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    淺談螺桿空壓機的能效問題


    時間:2022-5-12 16:11:56   作者:華鈦動力機械


    壓縮空氣作為生產企業四大動力源之一,早已在機械制造、石油化工、食品醫藥、電子制造、交通基建等領域得到廣泛應用,螺桿空壓機成為最為重要的通用設備之一。然而,國內很多空氣壓縮機用戶對空壓機的節能概念并不重視,認為只要設備性能穩定可靠即可,其它是次要的,在壓力、排氣量及氣源品質滿足要求之后,設備采購成本是優先考慮的要素。

    重慶空壓機

    現實情況怎么樣呢?我國空壓系統電能消耗占工業用電量的8~10%。2020年全國工業用電50297億度,空壓機耗電量取中間值約為4526億度,其中有效能耗只占66%,其余34%的能量(約1539億度電)被白白浪費掉,空壓系統的節能增效亟待開展。另有統計數據表明,在空壓機的整個生命周期中(噴油螺桿空壓機一般在8-10年) 設備購置成本僅占5%,維護成本占18%左右,運行電費占到了驚人的77%甚至更高。因此,實施空壓機節能降耗措施意義重大。

    我國目前針對螺桿空壓機的能效標準是2020年7月1日正式實施的GB19153-2019《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》,該標準指出空壓機比功率越小,能效水平越高。該標準將空壓機的能效分1級、2級、3級三個等級。其中噴油螺桿空壓機每兩個能效等級之間能效普遍相差10%左右,因不同排氣壓力、冷卻方式和額定功率存在一定的差異。

    目前,提高壓縮空氣系統的主流措施包括進行合適的空壓機選型、按實際用氣量來配置后外理設備、壓縮空氣管路合理布置、智能集中管理、防治“跑冒滴漏”、余熱回收以及高質量維修保養等。當然,在預算足夠的情況下,采用能效等級更高的空壓機是最為重要的一個環節。

    近年來,噴油雙螺桿空壓機主機關鍵技術國產化加快,行業整體發展得以提速。在7.5-355kW功率范圍(壓力1.3Mpa以下)內基本取代了傳統的活塞式空壓機而成為市場主流機型,國內市場每年約有50萬臺上下的銷售量,且以10%的速度增長。在此背景下,對螺桿空壓機進行整機能效提升具有十分重要的現實意義。

    影響螺桿空壓機整機能效最為重要的因素是螺桿主機,目前市場上的雙螺桿空壓機主要分為單級壓縮和兩級壓縮兩種。單級壓縮是出現時間較長,應用廣泛。在實際使用中,一些功率大,產氣需求大的空壓機組,往往采用兩級壓縮。近幾年,行業內企業都熱衷干申報《國家工業節能技術裝備推薦目錄》和“能效之星”,其中入選的兩級壓縮機型占比較高。

    從兩級壓縮螺桿空壓機的工作原理看,就是將一級壓縮轉子和二級壓縮轉子組合在一個機殼內,并分別通過斜齒輪直接傳動。自然空氣通過空氣過濾器進入第一級壓縮,在壓縮腔與少量潤滑油混合,同時將混合氣體壓縮到級間壓力。壓縮后的氣體進入冷卻通道,與大量油霧接觸,降低溫度。降溫后的壓縮氣體進入第二級轉子,進行二次壓縮。被壓縮到終排氣壓力,然后通過排氣法蘭排出空壓機,完成整個壓縮過程。

    相比單級壓縮,兩級螺桿空壓機具有自己獨特的優勢。

    首先,分級壓縮,可以節省壓縮功。兩級螺桿空壓機通過兩級串聯工藝,使得原來單級壓縮過程分為兩個壓縮過程進行。這樣可以降低每個單級壓縮過程中的壓縮比,進而可以有效地大幅降低每一級螺桿轉子在嚙合、壓縮過程中所受的阻力。壓縮過程中做功阻力的降低,也就意味著每級軸承的負荷減少,即可以降低每級壓縮所需驅動功率。

    理想氣體壓縮過程中,單級壓縮所需功率與多級壓縮所需功率之和相等。但在實際壓縮過程中,由于聯軸器傳遞功率損失、軸承摩擦系數和冷卻液黏度等一系列因素都隨所受作用力的增大而增大,從而產生超出相同比例的無用功。所以通過降低各級壓縮比的方法可以減少實際壓縮過程中的無用功,從而使得多級壓縮所需功率之和小于單級壓縮所需功率。

    其次,中間噴油冷卻,降低了進入下一級的氣體溫度。所有的氣體壓縮過程其實就是氣體與運動部件的摩擦并被其壓縮的過程。既然存在摩擦,氣體就會因摩擦而產生溫升,必然存在膨脹趨勢,這部分能量在空氣壓縮這個固定容積內就會以力的形式,通過增加自身壓力的途徑來得到釋放。

    氣體的溫度提高了氣體在壓縮過程中自身的壓力,提高了壓縮比,因此必然要付出額外的功率,用來驅動設備將空氣壓縮至期望的壓力值。所以,兩級螺桿空壓機設置有冷卻液噴射裝置,通過向經過一級壓縮后的空氣噴射霧狀冷卻劑,使壓縮空氣進入第二級壓縮階段前,就被降低了溫度,達到相應的冷卻效果,如同為單級空壓機降低環境溫度或進氣溫度。這樣的冷卻裝置不僅大大節約了二次壓縮所需能量,而且使用冷卻劑噴射裝置可以省去中間冷卻器;冷卻劑噴射裝置所噴射出的霧狀冷卻劑在降低氣體溫度的同時,也有效降低了整個壓縮系統的溫度,減少了冷卻液的揮發,有助于油品長時間保持優良的使用性能,降低維修頻次和成本。

    近年來,國家壓縮機檢測中心的數據顯示,兩級壓縮的空壓機效率明顯高于單級,尤其是110kw以上產品,原來單級壓縮的空壓機幾乎不可能達到1級能效等級,其至很難達到2級能效,而兩級壓縮技術的應用則可以讓大功率空壓機較為輕易的達到1級能效。據行業資料顯示,不同功率的兩級壓縮螺桿空壓機能效值優于單級壓縮能效值10%~20%。

    采用不同的壓縮方式,單臺設備能效提升如此巨大的原因,一個是上面提到的中間冷卻液噴射使得壓縮過程接近等溫壓縮之外,另一個重要原因是內泄漏更少,容積效率更高。

    空壓機能效的提升是一個系統工程,不可能僅靠某一兩項改進就能達到最高能效。比如螺桿主機能效提高除了可采用兩級壓縮形式之外,還可以通過優化轉子型線,提高轉子加工精度,縮小轉子嚙合間隙、排氣端間隨等方式減少內泄漏。當然,并非所有的兩級壓縮螺桿空壓機都是最節能的,有些企業靠單級壓縮依然取得了很高的能效利用率。系統性的節能還取決于企業從研發、測試到制造,組裝,每一個環節和每一個細節,不斷精益求精。

     

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