空壓機變頻節(jié)能及余熱回收方案

1、節(jié)能項目方案設計1空壓機變頻節(jié)能改造1.1企業(yè)空壓機系統(tǒng)基本情況介紹某某科技（深圳）有限公司共有五臺空氣壓縮機，其中三臺用于A棟廠房，兩臺螺桿式空壓機37kW、型號：OGFD37；一臺活塞式空壓機15kW、型號：AW19008。供A棟廠房沖壓車間、自動組裝機以及研發(fā)部門用氣。另外兩臺螺桿式空壓機22kW、型號：OGFD22，供C棟廠房注塑車間、機加工車間、組裝、包裝車間用氣。1.2空壓機變頻節(jié)能改造分析一：原空壓機系統(tǒng)工況的問題分析1. 主電機雖然以星-角降壓起動，但起動時的電流仍然很大，會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定及其它用電設備的運行安全。2. 主電機時常空載運行，屬非經(jīng)濟運行，電能浪費最為嚴重。主電機

2、工頻運行致使空壓機運行時噪音很大。3. 主電機工頻起動設備的沖擊大，電機軸承的磨損大，所以對設備的維護量大。空壓機節(jié)能改造的必要性：鑒于以上對空壓機的原理說明以及目前的工況分析，我們認為對空壓機的節(jié)能降噪改造是必要的，這樣不僅能夠節(jié)約大量的運行費用，降低生產(chǎn)成本，同時還可以降低空壓機運行時產(chǎn)生的噪音，減少設備維護費用。二：螺桿式空壓機的工作原理介紹 單螺桿空壓機空氣壓縮機工作原理，如圖1所示為單螺桿空氣壓縮機的結(jié)構(gòu)原理圖。螺桿式空氣壓縮機的工作過程分為吸氣、密封及輸送、壓縮、排氣四個過程。當螺桿在殼體內(nèi)轉(zhuǎn)動時，螺桿與殼體的齒溝相互嚙合，空氣由進氣口吸入，同時也吸入機油，由于齒溝嚙合面轉(zhuǎn)動將吸入

3、的油氣密封并向排氣口輸送；在輸送過程中齒溝嚙合間隙逐漸變小，油氣受到壓縮；當齒溝嚙合面旋轉(zhuǎn)至殼體排氣口時，較高壓力的油氣混合氣體排出機體。圖1 單螺桿空氣壓縮機原理圖三：壓縮氣供氣系統(tǒng)組成及空壓機控制原理、壓縮氣供氣系統(tǒng)組成工廠空氣壓縮氣供氣系統(tǒng)一般由空氣壓縮機、過濾器、儲氣罐、干燥機、管路、閥門和用氣設備組成。如圖2所示為壓縮氣供氣系統(tǒng)組成示意圖。圖2 壓縮氣供氣系統(tǒng)組成示意圖、空氣壓縮機的控制原理工廠的空氣壓縮機控制系統(tǒng)中，普遍采用后端管道上安裝的壓力繼電器來控制空氣壓縮機的運行?？諌簷C啟動時，加載閥處于不工作態(tài)，加載氣缸不動作，空壓機頭進氣口關(guān)閉，電機空載啟動。當空氣壓縮機啟動運行后，如

4、果后端設備用氣量較大，儲氣罐和后端管路中壓縮氣壓力未達到壓力上限值，則控制器動作加載閥，打開進氣口，電機負載運行，不斷地向后端管路產(chǎn)生壓縮氣。如果后端用氣設備停止用氣，后端管路和儲氣罐中壓縮氣壓力漸漸升高，當達到壓力上限設定值時，壓力控制器發(fā)出卸載信號，加載閥停止工作，進氣口關(guān)閉，電機空載運行。四：螺桿式空氣壓縮機變頻改造 、空壓機工頻運行和變頻運行的比較空壓機電機功率一般較大，啟動方式多采用空載（卸載）星-三角啟動，加載和卸載方式都為瞬時。這使得空壓機在啟動時會有較大的啟動電流，加載和卸載時對設備機械沖擊較大；不光引起電源電壓波動，也會使壓縮氣源產(chǎn)生較大的波動；同時這種運行方式還會加速設備的

5、磨損，降低設備的使用年限。 對空壓機進行變頻改造，能夠使電機實現(xiàn)軟起軟停，減小啟動沖擊，延長設備使用年限；同時由于電機運行頻率可變，實現(xiàn)了空壓機根據(jù)用氣量的大小自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，減少了電機頻繁的加載和卸載，使得供氣系統(tǒng)氣壓維持恒定，在一定程度上節(jié)約了電能。、空壓機主電路和控制電路的變頻改造空壓機采用星-三角啟動方式，在其控制電路上有加載繼電器。在主電路改造時，將變頻器串接進原有的電源進線中；并適當修改控制回路，實現(xiàn)變頻器的啟停。圖3 空壓機電氣原理圖、空壓機變頻改造后的啟動和運行方式空壓機變頻改造后，電機啟動時原有的交流接觸器仍然由其控制PLC按星-三角方式動作，但在交流接觸器連接為星型時，角

6、形交流接觸器的常開觸點沒有閉合，變頻器不啟動、無輸出；當PLC控制交流接觸器轉(zhuǎn)換為三角形接法后，變頻器開始空載變頻啟動電機。當變頻器啟動電機完成后，變頻器自動變頻運行。五、螺桿式空氣壓縮機變頻改造后的工頻運行在考慮變頻器發(fā)生故障或是檢修時，空壓機能按原有的工頻控制方式運行，這保證了空壓機在變頻和工頻狀態(tài)下都可以運行，也使得改造時可以不用重新編寫PLC程序，為此增加了一套工頻、變頻自由切換電路，以方便系統(tǒng)的切換。圖4 工頻、變頻轉(zhuǎn)換示意圖六、螺桿式空氣壓縮機變頻改造節(jié)能分析如式1所示拉力F與摩擦力F大小相等、方向相反，拉力F在時間T內(nèi)拉動物體做直線運動，移動位移S。拉力F在時間T內(nèi)作的功率P為

7、（式1）由數(shù)學知識可知線速度v和旋轉(zhuǎn)角速度之間的關(guān)系如式2所示,式中f為旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)頻率。 （式2）將式2代入式1可以求得旋轉(zhuǎn)物體摩擦阻力功率如式3所示 （式3）由式3可以知道,克服旋轉(zhuǎn)體的摩擦阻力使旋轉(zhuǎn)體勻速轉(zhuǎn)動,需要向旋轉(zhuǎn)體提供的功率按式3公式計算（忽略機械效率損失，認為為1）。式3中F為旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)摩擦阻力，r為旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)半徑，f為旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)頻率。所以我們可以在忽略空氣壓縮機機械效率損失，同時忽略空壓機機械效率因為電機轉(zhuǎn)速變化而變化的情況下，即始終認為空壓機機械效率為1，可以近似地認為變頻器的輸出功率與空壓機電機的轉(zhuǎn)速成正比，即成一次方正比例關(guān)系。圖5 空壓機工頻運行時的轉(zhuǎn)速/功率-

8、周期示意圖圖6 變頻運行時的轉(zhuǎn)速/功率-周期示意圖如圖5所示是螺桿式空壓機工頻運行時的轉(zhuǎn)速/功率-周期示意圖。t1是空壓機加栽運行時間，t2是空壓機卸栽運行時間，加栽/卸栽時的轉(zhuǎn)速和功率分別為P1/n1和P2/n2。忽略空壓機機械效率的變化，W1和W2分別為空壓機加栽運行時間t1和卸栽運行時間t2中由電源輸送給空壓機電機的能量。其中W1轉(zhuǎn)換為壓縮空氣勢能、動能和熱能等形式的能量，供設備使用。而W2則轉(zhuǎn)換為機械的摩擦熱能和聲音、震動等形式的能量損失掉。所以螺桿式空壓機經(jīng)過變頻改造后，由于電機處于變速運行情況下，而通過式3的推導知道電機的平均功率與電機的平均轉(zhuǎn)速成一次方正比例關(guān)系。空壓機變頻改造后

9、，是根據(jù)用氣系統(tǒng)的用氣量恒壓變流供氣；所以變頻改造后，空壓機在周期T（t1+ t2）內(nèi)所作的功W，等于同等工況下，空壓機工頻運行時，加載運行時間t1內(nèi)所作的功W1。如圖5-6所示。通過以上分析，只要知道螺桿式空壓機工頻改造前卸載運行時間和卸載電流，就可以大致計算出，相同工況下變頻改造后的節(jié)能功率和節(jié)能電量（備注：忽略機械效率的變化）。1.3 空壓機變頻節(jié)能改造效益分析某某科技（深圳）有限公司的五臺空氣壓縮機，兩臺螺桿式空壓機OGFD37；兩臺螺桿式空壓機OGFD22；一臺活塞式空壓機AW19008在用氣量大、供氣量不足時才開機聯(lián)網(wǎng)供氣?，F(xiàn)對四臺螺桿式空壓機進行變頻改造。測試數(shù)據(jù)見表1 表1 空

10、壓機空載實測數(shù)據(jù)空壓機型號額定功率（kW）加載、卸載時間比電流（A）電壓（V）功率因數(shù)Cos數(shù)量（臺）OGFD37379：215.43860.862OGFD222211：38.63910.892根據(jù)1.2第“六”部分變頻改造節(jié)能量計算推導，“空壓機變頻改造后，在周期T（t1+ t2）內(nèi)所作的功W，等于同等工況下，空壓機工頻運行時，加載運行時間t1內(nèi)所作的功W1”，某某科技（深圳）有限公司的空壓機每天工作約10h，一年工作約312d，企業(yè)平均電價0.84元/kWh。對4臺（兩臺37kW、兩臺22kW）進行變頻改造。年可節(jié)約的電量：=1.732386V14.4A0.862臺10h2/11300d+

11、1.732391V8.6A0.892臺10h3/14312d 16976 kWh年可節(jié)約電費：16976 kWh0.84元/kWh=14259元表2 空壓機變頻改造費用及回收期計算費用名稱金額（人民幣） 單位：元備注變頻改造費850（37+22）=50150變頻改造費約：850元/kW；可采取變頻器一拖二投資回收期50150元14259元/年3.5年2空壓機余熱回收2.1企業(yè)空壓機系統(tǒng)排氣介紹某某科技（深圳）有限公司共有五臺空氣壓縮機，其中三臺用于A棟廠房，兩臺螺桿式空壓機37kW、型號：OGFD37，排氣溫度87；一臺活塞式空壓機15kW、型號：AW19008。另外兩臺螺桿式空壓機22kW、

12、型號：OGFD22，排氣溫度92，供C棟廠房注塑車間、機加工車間、組裝、包裝車間用氣。所有空壓機余熱沒有回收裝置，且宿舍有用熱水的需求，某某科技（深圳）有限公司共有員工620人。2.2空壓機余熱回收技術(shù)介紹 一、技術(shù)背景螺桿式空氣壓縮機的工作流程如下：空氣通過進氣過濾器將大氣中的灰塵或雜質(zhì)濾除后，由進氣控制閥進入壓縮機主機，在壓縮過程中與噴入的冷卻潤滑油混合，經(jīng)壓縮后的混合氣體從壓縮腔排入油氣分離罐，從而分別得到高溫高壓的油、氣。由于機器工作溫度的要求，這些高溫高壓的油、氣必須送入各自的冷卻系統(tǒng)，其中壓縮空氣經(jīng)冷卻器冷卻后，最后送入使用系統(tǒng)；而高溫高壓的潤滑油經(jīng)冷卻器冷卻后，返回油路進入下一輪

13、循環(huán)。在以上過程中，高溫高壓的油、氣所攜帶的熱量大致相當于空氣壓縮機功率的1/4，其溫度通常在80100之間。螺桿式空氣壓縮機通過其自身的散熱系統(tǒng)來給高溫高壓的油、氣降溫的過程中，大量的熱能就被無端的浪費了。為了充分利用螺桿式空壓機所產(chǎn)生的余熱，應采用余熱利用技術(shù)，利用余熱回收裝置對螺桿式空氣壓縮機所產(chǎn)生的高溫高壓的氣體進行冷卻，不僅可以提高空氣壓縮機的產(chǎn)氣效率，而且可使企業(yè)獲得生產(chǎn)和生活所需的熱水，嚴冬可加熱到50，夏秋季節(jié)65，從而解決了企業(yè)為生活熱水長期經(jīng)濟支付的沉重負擔。 空壓機熱泵與燃油鍋爐的經(jīng)濟價值比較（300人用水企業(yè)）表3供熱方式節(jié)能環(huán)保性一年運行費用（元）管理維護費用（元）供

14、熱程度總開支空壓機熱泵節(jié)能環(huán)保安全無運行費用清洗費300不限量不定時300元燃油鍋爐燃油污染環(huán)境702005000限量、定時75200元二、技術(shù)方案簡介圖7 空壓機余熱利用裝置系統(tǒng)流程三、 余熱利用系統(tǒng)優(yōu)點1. 安全、衛(wèi)生、方便螺桿空壓機余熱利用裝置與燃油鍋爐比較，無污染、一氧化碳、二氧化硫、黑煙和噪音、油污對大氣環(huán)境的污染。一旦安裝投入使用，只要空壓機在運行，企業(yè)職員就隨時可以提取到熱水使用，不必定時定量供應。2. 提高空壓機的運行效率，實現(xiàn)空壓機的經(jīng)濟運轉(zhuǎn)安裝螺桿空壓機余熱利用裝置的空壓機組，可以提高產(chǎn)生氣量8%，空氣動力學家和空壓機制造廠家給出廠機組額定的每分鐘產(chǎn)氣量m3/min是以80

15、的溫度測量定準的。螺桿空壓機的產(chǎn)氣量m3/min會隨著機組運行溫度的升高而降低，當然，空壓機的機械效率肯定不會穩(wěn)定在以80標定的產(chǎn)氣量上工作。它的反比程度是：溫度每上升1，產(chǎn)氣量就下降0.5%，溫度升高10，產(chǎn)氣量就降5%。一般風冷散熱的空壓機都在8896間運行，其降幅都在48%，夏天更甚?？諌簷C余熱利用裝置足可以使空壓機溫度降812，為此它的經(jīng)濟效益就更顯著了。由于產(chǎn)量的提高，供氣系統(tǒng)的氣壓也相應提高，自動化設備中的氣動元件，因為氣壓的升高，氣動元件的動作次數(shù)也會提高，使生產(chǎn)線的產(chǎn)量也跟著提升。氣動元件的動作靈敏、穩(wěn)定，對其生產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量也提供了可靠保證。3. 提高空壓機的使用壽命空壓機工

16、作溫度的降低，減少了機器的故障，延長了設備的使用壽命，降低了維修成本，增大了機油、機油隔、油/氣分離器更換時限，相應延長了設備的更換期限。4. 經(jīng)濟實用，運行可靠。在螺桿式空壓機旁安裝余熱利用系統(tǒng)，對空壓機的正常運行、維護、保養(yǎng)絕無影響，系統(tǒng)主體部分采用耐高壓，高導熱復合材料組成。2.3空壓機余熱回收節(jié)能改造效益分析現(xiàn)場實測某某科技（深圳）有限公司的四臺空壓機排氣溫度，具體數(shù)據(jù)見表5-4表4空壓機型號功率（kW）排氣溫度（）加載、卸載時間比數(shù)量（臺）OGFD3737879：22OGFD22229211：32環(huán)境溫度25；空壓機余熱回收進水溫度25，循環(huán)出水溫度55； 一天工作10小時，一年工作

17、312天；企業(yè)年平均電價為0.84元/kWh依照上述測試、統(tǒng)計數(shù)據(jù)，四臺空壓機余熱回收，一年可節(jié)約的電量計算如下：=1.005kJ/(kg.K)【390m3/h2臺9/1110h312d1.165kg/ m3】（87-55）+1.005 kJ /(kg.K)【216m3/h2臺11/1410h312d1.165kg/ m3】（92-55）kJ+kJkJ說明： 環(huán)境溫度1060空氣的比熱容：1.005kJ/(kg.K)； 環(huán)境溫度30空氣的密度：1.165kg/m3； 390 m3/h、216m3/h：查對應的空壓機的排氣參數(shù)得來；一年節(jié)約的電量：一年節(jié)約的電費：一年可提供熱水量（kg）：企業(yè)人

18、均用熱水30L/天，深圳250天/年用熱水；則可供人數(shù)：投資成本預算、投資回收期計算：表5 余熱回收成本預算及回收期費用名稱金額（人民幣）單位：元備注水泵80004臺管網(wǎng)、保溫10000水箱200002個控制系統(tǒng)8000換熱器16000人工費用5000合計67000投資回收期計算67000元28111元/年2.4年3、中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造A、增加中央空調(diào)分區(qū)域冷量計量系統(tǒng) 1）技術(shù)可行性分析: 目前公司對分部門的中央空調(diào)冷量核定采用的方法是，根據(jù)各車間部門的用途參照暖通標準制定出該部門每平方米的空調(diào)能耗量乘以該部門面積得到該部門的固定的消耗中央空調(diào)電量值，這種冷量及中央空調(diào)電量的分配核定方式不

19、能如實的反映各末端的空調(diào)能量使用情況，不利于中央空調(diào)用能的合理分配管理；如采用一套中央空調(diào)計費系統(tǒng)（系統(tǒng)主要由溫度傳感器、流量傳感器、能量積算儀及計算機組成，見圖8和圖9），可實時計量并合計各計量點的冷量并通過計算機得出各點分配中央空調(diào)能耗量及費用，給管理部門從管理及技術(shù)設備上調(diào)整末空調(diào)使用方式提供有力的數(shù)據(jù)依據(jù)。圖8圖92）經(jīng)濟效益可行性分析：因該系統(tǒng)提供管理的數(shù)據(jù)依據(jù)，最終節(jié)能率的大小需要看管理的力度，因此無法定量的分析。B、中央空調(diào)末端風柜節(jié)能改造1）技術(shù)可行性分析:R1HzQ2H3H2H1H0DCBR1R2Q1QN2N3AN1R1 圖10上圖為風機類負載運行時的管阻特性曲線R和調(diào)速曲線

20、N，兩種曲線的交叉點為負載運行點。用閥門控制時：當流量從Q1降至Q2，要關(guān)小閥門，使管道的阻力變大，阻力曲線從R1變?yōu)镽2，壓力則從H1升至H0，運行點也從A點變?yōu)锽點。用變頻調(diào)速時：當流量從Q1降至Q2時，阻力曲線R1保持不變，速度曲線從N1降至N3，壓力也從H1降至H3，運行點從A變化D。節(jié)能分析用閥門控制時：由風機類的特性公式：P=QH可得出在B點運行時電機的軸功率為：PB=Q2*H0，C點運行時電機的軸功率為：PC=Q2*H3，兩者之差為：P= PA- PC = Q2（H0- H3）亦即用閥門控制時有P的功率被浪費了。用變頻調(diào)速時，由流體力學原理知道，軸功率P、流量Q、壓力H三者與轉(zhuǎn)速存在如下關(guān)系：Q=K1*NH=K2*N2P=K3*H*Q= K1*K2*K3*N3=K*N3其中K、K1 、K2 、K3均為常數(shù)。由上式可看出，風機的出口流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，消耗的軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。只要轉(zhuǎn)速有較小的變化，軸功率就有比較大的變化，所以對離心風機負載進行調(diào)速，具有非常明顯的節(jié)能效果。圖11中號曲線表示工頻市電運行的風機采用風門調(diào)節(jié)時的功率和流量關(guān)系，號曲線表示風機采用變頻調(diào)速控制時的功率和流量關(guān)系?？梢?，原風閥調(diào)節(jié)開度在75%-100%之間變化時，如以變頻