空壓機(jī)變頻節(jié)能及余熱回收方案

1、節(jié)能項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)1空壓機(jī)變頻節(jié)能改造1.1企業(yè)空壓機(jī)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(jī)，其中三臺用于A棟廠房，兩臺螺桿式空壓機(jī)37kW、型號：OGFD37；一臺活塞式空壓機(jī)15kW、型號：AW19008。供A棟廠房沖壓車間、自動組裝機(jī)以及研發(fā)部門用氣。另外兩臺螺桿式空壓機(jī)22kW、型號：OGFD22，供C棟廠房注塑車間、機(jī)加工車間、組裝、包裝車間用氣。1.2空壓機(jī)變頻節(jié)能改造分析一：原空壓機(jī)系統(tǒng)工況的問題分析1. 主電機(jī)雖然以星-角降壓起動，但起動時(shí)的電流仍然很大，會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定及其它用電設(shè)備的運(yùn)行安全。2. 主電機(jī)時(shí)?？蛰d運(yùn)行，屬非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，電能浪費(fèi)最為嚴(yán)重。主電機(jī)

2、工頻運(yùn)行致使空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)噪音很大。3. 主電機(jī)工頻起動設(shè)備的沖擊大，電機(jī)軸承的磨損大，所以對設(shè)備的維護(hù)量大?？諌簷C(jī)節(jié)能改造的必要性：鑒于以上對空壓機(jī)的原理說明以及目前的工況分析，我們認(rèn)為對空壓機(jī)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(yùn)行費(fèi)用，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)還可以降低空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音，減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。二：螺桿式空壓機(jī)的工作原理介紹 單螺桿空壓機(jī)空氣壓縮機(jī)工作原理，如圖1所示為單螺桿空氣壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。螺桿式空氣壓縮機(jī)的工作過程分為吸氣、密封及輸送、壓縮、排氣四個(gè)過程。當(dāng)螺桿在殼體內(nèi)轉(zhuǎn)動時(shí)，螺桿與殼體的齒溝相互嚙合，空氣由進(jìn)氣口吸入，同時(shí)也吸入機(jī)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(dāng)齒溝嚙合面旋轉(zhuǎn)至殼體排氣口時(shí)，較高壓力的油氣混合氣體排出機(jī)體。圖1 單螺桿空氣壓縮機(jī)原理圖三：壓縮氣供氣系統(tǒng)組成及空壓機(jī)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(jī)、過濾器、儲氣罐、干燥機(jī)、管路、閥門和用氣設(shè)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(jī)的控制原理工廠的空氣壓縮機(jī)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(jī)的運(yùn)行。空壓機(jī)啟動時(shí)，加載閥處于不工作態(tài)，加載氣缸不動作，空壓機(jī)頭進(jìn)氣口關(guān)閉，電機(jī)空載啟動。當(dāng)空氣壓縮機(jī)啟動運(yùn)行后，如

4、果后端設(shè)備用氣量較大，儲氣罐和后端管路中壓縮氣壓力未達(dá)到壓力上限值，則控制器動作加載閥，打開進(jìn)氣口，電機(jī)負(fù)載運(yùn)行，不斷地向后端管路產(chǎn)生壓縮氣。如果后端用氣設(shè)備停止用氣，后端管路和儲氣罐中壓縮氣壓力漸漸升高，當(dāng)達(dá)到壓力上限設(shè)定值時(shí)，壓力控制器發(fā)出卸載信號，加載閥停止工作，進(jìn)氣口關(guān)閉，電機(jī)空載運(yùn)行。四：螺桿式空氣壓縮機(jī)變頻改造 、空壓機(jī)工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行的比較空壓機(jī)電機(jī)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(shí)。這使得空壓機(jī)在啟動時(shí)會有較大的啟動電流，加載和卸載時(shí)對設(shè)備機(jī)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(shí)這種運(yùn)行方式還會加速設(shè)備的

5、磨損，降低設(shè)備的使用年限。 對空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造，能夠使電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟起軟停，減小啟動沖擊，延長設(shè)備使用年限；同時(shí)由于電機(jī)運(yùn)行頻率可變，實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)根據(jù)用氣量的大小自動調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少了電機(jī)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(jī)主電路和控制電路的變頻改造空壓機(jī)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(shí)，將變頻器串接進(jìn)原有的電源進(jìn)線中；并適當(dāng)修改控制回路，實(shí)現(xiàn)變頻器的啟停。圖3 空壓機(jī)電氣原理圖、空壓機(jī)變頻改造后的啟動和運(yùn)行方式空壓機(jī)變頻改造后，電機(jī)啟動時(shí)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(shí)，角

6、形交流接觸器的常開觸點(diǎn)沒有閉合，變頻器不啟動、無輸出；當(dāng)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(jī)。當(dāng)變頻器啟動電機(jī)完成后，變頻器自動變頻運(yùn)行。五、螺桿式空氣壓縮機(jī)變頻改造后的工頻運(yùn)行在考慮變頻器發(fā)生故障或是檢修時(shí)，空壓機(jī)能按原有的工頻控制方式運(yùn)行，這保證了空壓機(jī)在變頻和工頻狀態(tài)下都可以運(yùn)行，也使得改造時(shí)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(jī)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(shí)間T內(nèi)拉動物體做直線運(yùn)動，移動位移S。拉力F在時(shí)間T內(nèi)作的功率P為

7、（式1）由數(shù)學(xué)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(jì)算（忽略機(jī)械效率損失，認(rèn)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(jī)機(jī)械效率損失，同時(shí)忽略空壓機(jī)機(jī)械效率因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)速變化而變化的情況下，即始終認(rèn)為空壓機(jī)機(jī)械效率為1，可以近似地認(rèn)為變頻器的輸出功率與空壓機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，即成一次方正比例關(guān)系。圖5 空壓機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速/功率-

8、周期示意圖圖6 變頻運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速/功率-周期示意圖如圖5所示是螺桿式空壓機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速/功率-周期示意圖。t1是空壓機(jī)加栽運(yùn)行時(shí)間，t2是空壓機(jī)卸栽運(yùn)行時(shí)間，加栽/卸栽時(shí)的轉(zhuǎn)速和功率分別為P1/n1和P2/n2。忽略空壓機(jī)機(jī)械效率的變化，W1和W2分別為空壓機(jī)加栽運(yùn)行時(shí)間t1和卸栽運(yùn)行時(shí)間t2中由電源輸送給空壓機(jī)電機(jī)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(shè)備使用。而W2則轉(zhuǎn)換為機(jī)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(jī)經(jīng)過變頻改造后，由于電機(jī)處于變速運(yùn)行情況下，而通過式3的推導(dǎo)知道電機(jī)的平均功率與電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速成一次方正比例關(guān)系?？諌簷C(jī)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(jī)在周期T（t1+ t2）內(nèi)所作的功W，等于同等工況下，空壓機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，加載運(yùn)行時(shí)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(jī)工頻改造前卸載運(yùn)行時(shí)間和卸載電流，就可以大致計(jì)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(jī)械效率的變化）。1.3 空壓機(jī)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(jī)，兩臺螺桿式空壓機(jī)OGFD37；兩臺螺桿式空壓機(jī)OGFD22；一臺活塞式空壓機(jī)AW19008在用氣量大、供氣量不足時(shí)才開機(jī)聯(lián)網(wǎng)供氣?，F(xiàn)對四臺螺桿式空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造。測試數(shù)據(jù)見表1 表1 空

10、壓機(jī)空載實(shí)測數(shù)據(jù)空壓機(jī)型號額定功率（kW）加載、卸載時(shí)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(jì)算推導(dǎo)，“空壓機(jī)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(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，加載運(yùn)行時(shí)間t1內(nèi)所作的功W1”，某某科技（深圳）有限公司的空壓機(jī)每天工作約10h，一年工作約312d，企業(yè)平均電價(jià)0.84元/kWh。對4臺（兩臺37kW、兩臺22kW）進(jìn)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(fèi)：16976 kWh0.84元/kWh=14259元表2 空壓機(jī)變頻改造費(fèi)用及回收期計(jì)算費(fèi)用名稱金額（人民幣） 單位：元備注變頻改造費(fèi)850（37+22）=50150變頻改造費(fèi)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(jī)余熱回收2.1企業(yè)空壓機(jī)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(jī)，其中三臺用于A棟廠房，兩臺螺桿式空壓機(jī)37kW、型號：OGFD37，排氣溫度87；一臺活塞式空壓機(jī)15kW、型號：AW19008。另外兩臺螺桿式空壓機(jī)22kW、

12、型號：OGFD22，排氣溫度92，供C棟廠房注塑車間、機(jī)加工車間、組裝、包裝車間用氣。所有空壓機(jī)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(jī)余熱回收技術(shù)介紹 一、技術(shù)背景螺桿式空氣壓縮機(jī)的工作流程如下：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)主機(jī)，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(jī)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(jìn)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(dāng)于空氣壓縮機(jī)功率的1/4，其溫度通常在80100之間。螺桿式空氣壓縮機(jī)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(fèi)了。為了充分利用螺桿式空壓機(jī)所產(chǎn)生的余熱，應(yīng)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(jī)所產(chǎn)生的高溫高壓的氣體進(jìn)行冷卻，不僅可以提高空氣壓縮機(jī)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(yán)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(jì)支付的沉重負(fù)擔(dān)。 空壓機(jī)熱泵與燃油鍋爐的經(jīng)濟(jì)價(jià)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(yùn)行費(fèi)用（元）管理維護(hù)費(fèi)用（元）供

14、熱程度總開支空壓機(jī)熱泵節(jié)能環(huán)保安全無運(yùn)行費(fèi)用清洗費(fèi)300不限量不定時(shí)300元燃油鍋爐燃油污染環(huán)境702005000限量、定時(shí)75200元二、技術(shù)方案簡介圖7 空壓機(jī)余熱利用裝置系統(tǒng)流程三、 余熱利用系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)1. 安全、衛(wèi)生、方便螺桿空壓機(jī)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(jī)在運(yùn)行，企業(yè)職員就隨時(shí)可以提取到熱水使用，不必定時(shí)定量供應(yīng)。2. 提高空壓機(jī)的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)安裝螺桿空壓機(jī)余熱利用裝置的空壓機(jī)組，可以提高產(chǎn)生氣量8%，空氣動力學(xué)家和空壓機(jī)制造廠家給出廠機(jī)組額定的每分鐘產(chǎn)氣量m3/min是以80

15、的溫度測量定準(zhǔn)的。螺桿空壓機(jī)的產(chǎn)氣量m3/min會隨著機(jī)組運(yùn)行溫度的升高而降低，當(dāng)然，空壓機(jī)的機(jī)械效率肯定不會穩(wěn)定在以80標(biāo)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(fēng)冷散熱的空壓機(jī)都在8896間運(yùn)行，其降幅都在48%，夏天更甚。空壓機(jī)余熱利用裝置足可以使空壓機(jī)溫度降812，為此它的經(jīng)濟(jì)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(yīng)提高，自動化設(shè)備中的氣動元件，因?yàn)闅鈮旱纳?，氣動元件的動作次?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(jī)的使用壽命空壓機(jī)工

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

17、312天；企業(yè)年平均電價(jià)為0.84元/kWh依照上述測試、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，四臺空壓機(jī)余熱回收，一年可節(jié)約的電量計(jì)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(yīng)的空壓機(jī)的排氣參數(shù)得來；一年節(jié)約的電量：一年節(jié)約的電費(fèi)：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(yù)算、投資回收期計(jì)算：表5 余熱回收成本預(yù)算及回收期費(fèi)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(gè)控制系統(tǒng)8000換熱器16000人工費(fèi)用5000合計(jì)67000投資回收期計(jì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(jì)費(fèi)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(jì)算機(jī)組成，見圖8和圖9），可實(shí)時(shí)計(jì)量并合計(jì)各計(jì)量點(diǎn)的冷量并通過計(jì)算機(jī)得出各點(diǎn)分配中央空調(diào)能耗量及費(fèi)用，給管理部門從管理及技術(shù)設(shè)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(jì)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(fēng)柜節(jié)能改造1）技術(shù)可行性分析:R1HzQ2H3H2H1H0DCBR1R2Q1QN2N3AN1R1 圖10上圖為風(fēng)機(jī)類負(fù)載運(yùn)行時(shí)的管阻特性曲線R和調(diào)速曲線

20、N，兩種曲線的交叉點(diǎn)為負(fù)載運(yùn)行點(diǎn)。用閥門控制時(shí)：當(dāng)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(yùn)行點(diǎn)也從A點(diǎn)變?yōu)锽點(diǎn)。用變頻調(diào)速時(shí)：當(dāng)流量從Q1降至Q2時(shí)，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(yùn)行點(diǎn)從A變化D。節(jié)能分析用閥門控制時(shí)：由風(fēng)機(jī)類的特性公式：P=QH可得出在B點(diǎn)運(yùn)行時(shí)電機(jī)的軸功率為：PB=Q2*H0，C點(diǎn)運(yùn)行時(shí)電機(jī)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(shí)有P的功率被浪費(fèi)了。用變頻調(diào)速時(shí)，由流體力學(xué)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(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)負(fù)載進(jìn)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(yùn)行的風(fēng)機(jī)采用風(fēng)門調(diào)節(jié)時(shí)的功率和流量關(guān)系，號曲線表示風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速控制時(shí)的功率和流量關(guān)系?？梢?，原風(fēng)閥調(diào)節(jié)開度在75%-100%之間變化時(shí)，如以變頻