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淺談:離心空壓機應用于企業系統節能

時間:2020-01-14 17:45

來源:德耐爾無油空壓機

作者:德耐爾1111

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近幾年,在全國范圍內持續發生大規模霧霾,污染嚴重,習主席在視察時親自過問。嚴重的環境污染對我們之前的經濟增長方式甚至經濟結構提出了質疑,如果不能明顯降低能耗水平,當前的資源和環境可能無法承受。因此“節能減排”在“兩會”上發出了更強音;從中央到地方,從政府到企業都已經將節能減排納入重要的議事日程。

節能減排是利國利民的大事,對于工業來說絕不是可有可無的。如果工業企業的產能接近飽和,而中央著力支持第三產業,那么在生存資源日漸緊張的情況下,每個傳統行業中都會有相當比例的企業會倒下,剩下的企業一定是在角逐中占據成本優勢的企業。而節能關系到企業的成本,進而影響到盈虧平衡點,由量變引起質變,它可能就會影響到是否能夠生存。這一點對于能耗高、毛利率低的某些行業尤為明顯。

用戶企業應該未雨綢繆,通過節能工作來降低成本,提高毛利率,減少包袱。節能不僅是降低生產成本的直接途徑之一,而且是提升企業內生動力和市場競爭力的一個重要途徑。

2、壓縮空氣系統節能方案

2.1 發酵工藝改進及群體控制

發酵工藝是制藥企業的核心工藝,一般采用離心空壓機產生大流量的壓縮空氣,向發酵罐供應空氣,滿足有氧發酵的要求。

某制藥企業隨著發展壯大,發酵罐的數量由原來的19個增加至現在的24個,離心空壓機每小時耗電量大、每天24小時持續運轉、能耗成本很高,占據企業電費將近60%。通過持續改進,目前發酵能耗已經下降30%左右,為企業創造了大量的純利潤。

其中改進的主要方法是:根據不同的發酵品種,對發酵工藝進行持續監控,滿足發酵的更佳工藝要求,在此基礎上進行智能調節,使得供氣壓力、供氣流量恰好滿足更佳條件,提高發酵效率、提高產量,為企業實現增產、增收、節支。該技術重點采用監控系統、空壓機群體控制系統,使得工藝需求更精確、氣體使用效率更高,在監控系統的協助下對工藝進行持續改進。

2.2開創離心空壓機自由轉速調節的先河

2.2.1 離心空壓機的調節方式

離心壓縮機具有運行平穩、流量大、設計效率較高等優點,但也存在著流量調節較為復雜、容易發生喘振的缺點。

離心壓縮機常用的三種流量調節方式為:

(1)調節轉速。通過調節轉速,使得離心壓縮機的特性曲線呈現平行線移動,不同轉速之下具有不同的流量-壓力特性,如圖1。

從圖中可見,隨著轉速下降,對應的流量和壓力都呈現下降,且曲線相互平行,此為“相似原理”。采用轉速下降進行調節,可以實現以下幾個特點:

a.不引入阻力損耗。通過轉速的降低,葉輪做功呈現自然下降,流量和輸出壓力呈現下降趨勢,不需要引入阻力環節,就能對流量進行調節。由于沒有阻力環節,不會因為阻力而損失能量。

b.壓縮過程中的損耗有所降低。通過轉速的降低,葉輪與空氣的相對運動速度減緩,摩擦等損耗有下降趨勢。體現在壓縮過程中的產熱量下降,損耗降低能夠節省壓縮時的功耗。

調節轉速是離心壓縮機的一種有效的調節方式,由于不引起阻力損耗、降低壓縮損耗的作用,是更省功的調節方式,在蒸汽透平壓縮機中使用廣泛,具有很多的應用實踐。因此,節能系統應優先選用調節轉速的方式。但是,對于電機拖動的離心壓縮機,其轉速是基本固定的,很難采用簡單的方式進行調速,通常的變頻調速又容易引起壓縮機發生喘振,因此,應選擇先進的、成熟的技術進行相應的轉速調節,本方案將進行重點敘述。

(2)調節閥門。調節閥門是離心壓縮機一種簡單的調節方式。通過對閥門的調節,開度減小,在閥門兩側形成壓力差,將系統的有效輸出壓力減少,氣體流動受限,從而使得流量減少,系統運行在所需的平衡點上。

閥門分為進氣閥門和排氣閥門,分別具有不同的作用:

a.進氣閥的阻礙作用,降低了實際的進氣壓力,形成了一定的真空度,進入的氣體變得相對稀薄,使得流量下降。同時,進氣閥也會提高進氣溫度。

b.排氣閥的阻礙作用,提高了實際輸出壓力,使得壓縮機向壓力增大、流量減小的工作點移動,限制了流量。

綜上,閥門的作用概括起來就是,通過引入流動阻力,使得流量降低,從而滿足工藝的要求,會造成能量的損失。

閥門的能量損失如圖2。

閥門的能量損失圖

氣體流過閥門之后,由于閥門不是全開,存在阻力,壓力由P1下降到P2,形成了壓力差△P,損失的功率為:

W=△PF=(P1-P2)F

由于壓力差造成的能量損失,整體性能會降低,壓縮機的效率、排氣量會同步下降。

(3)調節導葉。導葉調節是離心壓縮機的一種調節方式,是通過誘導氣體沿著具有傾角的導流葉片流動,使氣體預旋,從而降低氣體與旋轉葉輪之間的相對速度,做功減少,壓縮程度減輕,流量減少。導葉調節的效果和能量損失介于速度調節和蝶閥調節之間。

綜上所述,本方案的核心方法是,采用更優越的“調節轉速”代替“調節閥門”,從調節方法上進行改進,避免閥門的能量損耗,同時降低氣體溫度,實現節能。而且,降低溫度的同時也會有助于減低壓縮功耗,因此,節能效果出現疊加,總體節能效果較好。

2.2.2 離心空壓機節電原理

以上介紹了離心壓縮機更佳的調節方式是轉速調節,本方案就是圍繞轉速調節而展開。在運行過程中,對離心空壓機轉速調節的過程在于,根據氣體壓縮機的一系列變量的實時采樣,隨時計算出更優工作狀態;這個方案兼顧了氣體供應、能源消耗等方面,實現了更優節能。通過更優工作狀態的估計對它進行節能控制,類似于一個不知疲倦的氣體壓縮機專家一直在對氣體壓縮機進行實時診斷。在調節的時候盡量做到更優,并盡量減少重復調節,使得氣體壓縮機的出力為更穩定狀態,達到設計更大效率運行,節能效果顯著。

對于離心式氣體壓縮機而言,節能的主要步驟在于:

(1)避免氣體放空和旁路的問題;

(2)流量和壓力的更佳匹配,滿足更大效率點運行;

(3)更佳的控制方法,使得在更優條件下運行并且避免喘振的可能性。

在實際的應用中,采取的控制方法大致介紹如下:通過實際運行,對當前的流量需求進行評估,并衡量實際產出速度。根據兩者之差,計算氣壓變動的速率,再預估氣壓的升高和降低的趨勢,預知將來的氣壓變化。根據這個變化趨勢,提前對空壓機進行逐步的、緩慢的調節,這樣既可以保證氣壓穩定,又能夠保證空壓機的運行穩定。

它通過測量運行參數,對離心壓縮機的運行進行實時分析,將參數規范化成為系統標準的格式。緊接著,根據管網氣壓和流量等參數,進行更大效率估計系統,對當前離心壓縮機的更大效率進行估計,能夠應用于閥門開度更大、壓縮產熱更少的運行狀態下。并通過前饋控制,對部分參數進行提前觀測,與更大效率計算一起,形成合理的控制指令。前饋控制的目的在于,避免壓縮氣體的響應滯后性帶來的系統頻繁波動。更終,結合防止喘振的特殊算法(發明專利),形成轉速指令,并由此指揮轉速控制系統,實現合理的轉速調節,保證離心壓縮機的持續高效運行。

2.2.3技術優勢

時代科儀離心空壓機節電王專門針對離心壓縮機,具有多項國家專利和軟件著作權,列出如表1。

這些專利技術,是北京時代科儀新能源科技有限公司在以往數年的節能實踐中,經過多次試驗和分析改進而獲得的技術成果,具有非常典型的、成功的應用案例,極具推廣價值。

在研發過程中,結合了航天技術的應用,采用“人工智能”與“大數據”融合的專家控制系統,體現了技術專家的理論知識和現場經驗。經過實際運行,效果顯著。

2.2.4 離心空壓機節電王與變頻的區別

行業曾經公認離心壓縮機不能采用變頻調節,這是因為,變頻調節是采用反饋控制,根據氣壓的變動不斷調節轉速。由于用氣量不斷變化,造成壓縮機轉速不斷變動,且呈現出自然振蕩,寬幅波動。對于離心氣體壓縮機而言,變頻的頻繁調節容易達到喘振線而誘發喘振的可能性。同時,壓縮機轉速不斷波動時效率也低,節能效果不理想。

本節能系統借鑒了變頻對電機轉速的調節功能,并根據離心空壓機的特殊要求,對變頻技術進行了專門改進、升級,屬于特制的設備,不同于一般的高壓變頻。在控制系統方面,主要改進了頻率的計算模式,在研究了離心壓縮機特征的基礎上,創新的專利技術,使得離心壓縮機在變速時遠離了喘振線,避免了喘振。同時,更加穩定的轉速也提高了離心壓縮機的效率。

通過節能工作的開展,使企業的動力主機——離心壓縮機的功耗顯著下降,提高了企業整體的運行效率,對改善企業的經營效益起到了積極的作用。

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