓機(jī)比原來的空壓機(jī)在加載運(yùn)行狀態(tài)下每小時(shí)節(jié)省電量約186度，每小時(shí)節(jié)省電費(fèi)約117.1元（電費(fèi)按0.63元/度計(jì)算）。

  4、結(jié)論：貴公司空壓機(jī)節(jié)能改造后

  A、貴公司節(jié)能效益收益

  ①運(yùn)行1小時(shí)可節(jié)約電量約186度；可節(jié)約電費(fèi)約117.1元；

  ②運(yùn)行一年（365*0.95=346.75天/8322H）節(jié)約電量約154.7萬度；可節(jié)約電費(fèi)約97萬元；

  ③運(yùn)行4萬小時(shí)可節(jié)約電量約744萬度；可節(jié)約電費(fèi)約468萬元。

  B、該公司節(jié)能效益收益

  備注：1.五年以后的常規(guī)保養(yǎng)費(fèi)用在3.5萬/元/臺(tái)/年；

  2.益鑫公司保證按照客戶提供的空壓機(jī)數(shù)據(jù)采集表節(jié)能率≥20%。

  3.客戶零投入，五年所獲利382.5萬/元，十年獲利854.5萬/元。

  B、社會(huì)節(jié)能效益

  ①運(yùn)行1小時(shí)可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約0.0691噸；可減少二氧化碳排量約0.1382噸；

  ②運(yùn)行4萬小時(shí)可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約2764.8噸；可減少二氧化碳排量約5529.6噸；

  ③隨著碳排放上網(wǎng)交易，目前均價(jià)在25元/噸（目前7個(gè)試點(diǎn)城市，明年全國(guó)實(shí)施）。[Page]

  五、公司及產(chǎn)品篇

  益鑫能源科技（上海）有限公司是中國(guó)節(jié)能協(xié)會(huì)理事單位，是一家國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)，公司是以空氣壓縮系統(tǒng)、整體節(jié)能改造、能源投資、機(jī)械設(shè)備成套等業(yè)務(wù)為主導(dǎo)，集投資、工程、服務(wù)、制造、貿(mào)易為一體的集團(tuán)化企業(yè)。

  公司先后獲得國(guó)家發(fā)明專利、實(shí)用新型專利20余項(xiàng)，已申報(bào)待批準(zhǔn)30余項(xiàng)，先后和國(guó)內(nèi)多所重點(diǎn)院校、科研院所建立了技術(shù)合作關(guān)系，由專家、科學(xué)家、博導(dǎo)組成的行業(yè)領(lǐng)先的技術(shù)核心團(tuán)隊(duì)，確保公司技術(shù)的優(yōu)越性和前瞻性。

  超級(jí)WINNER系列雙級(jí)壓縮永磁變頻一體機(jī)簡(jiǎn)述

  噴油螺桿空氣壓縮機(jī)采用永磁同步雙級(jí)壓縮來提高壓縮機(jī)的能效，其能效的提高基于下列的三個(gè)主要原因：一是每一級(jí)壓比的降低，提高了容積效率，降低了每一級(jí)的內(nèi)外泄露；二是采用了永磁同步高效電機(jī)，效率在95%以上，比普通電機(jī)能效高5%--8%個(gè)點(diǎn)；三是在油氣混合物在一級(jí)排氣進(jìn)入二級(jí)吸氣之前，可充分混合，起到級(jí)間冷卻的作用，這一較為充分混合的油氣混合物進(jìn)入壓縮機(jī)的第二級(jí)進(jìn)行壓縮，也使得第二級(jí)的壓縮過程更為接近等溫過程，提高了壓縮機(jī)的能效。

  1.關(guān)鍵技術(shù)

  （1）高效轉(zhuǎn)子型線技術(shù)；

  （2）永磁同步高效電機(jī)；

  （3）級(jí)間冷卻關(guān)鍵技術(shù)：在壓縮氣體通道上安裝有多個(gè)噴射孔形成霧狀噴射簾，以實(shí)現(xiàn)快速降溫。整個(gè)過程接近等溫，節(jié)能效果較好；

  （4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，其中包含壓比分配優(yōu)化技術(shù)、排氣空口優(yōu)化技術(shù)、噴油量?jī)?yōu)化技術(shù)等。

  2.工藝流程

  該技術(shù)工藝主要包括：壓縮空氣流程、潤(rùn)滑油流程和控制管路流程。具體工藝流程見圖1。

  （1）壓縮空氣流程：空氣通過進(jìn)氣過濾器將大氣中的灰塵或雜質(zhì)濾除后，由進(jìn)氣控制閥進(jìn)入壓縮機(jī)一級(jí)主機(jī)，在壓縮過程中與噴入的冷卻潤(rùn)滑油混合，經(jīng)壓縮后的混合氣體從一級(jí)壓縮腔排入聯(lián)接腔，在聯(lián)接腔內(nèi)與噴入潤(rùn)滑油混合冷卻，進(jìn)入二級(jí)主機(jī)進(jìn)氣腔，并經(jīng)行壓縮、提高壓力，從二級(jí)壓縮腔排入油氣分離罐。

  （2）潤(rùn)滑油流程：油氣桶內(nèi)的潤(rùn)滑油被壓出，經(jīng)溫控閥、油冷卻器，冷卻后再經(jīng)油過濾器除去雜質(zhì)顆粒，然后分成兩路。一路從機(jī)體下端噴入一級(jí)壓縮室，冷卻壓縮空氣，并通到一級(jí)及二級(jí)機(jī)體兩端，潤(rùn)滑軸承組；另一路通過管路，噴入聯(lián)接腔，降低一級(jí)壓縮氣體溫度。而后各部分的潤(rùn)滑油再聚集于壓縮室底部，由排氣口排出。與油混合的壓縮空氣排入油氣桶后，絕大部分的油沉淀于油氣筒的底部，其余的含油霧空氣再經(jīng)過油細(xì)分離器，進(jìn)一步濾下剩余的油，并參與下一個(gè)循環(huán)。

  （3）控制管路流程：起動(dòng)→負(fù)載運(yùn)行→卸載運(yùn)行。

  主要技術(shù)指標(biāo)

  備注：益鑫1級(jí)能效比3級(jí)能效節(jié)能＞25%以上。