浅谈工厂供风系统的节能改造

学术论文 2016-04-26 16:46:25
  摘要 
  首先以海洋石油工程股份有限公司使用的供风系统为例进行了介绍,对其中的不足进行了阐述,随后重点探讨了变频技术在工厂供风系统(空压机)节能改造过程中的应用,最后通过比较改造前后,实现了节能减排。 
  关键词:供风系统节能变频 
  1.引言 
  目前我国经济正处于高速发展阶段,但是,高发展也带来了高能耗。据计算,2003年我国单位国民生产总值的能耗,比美国高2.3倍,比欧盟高4.5倍,比日本高8倍。能源利用率低在未来将大大制约国民经济发展。基于此,国家提出要节能降耗,海总和海工也相继制定了各项措施与目标,以求节约能源,降低生产成本,实现效益的最大化。在建造公司的电费中,供风系统的电力消耗所占比重接近30%,因此,供风系统如果能有效节能,将大大降低公司的生产成本。本文就着重讨论了场地供风系统在能源消耗及浪费方面存在的各种问题,对其进行了分析,并提出了对供风系统节能问题的建议和看法。 
  经大量现场实际调研得知,场地对风的需求量较大,空压机运行时间较长,而且运行时间不均衡。海工公司对风的使用主要集中在两个方面:一、舾装车间喷砂喷漆,以及喷漆后风干。其中喷砂是整个建造场地中,风的主要消耗源。二、各个车间对风动工机具的使用。喷砂要求风压要高(约为7bar以上)而且用风量相当大,风动工机具大部分都是中小型工具,对风压的要求相对要稍小一些,但也基本上在6bar以上,风量要小的多。另外,二者之间的不同是:舾装车间喷砂喷漆场所比较固定 ,风动工机具为手持工具, 所用风管线不固定。 
  2.场地供风系统的组成 
  供风系统主要由5台阿特拉斯螺杆式空气压缩机(参数见下表)、储气罐、风包、流量计、控制阀以及供风管线组成。另外设有4台移动式空压机,以满足突发情况的用风。 
  额定输气量 额定排气压力 加/卸载压力 实际用气压力 满负荷运行功率 满负荷运行电流 驱动电机效率 
  31.8m3/min 13bar 7-8bar 7.5bar 268kw 400A 93% 
  图1阿特拉斯空气压缩机参数表(1bar=105 N/m2 ) 
  3.供风系统存在的主要问题 
  3.1 空压机存在的问题 
  3.1.1 供气控制方式 
  空压机现在的供气方式为加卸载供气控制方式,就是通过控制进气阀门的开关量来控制进气量的多少,从而控制排风量。用气量低于空压机额定排气量时,储气罐压力上升。当压力超过事先设定的最小Pmin,进气阀门部分关闭,减少进气量,以使供气与用气趋于平衡。若管线压力继续上升,超过设定的最大值Pmax时,进气口则完全关闭,空压机卸载运行,此时管线的压力开始下降,当压力下降到低于Pmin时,进气阀就全部打开,空压机组全负荷运行。Pmin与Pmax即空压机的加载压力和卸载压力。与此同时,会带来以下几点问题; 
  ◆在卸载运行时,由于进气阀已经关闭,空压机并不再压缩气体进行作功,但是空压机在空转中仍然需要带动螺杆作功。即空压机在卸载运行时,几乎全部在作无用功,此时消耗的电能其实被白白浪费,空压机卸载运行时间越长,能量浪费越多。 
  ◆机械方式调节进气阀,使供气量无法连续调节,当用气量不断变化时,供气压力也会不可避免的产生大幅波动,一方面影响供气质量,另一方面也使管网不断受压力变化的冲击,缩短了使用寿命。 
  ◆当空压机频繁的加载卸载时,使电动机频繁加减负荷,容易产生较大冲击电流,对设备和电网造成危害。另外,由于频繁的加减载运行,造成电磁阀动作、进气阀门开闭也都比较频繁,缩短这些元件的使用寿命。 
  3.1.2 电气方面 
  ◆空压机采用了标准的三相鼠笼式交流异步电动机,电机的转速近似的决定于电机的极对数和频率。当接到工频电源上时,电机的转速是恒定的。空压机启动以后,不管是加载还是卸载,电动机一直以额定转速运转。由供气控制方式的问题得知,当空压机运行在卸载状态时,电机本身在作无用功,因为使用交流三相异步电机,卸载时,电机转速不会下降,仍以额定转速运转。虽然这时进气量减少,使电机空载运行,导致耗电量减少,但是据测算,即使是在卸载时间所占比例不大的情况下,空压机卸载时的能耗也能占到满载运行时的10%~15%。 
  ◆另外,阿特拉斯空压机的电动机采用Y-Δ降压启动,比全压启动时的电流要小很多(约为全压启动时的1/3),但是,由于全压启动电流可以达到电动机额定电流的7倍,再加上空压机额定电流原本就比较大,所以空压机启动时对设备和电网仍能构成相当大的冲击。 
  4.场地供风系统的改进建议 
  4.1 空压机的改造方案节能原理 
  空压机在管路特性曲线(1)工作时,工况点为A,此时风压为H2,风量为Q1,轴功率N1与Q1、H2的乘积成正比,在图中可用面积AH20Q1表示。如果生产工艺要求,风量需要从Q1减至Q2,可以看出,用调节风门的方法相当于增加管网阻力,使管网阻力特性变到曲线(3),系统由原来的工况点A变到新的工况点B运行。从图中看出,风压反而增加,轴功率与面积BH10Q2成正比。显然,轴功率下降不大。如果采用变频器调速器调速控制方式,空压机转速由N1降到N2,根据空压机参数的比例定律,画出在转速N2风量(Q-H)特性,如曲线(4)所示。可见在满足同样风量Q2情况下,风压H3大幅度降低,功率N3随着显著减少,用面积CH30Q2表示。节省的功率△N=(H1-H3)*Q2,用面积BH1H3C表示。显然,节能的经济效果是十分明显的。 
   
  图2风机风压H―风量Q曲线特性图 
  曲线(1)为空压机在额定转速N1时的风压―风量(H-Q)特性 
  曲线(2)为管路阻力最小时的阻力特性 
  曲线(3)为管路阻力增大到某一数组时的阻力特性 
  曲线(4)为空压机降速运行在N2时的风压―风量(H-Q)特性 
  电动机调速有三种方法:变频调速、变极调速和改变转差率调速。综合比较后选择变频调速的方法,原因是变频调速效率高,没有附加转差损耗,调速的范围大、精度高、实现无级调速容易。由于可以利用原鼠笼式电动机,所以特别适合用于对旧设备的技术改造,它既保持了原电动机结构简单、可靠耐用、维护方便的优点,又能达到节电的显著效果。 
  4.2 空压机改造方案 
  4.2.1 系统工作原理 
  将储气罐压力作为控制对象,压力传感器检测储气罐的压力并将压力信号转变为电信号,传递给控制器,控制器与事先设定的压力值进行比较,然后根据两者差值,产生控制信号送到变频器,通过变频器调节电动机的工作频率和转速。 
  4.2.2 变频器及其控制方式的选择 
  选择变频器时遵循的主要原则就是:变频器的输出功率和电流选择必须等于或大于被驱动异步电机的功率和电流。因为变频器的过载能力没有电机的过载能力强,一旦电机过载,首先损坏的将是变频器。变频器型号的选择应该根据使用要求及使用环境作详细的选择。 
  对于通用变频器,一般采用恒压频比的调速方式,即V/F为常数。此方式的特点是实现起来比较容易,调速效果好。 
  4.2.3 新方案的电路 
  按照恒压供气方式的思路,只要在原电路中加几个电气元件就可以,因此并不需要对原有电路进行大规模改动。况且在生产如此紧张的情况下,也不允许长时间停工对供风系统进行改造。该方案只是在原有电路中添加了传感器、控制器、变频器三个元件,并且改造装置并不改变空压机原有控制原理,保留了电动机原有的Y-Δ启动方式,这也是为了保证当变频器发生故障时仍能正常供风。 
  4.2.4 新方案的扩展性 
  该方案仅仅给出了一台变频器控制一台空压机的简单电路,由于变频器价格比较昂贵,在实际操作中,我们也可以像变频空调那样采用一拖二的调速方式,用一台变频器拖动两台空压机。先变频启动一台空压机,满负荷以后,若压力达不到设定要求,将此空压机工频运行,启动另一台空压机即可,当检测到变频器运转在下限频率压力值还偏高时,停止一台空压机,另一台变频运行。 
  控制器也可以选用PLC,一方面PLC可以通过传感器信号控制变频器, 另一方面利用PLC比较强大的功能,对五台空压机组成的供风系统实现集中控制,并且可以实时监测空压机的运行状况,利于对空压机的维护保养。 
  4.3 供风系统中其它问题的改进 
  4.3.1 漏风问题 
  一方面要加强对供风管线的巡查,随时发现问题随时解决,另一方面要考虑减少漏风口的数量。由于对管网进行大面积改造存在较大难度,因此可以考虑划片供风这一思路,就是将场地按照用风多少、用风频率及管线接口的多少,划分成几个区域,进行区域性供风,并在这几大区域间的供风管线上加装控制阀。当仅仅是某个区域用风时,则将通往其它区域的阀门关闭,这样就将风限制在了用风的这个区域里,相对减少了供风系统中的漏风口的数量。 
  4.3.2 管压降问题 
  管压降与管线内径和风在管线中经过的长度有关,增大内径,缩短长度,管压降都会减小。考虑到工厂状态,缩短长度是一个比较好的办法。当场地上有临时用风时,用风量又比较大的情况时,可以考虑用移动式空压机直接到用风地点进行供风,这样就缩短了管线长度。不过,如果没有对移动式空压机进行节能改造的话,只有在需风量比较大的时候用此法更划算。若用风量比较少,移动式空压机达不到满负荷工作状态,仍会浪费电能。 
  4.4 改进后系统的特点 
  ◆节能明显。根据空压机原理,轴功率与转速的立方成正比,空压机转速下降可以得到立方级的节能效果。 
  ◆采用变频器,调速范围大、精度高,变频器调速范围能适应各种调速的要求。 
  ◆维护成本降低。空压机软启动,减少对电机电气元件的电冲击的同时,也减少了对设备的机械冲击,启动电流小延长了电机和接触器的寿命,机械冲击小则延长了轴承、齿轮箱的寿命,使电气与机械故障率降低,节约维护费用。 
  ◆系统的工频与变频可以切换,改造后使供气质量提高,从而提高生产效率,缺点是变频器价格较高,而且使用过程中易发热,如果没有良好的散热设施容易烧毁。 
  5.结束语 
  供风系统的节能改造,在节能的同时减轻了设备的机械负荷,延长了设备的使用寿命。据统计,空压机经过节能改造后,大约可以节约20%到30%的电费,不仅提高了公司的效益,而且实现了节能减排的计划。 
  6.参考文献 
  [1] 徐忠主编离心式压缩机原理西安交通大学2000 
  [2] 李峰,许全录,孙敬荣变频调速技术在空压机上的应用【J】煤矿安全,2000(5):14-15 
  [3] 欧阳焰啸关于空压机节能方法的探索【J】环境保护,2009(5):58-60 
  [4] 洪天星空压机的变频调节技术【J】压缩机技术,2006,8(8):27-29 
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