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离心压缩机应用企业系统节能方案分析

   【中国压缩机网】如果不能明显降低能耗水平,当前的资源和环境可能无法承受。因此“节能减排”在“两会”上发出了最强音;从中央到地方,从政府到企业都已经将节能减排纳入重要的议事日程。
 
离心压缩机应用企业系统节能方案分析
 
  1、前言
 
  近几年,在全国范围内持续发生大规模雾霾,污染严重,习主席在视察时亲自过问。严重的环境污染对我们之前的经济增长方式甚至经济结构提出了质疑,如果不能明显降低能耗水平,当前的资源和环境可能无法承受。因此“节能减排”在“两会”上发出了最强音;从中央到地方,从政府到企业都已经将节能减排纳入重要的议事日程。
 
  节能减排是利国利民的大事,对于工业来说绝不是可有可无的。如果工业企业的产能接近饱和,而中央着力支持第三产业,那么在生存资源日渐紧张的情况下,每个传统行业中都会有相当比例的企业会倒下,剩下的企业一定是在角逐中占据成本优势的企业。而节能关系到企业的成本,进而影响到盈亏平衡点,由量变引起质变,它可能就会影响到是否能够生存。这一点对于能耗高、毛利率低的某些行业尤为明显。
 
  用户企业应该未雨绸缪,通过节能工作来降低成本,提高毛利率,减少包袱。节能不仅是降低生产成本的直接途径之一,而且是提升企业内生动力和市场竞争力的一个重要途径。
 
  2、压缩空气系统节能方案
 
  2.1 发酵工艺改进及群体控制
 
  发酵工艺是制药企业的核心工艺,一般采用离心空压机产生大流量的压缩空气,向发酵罐供应空气,满足有氧发酵的要求。
 
  某制药企业随着发展壮大,发酵罐的数量由原来的19个增加至现在的24个,离心空压机每小时耗电量大、每天24小时持续运转、能耗成本很高,占据企业电费将近60%。通过持续改进,目前发酵能耗已经下降30%左右,为企业创造了大量的纯利润。
 
  其中改进的主要方法是:根据不同的发酵品种,对发酵工艺进行持续监控,满足发酵的最佳工艺要求,在此基础上进行智能调节,使得供气压力、供气流量恰好满足最佳条件,提高发酵效率、提高产量,为企业实现增产、增收、节支。该技术重点采用监控系统、空压机群体控制系统,使得工艺需求更精确、气体使用效率更高,在监控系统的协助下对工艺进行持续改进。
 
  2.2开创离心空压机自由转速调节的先河
 
  2.2.1 离心空压机的调节方式
 
  离心压缩机具有运行平稳、流量大、设计效率较高等优点,但也存在着流量调节较为复杂、容易发生喘振的缺点。
 
  离心压缩机常用的三种流量调节方式为:
 
  (1)调节转速。通过调节转速,使得离心压缩机的特性曲线呈现平行线移动,不同转速之下具有不同的流量-压力特性,如图1。
 
  从图中可见,随着转速下降,对应的流量和压力都呈现下降,且曲线相互平行,此为“相似原理”。采用转速下降进行调节,可以实现以下几个特点:
 
  a.不引入阻力损耗。通过转速的降低,叶轮做功呈现自然下降,流量和输出压力呈现下降趋势,不需要引入阻力环节,就能对流量进行调节。由于没有阻力环节,不会因为阻力而损失能量。
 
  b.压缩过程中的损耗有所降低。通过转速的降低,叶轮与空气的相对运动速度减缓,摩擦等损耗有下降趋势。体现在压缩过程中的产热量下降,损耗降低能够节省压缩时的功耗。
 
  调节转速是离心压缩机的一种有效的调节方式,由于不引起阻力损耗、降低压缩损耗的作用,是最省功的调节方式,在蒸汽透平压缩机中使用广泛,具有很多的应用实践。因此,节能系统应优先选用调节转速的方式。但是,对于电机拖动的离心压缩机,其转速是基本固定的,很难采用简单的方式进行调速,通常的变频调速又容易引起压缩机发生喘振,因此,应选择先进的、成熟的技术进行相应的转速调节,本方案将进行重点叙述。
 
  (2)调节门。调节门是离心压缩机一种简单的调节方式。通过对阀门的调节,开度减小,在阀门两侧形成压力差,将系统的有效输出压力减少,气体流动受限,从而使得流量减少,系统运行在所需的平衡点上。
 
  阀门分为进气阀门和排气阀门,分别具有不同的作用:
 
  a.进气阀的阻碍作用,降低了实际的进气压力,形成了一定的真空度,进入的气体变得相对稀薄,使得流量下降。同时,进气阀也会提高进气温度。
 
  b.排气阀的阻碍作用,提高了实际输出压力,使得压缩机向压力增大、流量减小的工作点移动,限制了流量。
 
  综上,阀门的作用概括起来就是,通过引入流动阻力,使得流量降低,从而满足工艺的要求,会造成能量的损失。
 
  阀门的能量损失如图2。
 
离心压缩机应用企业系统节能方案分析
 
  气体流过阀门之后,由于阀门不是全开,存在阻力,压力由P1下降到P2,形成了压力差△P,损失的功率为:
 
  W=△PF=(P1-P2)F
 
  由于压力差造成的能量损失,整体性能会降低,压缩机的效率、排气量会同步下降。
 
  (3)调节导叶。导叶调节是离心压缩机的一种调节方式,是通过诱导气体沿着具有倾角的导流叶片流动,使气体预旋,从而降低气体与旋转叶轮之间的相对速度,做功减少,压缩程度减轻,流量减少。导叶调节的效果和能量损失介于速度调节和蝶阀调节之间。
 
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  综上所述,本方案的核心方法是,采用更优越的“调节转速”代替“调节阀门”,从调节方法上进行改进,避免阀门的能量损耗,同时降低气体温度,实现节能。而且,降低温度的同时也会有助于减低压缩功耗,因此,节能效果出现叠加,总体节能效果较好。
 
  2.2.2 离心空压机节电原理
 
  以上介绍了离心压缩机最佳的调节方式是转速调节,本方案就是围绕转速调节而展开。在运行过程中,对离心空压机转速调节的过程在于,根据气体压缩机的一系列变量的实时采样,随时计算出最优工作状态;这个方案兼顾了气体供应、能源消耗等方面,实现了最优节能。通过最优工作状态的估计对它进行节能控制,类似于一个不知疲倦的气体压缩机专家一直在对气体压缩机进行实时诊断。在调节的时候尽量做到最优,并尽量减少重复调节,使得气体压缩机的出力为最稳定状态,达到设计最大效率运行,节能效果显著。
 
  对于离心式气体压缩机而言,节能的主要步骤在于:
 
  (1)避免气体放空和旁路的问题;
 
  (2)流量和压力的最佳匹配,满足最大效率点运行;
 
  (3)最佳的控制方法,使得在最优条件下运行并且避免喘振的可能性。
 
  在实际的应用中,采取的控制方法大致介绍如下:通过实际运行,对当前的流量需求进行评估,并衡量实际产出速度。根据两者之差,计算气压变动的速率,再预估气压的升高和降低的趋势,预知将来的气压变化。根据这个变化趋势,提前对空压机进行逐步的、缓慢的调节,这样既可以保证气压稳定,又能够保证空压机的运行稳定。
 
  它通过测量运行参数,对离心压缩机的运行进行实时分析,将参数规范化成为系统标准的格式。紧接着,根据管网气压和流量等参数,进行最大效率估计系统,对当前离心压缩机的最大效率进行估计,能够应用于阀门开度最大、压缩产热最少的运行状态下。并通过前馈控制,对部分参数进行提前观测,与最大效率计算一起,形成合理的控制指令。前馈控制的目的在于,避免压缩气体的响应滞后性带来的系统频繁波动。最终,结合防止喘振的特殊算法(发明专利),形成转速指令,并由此指挥转速控制系统,实现合理的转速调节,保证离心压缩机的持续高效运行。
 
  2.2.3技术优势
 
  时代科仪离心空压机节电王专门针对离心压缩机,具有多项国家专利和软件著作权,列出如表1。
 
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  这些专利技术,是北京时代科仪新能源科技有限公司在以往数年的节能实践中,经过多次试验和分析改进而获得的技术成果,具有非常典型的、成功的应用案例,极具推广价值。
 
  在研发过程中,结合了航天技术的应用,采用“人工智能”与“大数据”融合的专家控制系统,体现了技术专家的理论知识和现场经验。经过实际运行,效果显著。
 
  2.2.4 离心空压机节电王与变频的区别
 
  行业曾经公认离心压缩机不能采用变频调节,这是因为,变频调节是采用反馈控制,根据气压的变动不断调节转速。由于用气量不断变化,造成压缩机转速不断变动,且呈现出自然振荡,宽幅波动。对于离心气体压缩机而言,变频的频繁调节容易达到喘振线而诱发喘振的可能性。同时,压缩机转速不断波动时效率也低,节能效果不理想。
 
  本节能系统借鉴了变频对电机转速的调节功能,并根据离心空压机的特殊要求,对变频技术进行了专门改进、升级,属于特制的设备,不同于一般的高压变频。在控制系统方面,主要改进了频率的计算模式,在研究了离心压缩机特征的基础上,创新的专利技术,使得离心压缩机在变速时远离了喘振线,避免了喘振。同时,更加稳定的转速也提高了离心压缩机的效率。
 
  图4为软件监视系统运行画面。
 
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  通过节能工作的开展,使企业的动力主机——离心压缩机的功耗显著下降,提高了企业整体的运行效率,对改善企业的经营效益起到了积极的作用。
 
  2.3 某制药企业案例
 
  该厂共有三台空压机,一用两备,其运行的基本参数如表2。
 
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  从数据来看,该三台空压机属于1用2备,通常只有1台运行。从加载比例来看,加载率为57%,加载时,视在功率为125kW,有功功率约112kW,处于满负荷状态;卸载时,实载功率仍达到52.6kW,估算其卸载时的有功损耗约为31.6kW,可见损耗较大。
 
  以上三台空压机存在以下改进点:
 
  (1)空压机效率较低,需要改变压缩方式,提高效率。
 
  (2)存在严重的空载功耗。
 
  需要对空压机的运行工况进行改进,从而达到供气充足、能耗下降、空载功耗消失的目的。
 
  节能改造内容(表3)
 
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  施工周期:设备的生产制造:10天,安装调试1天。
 
  节能改造效果:
 
  (1)节电(表4)
 
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  (2)降低空压机油温:约下降20度。
 
  (3)降低空压机的维护费用,延长空压机使用寿命。
 

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