空压机的节能改造

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空气在 自然界是-种取之不尽的资源，然而被压缩后的空气确是相当昂贵的。电机通过驱动压缩机提高空气压力，将电能转化为空气动力能的过程中，并没有将电能 100%转化为空气动力能。以广泛使用的螺杆空压机为例，只有不到10%的电机输入功率被转化为可用的压缩空气动力能，也就是说要得到 1 kW的空气动力能，需要花费至少 10 kW的电能。所以相对于电能，压缩空气是相当昂贵的。

随着能源的日益紧张，能源价格的不断攀升，节能被提到-个相当重要的高度。越来越多的企业选择对能源消耗大户进行节能改造，这不仅可以缓解政府能源供应和建设压力，减少废气污染保护环境，更重要的是可以让企业降低能耗，减少企业自身运营成本。对于螺杆空压机来说，常用的节能改造方法主要有两种：变频改造和余热回收。变频电机驱动的压缩机组与传统的固定转收稿 日期：2013-06-20-2013年04期(总第240期)速压缩机组相比可节约 25%-45%左右的能源。从下面的分析我们可以看到，空压机产生的余热，其中有 80%以上是可以设法回收利用的。从节约能源、降低生产成本、提高竞争能力、保护环境、以及减少电网冲击，延长压缩机组的使用寿命等多方面看，压缩机的节能改造更有积极的意义。

2 变频节能改造压缩机耗电占我国年总发电量的约 10%。-般使用压缩机的企业，压缩机耗电量可达企业总耗电的30%，甚至更高。对-个企业来说，压缩机就成了最耗电的设备。因此从 十-五”起国家亦将压缩机，风机等列为主要耗能设备之-，作为 十二五”电机系统节能工程的关键设备和重点环节。

在选择配套压缩空气设备时，企业通常都会按照最大负荷条件确定设备规格，且往往按-定的安全系数 (1.1～1.15)进行放大。而在压缩机日常运行中，设备大多数不是在最佳效率的满负荷能 分 析状态下运行，据资料显示，我国工业压缩机的平均负荷系数在0.6～0.7之间，对应的是传统固定转速压缩机在低负荷运行下，用能效率大大降低，比满负荷额定状况下-般低 25%-45%。

依据行业统计数据，仅工业用螺杆空压机产品， 十-五”期间的年出产台数平均增长约为26%，到 2010年其产量已达到约 11万台，加上十二五”的2011，2012两年，保守估算市场保有量估计在45万台左右。依据典型企业产品规格分布取样，平均每台压缩机功耗 50 kW，则全国仅工业用螺杆空压机装机容量约为 2250万 kW，其中大部分机组还都是传统的固定转速压缩机组，如果能对存量压缩机市场的5O%进行改造，粗略估算年节约电耗 (-年运转4000 h计算)约 110亿 kW·h，减少二氧化碳排放约 1097万吨，由此可获得具有巨大的经济、社会效益。因此压缩机的节能改造空间巨大，势在必行12.1 变频节能改造原理螺杆压缩机属于容积式压缩机，靠阴阳转子与壳体形成的容积变化压缩气体，整机工作原理及系统构成如图 1。机组由螺杆压缩机机头、电动机、油气分离桶、冷却系统、空气调节系统、润滑系统、安全阀及控制系统等组成≌气通过进气过滤器 (1)将大气中的灰尘和杂质滤除后，由进气减荷阀 (2)进入压缩机主机 (3)，在压缩过程中与喷人的润滑油混合。喷人压缩机的润滑油在系统中不仅起到润滑运动部件和密封泄漏间隙等作用，更主要的是冷却作用，将压缩空气时所产生的热量带走，使系统保持在合理的温度水平，保证机组的正常运行。润滑油和空气混合物被压缩温度升高，为了满足压缩空气使用端的要求 ，经油气分离器 (6、7)后的压缩空气需经后冷却器(13)冷却降温 (5～10℃回冷温度)和气水分离 (14)析水，最后送人使用系统。

尽管输入功率的大部分能量最后作为余热散人大气，但作为获得纯净、安全的压缩空气动力源的代价，电机输入功率的85%～96%仍是压缩机运转的有用功。实际测试数据说明，压缩机系统的气量调节方式和运行的负荷率决定了此部分有用功的能量利用效率，图2是依据测试数据绘制的典型螺杆压缩机负荷效率状况曲线。

100 i瓣 聪1.空气过滤器 5.排 单向阀9.安全阀 13.屋冷却琴2.减荷阀 6.分离油罐 10.油过滤器 14.气水分率器3.螺杆主机 7.油气精分嚣 l1.温控阀4.停油阀 8.最小压力阀 l2.油冷却器图 1 螺杆空压机系统工作原理及流程图图 2 负载效率曲线我们知道螺杆压缩机最佳效率点是处于满负荷的额定压力下运行，但在实际运行中，由于用户气量需求的变化，设备往往处于变工况状态下运行，即通过不同的控制和机构调节，使压缩机的排气量处于与需求相匹配的运行工况。通常螺杆压缩机控制调节有以下几种方式：(1)进气节流调节：是指在压缩机进气管路上安装节流阀，进气受到节流后，因克服节流阀阻力使进气压力降低，故进气密度下降，所以进入压缩机的质量流量减少，根据节流阀开启度的不同，质量流量减少的程度也不同，从而实现容积流量的连续调节。这种调节方式的最大特点是调节机构很简单，成本低廉，适合于大、中、小型压缩机的不同调节诚，但是其调节范围有限，现有设备-般可调节范围50%-100%。

(2)压缩旁通调节：是指将压缩腔与进气腔连通，需要时使压缩的气体返回进气腔，减少排气量，实现容积流量调节。但此类调节结构复杂，制造成本高，且调节范围较小 (-般为 60%2013年o4期(总第240期)节 能 分 析鬣100%)。有个别企业采用结构更为复杂的提升阀结构，可做到最低 25%流量调节，但其调节为步进调节 (25%、50%、75%)，做不到无极调节。

(3)ON-OFF调节 (停机调节)：即当系统压力达到客户设定上限时，压缩机停机，随着客户用气消耗，系统压力降低，达到最低设定下线时，压缩机重新开机。这种模式比较适合客户工况变化非常大，配备足够的辅助系统 (如储气罐)下使用。机组的频繁启动对压缩机本身的寿命影响较大，而且对电网的冲击也频繁。

(4)变速调节：是指根据客户用气设备需求气量的变化，通过压力传感调速机构调节压缩机的转速，实现气量的调节。此类调节方法效率高，调节范围大 (20%～100%)，且能保持供气压力稳定 (±0.01 MPa)。消除了传统控制压缩机设备启动时段的非经济运行，避免电网冲击，保护了电机及压缩机相关部件，延长压缩机使用寿命，在压缩机的整个寿命周期中，可大幅节省能源。

从图 (2)螺杆压缩机的负荷效率状况图可以看出，当压缩机在变工况条件下运行时，变频调节可获得最大的能量利用效率，与固定转速压缩机组普遍采用的节流调节相比，能量使用效率相差最大可达到 45%～50%，当机器负荷在 65%时，变频调节控制可节省 25%的能源，且如图3所示，变频调节控制保证了供气压力的稳定，减少管线压力波动造成的能源损失约0.5%～1%。

常见的节能变频系统-般由变频器，可编程控制器、变频柜、电抗器、压力传感器等组成，可根据客户状况实现单机或多机组变频改造，也可根据客户要求保留原有工频配置，实现工频和变频运行的切换，图4即为-套高压变频装置的主配置方案图。

图3 管线压力波动状况-2013年o4期(总第240期)节能变频系统通过压力传感器感知客户管网压力，经过控制器的PID运算，给变频器输出指令信号，从而控制驱动电机转速变化，以实现压缩机产气量与实际用气量的匹配。由此做到稳压供气，节省能耗。

./ 圈 图4 节能变频装置2.2 变频节能改造经济效益分析下面以75 kW机器为例，计算变频节能改造后的效果。

假设该机器每日运行两班，每班 8 h，平均负载率65%，每度电费0.9元，则·改 造 前 年 耗 电 75 x8 x2×(365-52 x2)313200kW ·h；改造后年耗 电75x8x2×(365-52x2)× (1-25%)234900kW·h；- 年可节誓电78300 kW·h，减少二氧化碳排放约78 t，节约电费70470(78300x0.9)元。

对于企业来说，-年即可收回节能改造成本，为企业节省了大量费用，更兼机器运转平稳，噪声低，电网冲击小，机组零部件寿命长，保护了环境，创造了巨大的社会效益。

3 压缩机余热回收我们知道，空气被压缩，压力提高的同时温度也会急剧上升，电机在驱动压缩机运行当中，有相当大比例的能量被转化为热量，包括电机耗损、机械磨损等最终也都转化为热量，如图5所示，约占90%。为了保证压缩机的正常运行，这部分热量必须及时从压缩机组中导走。目前普遍的做法是通过压缩机组的油冷却器和压缩空气后能 分 析冷却器直接排放到大气，这不仅造成能源的白白浪费，还造成了环境热污染。

从后续的分析我们可以看到，空压机产生的图5 螺杆空压机能量平衡图力能余热，其中有80%以上是可以设法回收利用的。

3.1 压缩机系统余热回收的原理及方法在说明压缩机系统余热回收原理和方法之前，我们先简单介绍-下空气压缩机组的散热、温度调节和控制原理，以便了解加装余热回收系统，或直接设计带有余热回收系统的机组时必须满足压缩机组正常运行时的基本条件。

图 1为传统的无余热回收系统的喷油螺杆空压机流程图。油气分离器内的润滑油带有大量的热量，润滑油经油冷却器 (12)冷却降温和油过滤器 (10)过滤后返回压缩机头循环使用。大约相当于电机输入功率80%～90%的能量，通常经风冷或水冷式油冷却器和后冷却器散发到大气内。

压缩机组在连续运行时，排气温度既不能过高，也不能过低。温度过高时，不仅润滑油老化加速、压缩机组的部分零件因热胀而加大磨损影响寿命、还有部分密封零件因高温老化影响寿命；此外，因油气混和物在高温下，如达到润滑油的闪点温度 (150-200%)，会有引起火灾的危险，当排气温度高于-定温度时 (-般设定在 1 101 15℃范围内)，控制系统将自动停机。相反排气温度过低时，空气中的水分，经压缩后，有可能会在机头以及油气分离器内析出，造成转子、轴承等生锈和润滑油乳化等问题。因此，喷油螺杆压缩机的正常排气温度-般控制在 80～100%范围内，冬天趋于下限，夏天趋于上限。喷油螺杆压缩机组的排气温度，主要通过温控阀调节喷入机头的润滑油温度来自动调节，喷油温度-般要在60～80%范围内。

当空压机冷态启动时，油温较低，-般当低102于 60%时，油冷却器被完全旁通；油分桶内润滑油经温控阀 (11)、油过滤器 (10)直接返回喷人机头。当油温高于 60℃时，温控阀部分打开，部分润滑油经油冷却器降温，和其余润滑油混合后进人机头；当油温升高达到温控阀 (11)的设定温度时 (-般为 75℃)，温控阀完全开启，润滑油全部流经油冷却器 (12)，散热冷却后，再经油过滤器 (101返回喷入机头。

也有-些低成本的空压机组不用温控阀，而用控制冷却器风扇开停来控制排气温度。压缩机组启动时，排气温度较低，冷却风扇不需运转；当温度达到-定程度时，比如为80℃时 (可通过控制器根据应用环境设定)，冷却风扇开始运行，冷却润滑油，从而降低主机工作温度。冷却风扇运行-段时间后，主机温度下降，如低于 75℃时，风机停转。

空压机余热回收从原理上讲很简单。最简单的余热回收就是，在冬天将压缩机风冷系统出来的热空气直接导人到生产车间，用来取暖。这种方法在冬天能达到最大的余热回收效率，可将余热几乎 100%地回收利用，但在其他不需取暖的季节 还是得把余热排放到大气。

图6所示为在对已有的空压机组进行余热回收改造的原理图。该例图中，保留了原有的冷却系统，只对油气分离罐后的油路 (也可以包括气路)适当进行改造，连接到外加的余热回收热交换器 将润滑油 (也可以包括压缩空气)所带有的热量 ，传导给余热回收换热器内的另-载体(-般为水)，将原本要排放到大气的热量输送到保温储水罐，用来加热生活或生产用水，变废为宝 ，从而减少了原先加热水时所需的能源。通过安装相应的油温与水温控制措施，调节油温，保证压缩机的正常运行。这就是空压机余热回收系统的基本原理。

图7所示为在对已有的空压机组，改造加装余热回收系统后的系统流程图，不改变空压机原有的工作状态下施实余热回收。因为空压机系统内的75%左右的余热由润滑油带走，图7示系统只对油气分离罐后的油路进行了改造，增加余热回收换热器及相应的控制装置。对原有系统的改动很少，而且也用温控阀 (15)来控制油温，在2013年04期(总第240期)-节 能 分 析空压机组冷启动、油温较低时，不进行冷却，确保压缩机组的正常运行。在对余热回收系统进行维护时，空压机组可恢复使用原有的冷却系统，正常运行。用余热回收热交换器对润滑油进行冷却，合理利用空压机热能，不增加任何运行成本。

余热回收装置用液体来冷却转移压缩机的余热，容易调节和恒定油温在最佳压缩机运行温度，优化空压机工况，实现主机节能。

图 6 现有压缩机组余热回收改造原理图在新设计空压机组时，也可直接用余热回收换热器作为压缩机组的冷却系统，如图8所示。这种系统设计不仅使整个系统成本低、控制容易，而且余热回收率高，压缩空气中的余热也得到回收。

余热回收器 100%靠吸收空压机废热，并把热量输送到保温储水罐对冷水加热。在保温储水罐中，当水温被加到设定温度时 (如 70℃)，供水泵开启向热水使用场所供水；当保温储水罐中水位下降到设定值时，循环水泵开始向保温储水罐补水。

3.2余热回收换热器压缩机余热回收原理本身很简单，但用什么型式的换热器、如何能回收更多的热量和确保压缩机组正常或更好的运行才是技术关键。首先，从以上喷油螺杆空压机运行时对温度的要求及温度调节的原理看，该类型空压机可回收的余热为低品质热能，温度在 80-100C之间，余热回收热：蠢 蔷滤器 耗 阀 轰 器 ；：霉粢 至群望机 毒碧 ：蕊 暴蠢萏表嚣温控阀4，：器辐高机 ；： j n12： l 16：囊冀昌餐冀 羹霎 .停油阀 8.最小压力阀 .油冷却嚣 .余热回收热效抉器图7 加装余热回收系统后的喷油螺杆空压机流程图m 2013年04期(总第240期)图 8 新设计压缩机组余热回收原理图l图 9 板式热交换器示意图交换器流体之间的温差不会很大，所以要求热交换器效率要高；其次，压缩机组运行时，系统的输气量随用气量变化，系统输入功率会变化，转化为需排放的余热多少也会变化，系统的排气温度也会因环境温度的变化而变化。此外，换热器的质量要求要好，不然换热器的损坏 (泄漏)会对压缩机产生致命的损坏。在余热换热器的选型及设计计算时这些是必须要考虑的因素。

板式换热器是-种新型高效换热器，由-系列具有-定波纹形状的金属片叠装而成的，如图9所示。各个板片之间形成必形通道，通过金属板片进行热量交换。板式换热器是液-液、液-气进行热交换的理想设备。它具有换热效率高、对数平均温差大、末端温差孝热损失孝结构紧凑轻巧、占地面积孝安装和拆装清洗方便、容易改变换热面积，适应新的换热工况等特点。在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换热器高3～5倍，占地面积仅为管式换热器的三分之-，热回收率可高达90%以上。

板式换热器是非常理想的空压机余热回收热交换器。如图1O是-个典型的用于空压机润滑油余热回收的热交换器，装置中带有温控阀，用来控制调节喷入压缩机头的油温。热交换器安装在封闭的箱体内，-方面是出于安全考虑，避免换热器的热表面烫伤操作人员，另-方面减少热量向大气撒发，提高余热回收率。

3.3 压缩机系统余热的利用及节能效益分析空压机余热回收是以空压机自身工作所排放能 分 析的热量作为热源，通过余热回收设备完成能量的转移，将它转移到需要热量的设备上，减少原本需要加热的燃料成本。由于空压机余热的温度范围在80100(：，回收的热量-般用于如下诚：图 10 空压机组润滑油余热回收热交换器(1)空间加热，如冬天办公室 、生产车间以及家庭的取暖；(2)洗澡等生活用水的加热；(3)锅炉补水的预热，降低锅炉使用过程中的燃料；(4)工艺流程用供热，如造纸厂用以加热纸浆提高造纸效率等；(5)将压缩机余热回收再用到压缩空气的干燥。

空压机余热回收利用节能工程，不但能减少对大气排放热污染，更能帮助企业节噬观的生产成本。下面我们将以-简单计算来说明空压机余热回收节能的经济效益。

以-台200 kW的空压机为例，假设每年运行8000 h，电费按 0.9元/kW·h计算。根据前面分析，保守假定空压机输入功率的约 80%转化为可以回收利用的热能，再按 80%余热回收率计算，那么每年能节约的电能和电费就是：200kWx8000 hx80%x80%1024000(kW·h)0.9元/kW·hx1024000 kW·h912600 (元)即节约 102.4万度电，折合人民币近 91.26万元电费。

按照标准的能源折算系数计算，相当于每年：节省0号柴油 85.2 t或节省天然气 97780 m3或节省标准煤 125.7 t电功率热值 l kw·h860 kcal；1 t水每升高1℃，所需要热量为 1000 kcal。按-年平均补水温度200C，每人洗澡用水 50 kg计算：- 台200 kW空压机 24 h所回收的热量Q200 kW.x80%x80%x860 kcal/kW，hx24 h 264192O kcal每天可供应60cI的热水量G2641920/[(60-20)x1000kcal/(1oC。t)] 66.1 t每天可供洗澡人数：N66.1/0.05 t1322人/天采用余热回收的空压机机组，除了上述节能效益外，系统还具有如下特点：(1)压缩机运行温度受环境温度影响小，可以在最佳、较低和恒定的温度下运行；(2)空压机的运行温度改善后，输气量提高、空压机运行效率、运行成本降低；(3)油分效率提高、油耗降低、延长了润滑油、油/气分离器更换周期、维修维护成本降低；(4)润滑油和机组寿命延长。