空压机能量损失主要有空压机本身的机械损失,压缩空气的浪费损失,空压机空负荷运转损失,压缩空气的流动损失及其他损失.当空压机输出压力大于一定值时,某些造纸企业或者自动打开卸载阀,使异步电动机空转,严重浪费能源;或者停机,电动机频繁的启动,停止,影响电机的使用寿命,且空压机工频启动电流大,对电网冲击大,电机轴承磨损大,设备维护量大.
1 加强节能运行管理
1.1 选用节能电机
空压机电机功率一般较大,它的效率对空压机的节能影响较大,为了节能应优先选用高效电机,且必须减小所选电机的浮装容量,杜绝"大马拉小车"的不良现象,使电机负载率始终保持在80%以上.Y,YX系列异步电机效率比老的JO系列电机高,通常普通电机的损耗为输入功率的造纸厂空压机的节能方法与途径,平均损耗折算后为13%,Y系列异步电机比JO系列电机的效率高出0.5%,而YX电机的平均效率比Y电机又高出3%.为了降低铜,铁损耗,电机宜采用损耗低,导磁性较好的磁性材料,同时,还要改进设计结构及制造工艺来降低杂散损耗.除了上述原则外,选型时还需考虑以下几点因素:(1)因转子效率的差异,宜优先择鼠笼型电机;(2)因功率因数的差异,宜优先选择高速电机;(3)因电压等级差异,当负载较大时,宜优先选择高压电机.
1.2 提高传动效率
空压机的电机与压缩机之间多采用V带(三角胶带)传动,它具有结构简单,传动平稳可靠等特点.但往往需要采用多根胶带并联,这样,并联传递功率的各根胶带之间往往由于带轮槽的加工误差(在带轮更换或维修后较为严重),或者新旧胶带混用而造成胶带松紧不一,数根胶带中只有一根或几根负载,大大降低了空压机的传动效率,多耗费电能.同时,负载的皮带因严重超载运行,使用寿命大大降低.因此,为了提高V带的传动效率,应选择加工精度高,质量好的带轮和胶带,更换皮带时要做到一次全部更换,如果发现皮带存在松紧不一现象应立即调换,避免出现皮带的不均匀负载现象;提高安装水平,调整好中心距,保证带传动所必须的包角和张紧力.但不论如何,传统的空压机的传动方式(V带传动或齿轮传动)在传递效率上有较大的损失.若采用转子与电机同式结构,则可彻底排除机械传动方式产生的能量损失因素,不仅可以实现增加风量运行,而且在全范围内都可以进行转速控制.
1.3 降低摩擦功耗
空压机内部的活塞与缸套之间为滑动间隙配合,其间隙的大小及其润滑情况直接影响空压机效率的发挥.间隙过大会造成漏气损耗,甚至无法工作;间隙过小,活塞与缸套之间难以形成有效的润滑油膜,活塞往复运动的摩擦阻力增大,摩擦损耗加剧,导致空压机运行能耗的增大.因此,只有在合适的间隙条件下,才能形成有效的油膜,保持良好的润滑,减少摩擦损耗.保证空压机内部形成良好润滑的途径主要有:严格控制活塞与缸套之间的间隙,通过精心安装调试,及时更换磨损的活塞环;确保油液清洁,粘度合适;确保油液循环迅速,油池容积能够满足散热的需要;尽量采用低粘度润滑性能较好的润滑油,以降低摩擦功耗;定期对空压机进行维护保养,以发挥机器的最佳性能;注意随季节变换更换不同牌号的润滑油.
1.4 减少压力损失和泄漏
空压机的气路系统由滤风器,气缸,吸排气阀,活塞组件,冷却器,密封装置和贮气罐等组成.外界大气经过清洁和压缩后通过输气管路到达使用设备,这一过程存在较大的节能潜力.如果活塞与缸套内壁密封不严(间隙过大),吸排气阀年久失修(或修理不当)等都会造成严重漏气,直接减少了空压机的排气量,使其效率下降.输气管路中压缩空气的泄漏也是造成气路系统能耗增大的重要原因.管路系统的能耗损失主要表现在沿程管路损失和漏气压力损失.减少压力损失和泄漏需做到:(1)设计和安装时,在满足工艺需要的情况下尽可能减少系统气路的流动阻力,以减少管路及附件(冷却器,油水分离器,阀门,弯头,管路变径等)的压强损失.如吸气管路要直,短,尽量少装弯头和阀门,减少管道沿程损失和局部压力损失.(2)采用大管径,低流速送气方式.(3)尽可能减少设备内外泄漏和余隙容积.外泄漏空气直接漏入大气或漏入一级进气管路,直接降低了排气量;内泄漏气体由高压级漏入低压级或级间管道,造成了气体重复压缩,增加了功率消耗,并影响排气压力和温度.(4)选用安全高效的气动元件.吸排气阀对空压机节能影响较大,吸排气阀要求开闭迅速,阻力小,密封性能好,其漏气系数应达到0.95以上.选用新型空气过滤器减少压力损失,如ND片,硅硼酸盐微细纤维被复聚四氟乙烯(折叠式滤芯)过滤器.(5)精心安装施工和管理.严格按照各零件的安装顺序,技术数据进行安装,使进排气阀,活塞环和填料函等处的内外泄漏减小到最低限度,降低能耗,提高设备工作效率.定期检测管路漏风情况,确保输气管路安全可靠运行.
1.5 提高冷却器的热交换性能
空压机内的气体的压缩过程有等温压缩,绝热压缩和多变压缩三种.在相同的初压和终压条件下,等温压缩消耗的循环功最少.但实际的压缩过程为多变压缩,空压机的冷却效果越好,越接近等温过程,则循环功越少.为了提高冷却效率,在空压机的冷却水系统中,一般设有中间冷却器和后冷却器,以保证各级压缩空气的吸入温度基本一致.因此,提高中间冷却器的换热性能,使二级进气温度能满足于近似等温压缩的进气温度,保证回冷完善;降低各级气缸的温度,使每级压缩过程接近于等温压缩,是空压机节能运行管理的关键.提高冷却器的热交换性能可采取以下措施:(1)降低冷却水入口温度,提高冷却水流量;(2)认真清除冷却器管束沉积物,保证气体与管束接触均匀,并避免短路;(3)采用水处理药剂软化冷却原水,提高水质.无论是中间冷却器,还是后冷却器,其循环水的动力都来自于循环水泵.水泵的节能也不可忽视.合理配置循环水系统,控制循环用水量,并减少管路系统的水路损失,可以有效节约循环水泵的功率消耗.冷却水系统有开式和闭式两种结构.开式系统中,压缩空气的能量,都以热的形式被冷却水带走或散入周围大气中.因此,要综合利用废热,实现节能,如把这部分水引至浴室,塑料大棚(冬季)及旅馆的热水供应等;闭式系统为了使回流的热水温度快速降低,可以采用较大面积的循环水池,或者采用带有淋水装置的冷却塔.但要注意对冷却水用量进行适当的控制,水量过大会增加循环水泵的电能消耗.
1.6 合理设定工作压力
空压机性能曲线是由压缩机本身的性能决定的,其反映了空压机排气压力P,功率W随空气流量Q的变化关系.通过性能曲线不仅可以找到压缩机的最佳工作点,而且还能获得空压机节能运行的途径.图中压缩机在A点的工作参数为P1,Q1,W1,在 B 点 的 工 作 参 数 为P2,Q2,W2.当排气压力由P2降为P1后,空压机的耗电量随排气压力降低而降低,而排气量却是增加的,既节能又有利于提高设备的工作效率.所以工作点A的经济性比工作点B好,因此,在压缩机运行中要尽量使工作点趋近A点.由于空压机的耗电与排气压力高低成正比,排气压力降低可以节约电能.因此,应根据生产实际需要,合理设定空压机的工作压力,在保证实际用风量的同时尽可能设定较低的空压机排气压力,减少空气冷却器负荷,因为排气压力设定越低所消耗的轴功率越少,节能效果越好.
2 无功补偿节能
空压机常配异步电动机,异步电动机属感性负载,功率因数较低,且随负载的不同而变化,额定负载时功率因数较高,轻载时功率因数较低,一般在0.2～0.85,能量损耗大.异步电动机的无功补偿,是指在保证电动机正常工作的前提下,通过补偿提高用电线路的功率因数,减少供电线路和变压器的能量损耗.
平衡的三相三线系统的功率:
可见,在负荷功率P和电压U不变的情况下,电流I与功率因数成反比,若输送同样的功率,则配电线路电阻的焦耳热损失与电流的平方成正比.因此,功率损耗与功率因数的平方成反比,即功率因数越小,功率损耗越大.所以,在配电线路上用提高功率因数的办法来降低电耗,效果十分显著.
由于电机正常运行时所吸收的有功功率和无功功率都是通过配电线路输送的,为减少配电线路的无功损耗,在受电端加装电力电容器来改善功率因数.电容器间电机线圈M感性N相并联,电感吸收能量时,电容器释放能量,而电感放出能量时,电容器吸收能量.这样,作为感性负荷的电机所吸收的无功功率,可以由电容器所输出的无功功率得到补偿.无功补偿的节电原理如图2所示.为电感性负荷从电源吸收的无功功率,Qe为设置无功补偿装置后的补偿无功功率,则电源输送的无功功率减少为Qt=Q-Qe,功率因数由cosφ提高到cosφ0,视在功率由S减少到St.无功补偿以低压中型电机为主要对象,特别是经常处于连续运行的空压机电机,而且电机极数越多,越能体现无功补偿的经济性.
3 变频调速节能
3.1 空压机传统的控制方式
空气压缩机气量的供求关系主要表现为排气压力的变化,当排气量正好满足生产用气量要求时,储气压力保持不变.在生产中由于用气量不均衡,空压机供气量一般大于实际用气量,为保持储气压力不变,就必须进行调节.目前,压缩机的能量调节方式有:压缩机间歇控制运行,吸气调节,气缸卸载,热气旁通能量调节,分档变速调节输气量,无级变速调节.其中,采用压缩机间歇运行或空载运行来调节能量最为常见.空压机间歇运行会带来压缩机频繁起停,增大电能损耗,引起电网波动增大,同时也会影响设备寿命;而空载运行其用电量仍为满负载的30%～60%,这部分电能被白白浪费掉,空气压缩机的空载启动电流是额定电流的5～7倍,对电网及其它用电设备冲击较大,同时空气压缩机的使用寿命也会缩短.还存在许多不可避免的缺点:(1)截断进气后末级压力比增加.末级若为双作用气缸,由于一端气体推力消失,活塞力会急剧增加,特别是对排气压力较高的压缩机,活塞力将远远超过设计值;(2)调节过程中,排气温度会急剧升高,使设备容易损坏,增加维修费用;(3)真空度能使曲轴箱中的油雾沿活塞杆或活塞窜向气缸,增加耗油量.
3.2 变频调速节能控制
变频调速主要通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出气量,从而达到控制管路的压力,调节空压机的能量,具有明显的节能效果.它能在一定范围内连续进行能量调节,满足空压机轻载时的运行需要,使制气量与实际用气量相匹配.由于异步电动机的转速为:n=(1-s)60f1/P 式中,n—电动机的转速,r/min;f1—电动机端电压的频率,Hz;s—电动机的转差率;P—电动机定子绕组的极对数.当空压机电机确定以后,即s和p为常数,则电机转速n与电源频率f成正比,所以改变电机的电源频率就能改变电机转速,从而实现变频调速.根据电磁感应原理,在变频调速时,只要磁通Φ保持不变,电机定子电压就与电源频率成正比,则电机的输出功率就随着电源频率的变化而变化.只要改变定子侧的输入电压,就可调节电动机的频率,这就是恒压频比(V/F)的控制方式.空压机采用变频调速技术进行恒压供气控制时,系统框图示.通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较后得到偏差,经PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值后,由变频器输出相应频率和幅值的交流电,使电动机上得到相应的转速,空压机输出相应的压缩空气至储气罐,使之压力变化,直到管网压力与给定压力值相同.对电网冲击大,电机轴承磨损大,设备维护量大.针对这些问题,决定采用PLC和变频器对空压机进行运行控制.选用ABBACS60变频器,控制系统由以下部分组成:变频器,可编程控制器,电抗器,压力变送器,震荡传感器,接触器,空气开关,电缆,电流表,电压表,按钮,互感器等.改造前经测试参数如下:电机功率75kW,出口压力为5.9～6.5MPa,运行时间为12h/d,一年运行320天,加载电流为130A,减载电流为90A.经检测其节电率为30%以上.年节电量(按30%)计算如下:W节电量=12×320×75×30%=86400(kWh)可见节电效果明显,此外,改造后系统还具有以下优点:减少机器的噪音,利用PLC和变频器实现机器的软启动,软停止,避免空压机启动时对电网的冲击,减少对设备的维修工作;控制自动化程度高,克服原系统手动调节的缺点.
5 结论
空压机是造纸企业电力消耗较大的设备之一,它具有配用动力大,运行时间长,耗电量多,冷却用水量大等特点.因此,如何有效地节约能源,降低空压机运行成本,成为造纸企业当务之急.影响空压机能耗的因素较多,包括设备及附件结构形式,运行管理手段,控制方式等,只有全面分析,综合考虑,采取各项配套的措施,才能确保其节能,安全,可靠运行.其中,空压机的调节方式与节能关系密切,采用变频调速技术对空压机进行运行调节是比较先进和有效的节能降耗手段,它能产生显著的节能效果,具有相当广阔的应用前景.
