空壓機采用無功就地補償節能如何分析?

 

    空壓機能量損失主要有空壓機本身的機械損失,壓縮空氣的浪費損失,空壓機空負荷運轉損失,壓縮空氣的流動損失及其他損失.當空壓機輸出壓力大于一定值時,某些造紙企業或者自動打開卸載閥,使異步電動機空轉,嚴重浪費能源;或者停機,電動機頻繁的啟動,停止,影響電機的使用壽命,且空壓機工頻啟動電流大,對電網沖擊大,電機軸承磨損大,設備維護量大.

 

    1 加強節能運行管理

 

    1.1 選用節能電機

 

    空壓機電機功率一般較大,它的效率對空壓機的節能影響較大,為了節能應優先選用高效電機,且必須減小所選電機的浮裝容量,杜絕"大馬拉小車"的不良現象,使電機負載率始終保持在80%以上.Y,YX系列異步電機效率比老的JO系列電機高,通常普通電機的損耗為輸入功率的造紙廠空壓機的節能方法與途徑,平均損耗折算后為13%,Y系列異步電機比JO系列電機的效率高出0.5%,而YX電機的平均效率比Y電機又高出3%.為了降低銅,鐵損耗,電機宜采用損耗低,導磁性較好的磁性材料,同時,還要改進設計結構及制造工藝來降低雜散損耗.除了上述原則外,選型時還需考慮以下幾點因素:(1)因轉子效率的差異,宜優先擇鼠籠型電機;(2)因功率因數的差異,宜優先選擇高速電機;(3)因電壓等級差異,當負載較大時,宜優先選擇高壓電機.

 

    1.2 提高傳動效率

 

    空壓機的電機與壓縮機之間多采用V帶(三角膠帶)傳動,它具有結構簡單,傳動平穩可靠等特點.但往往需要采用多根膠帶并聯,這樣,并聯傳遞功率的各根膠帶之間往往由于帶輪槽的加工誤差(在帶輪更換或維修后較為嚴重),或者新舊膠帶混用而造成膠帶松緊不一,數根膠帶中只有一根或幾根負載,大大降低了空壓機的傳動效率,多耗費電能.同時,負載的皮帶因嚴重超載運行,使用壽命大大降低.因此,為了提高V帶的傳動效率,應選擇加工精度高,質量好的帶輪和膠帶,更換皮帶時要做到一次全部更換,如果發現皮帶存在松緊不一現象應立即調換,避免出現皮帶的不均勻負載現象;提高安裝水平,調整好中心距,保證帶傳動所必須的包角和張緊力.但不論如何,傳統的空壓機的傳動方式(V帶傳動或齒輪傳動)在傳遞效率上有較大的損失.若采用轉子與電機同式結構,則可徹底排除機械傳動方式產生的能量損失因素,不僅可以實現增加風量運行,而且在全范圍內都可以進行轉速控制.

 

    1.3 降低摩擦功耗

 

    空壓機內部的活塞與缸套之間為滑動間隙配合,其間隙的大小及其潤滑情況直接影響空壓機效率的發揮.間隙過大會造成漏氣損耗,甚至無法工作;間隙過小,活塞與缸套之間難以形成有效的潤滑油膜,活塞往復運動的摩擦阻力增大,摩擦損耗加劇,導致空壓機運行能耗的增大.因此,只有在合適的間隙條件下,才能形成有效的油膜,保持良好的潤滑,減少摩擦損耗.保證空壓機內部形成良好潤滑的途徑主要有:嚴格控制活塞與缸套之間的間隙,通過精心安裝調試,及時更換磨損的活塞環;確保油液清潔,粘度合適;確保油液循環迅速,油池容積能夠滿足散熱的需要;盡量采用低粘度潤滑性能較好的潤滑油,以降低摩擦功耗;定期對空壓機進行維護保養,以發揮機器的佳性能;注意隨季節變換更換不同牌號的潤滑油.

 

    1.4 減少壓力損失和泄漏

 

    空壓機的氣路系統由濾風器,氣缸,吸排氣閥,活塞組件,冷卻器,密封裝置和貯氣罐等組成.外界大氣經過清潔和壓縮后通過輸氣管路到達使用設備,這一過程存在較大的節能潛力.如果活塞與缸套內壁密封不嚴(間隙過大),吸排氣閥年久失修(或修理不當)等都會造成嚴重漏氣,直接減少了空壓機的排氣量,使其效率下降.輸氣管路中壓縮空氣的泄漏也是造成氣路系統能耗增大的重要原因.管路系統的能耗損失主要表現在沿程管路損失和漏氣壓力損失.減少壓力損失和泄漏需做到:(1)設計和安裝時,在滿足工藝需要的情況下盡可能減少系統氣路的流動阻力,以減少管路及附件(冷卻器,油水分離器,閥門,彎頭,管路變徑等)的壓強損失.如吸氣管路要直,短,盡量少裝彎頭和閥門,減少管道沿程損失和局部壓力損失.(2)采用大管徑,低流速送氣方式.(3)盡可能減少設備內外泄漏和余隙容積.外泄漏空氣直接漏入大氣或漏入一級進氣管路,直接降低了排氣量;內泄漏氣體由高壓級漏入低壓級或級間管道,造成了氣體重復壓縮,增加了功率消耗,并影響排氣壓力和溫度.(4)選用安全高效的氣動元件.吸排氣閥對空壓機節能影響較大,吸排氣閥要求開閉迅速,阻力小,密封性能好,其漏氣系數應達到0.95以上.選用新型空氣過濾器減少壓力損失,如ND片,硅硼酸鹽微細纖維被復聚四氟乙烯(折疊式濾芯)過濾器.(5)精心安裝施工和管理.嚴格按照各零件的安裝順序,技術數據進行安裝,使進排氣閥,活塞環和填料函等處的內外泄漏減小到低限度,降低能耗,提高設備工作效率.定期檢測管路漏風情況,確保輸氣管路安全可靠運行.

 

    1.5 提高冷卻器的熱交換性能

 

    空壓機內的氣體的壓縮過程有等溫壓縮,絕熱壓縮和多變壓縮三種.在相同的初壓和終壓條件下,等溫壓縮消耗的循環功少.但實際的壓縮過程為多變壓縮,空壓機的冷卻效果越好,越接近等溫過程,則循環功越少.為了提高冷卻效率,在空壓機的冷卻水系統中,一般設有中間冷卻器和后冷卻器,以保證各級壓縮空氣的吸入溫度基本一致.因此,提高中間冷卻器的換熱性能,使二級進氣溫度能滿足于近似等溫壓縮的進氣溫度,保證回冷完善;降低各級氣缸的溫度,使每級壓縮過程接近于等溫壓縮,是空壓機節能運行管理的關鍵.提高冷卻器的熱交換性能可采取以下措施:(1)降低冷卻水入口溫度,提高冷卻水流量;(2)認真清除冷卻器管束沉積物,保證氣體與管束接觸均勻,并避免短路;(3)采用水處理藥劑軟化冷卻原水,提高水質.無論是中間冷卻器,還是后冷卻器,其循環水的動力都來自于循環水泵.水泵的節能也不可忽視.合理配置循環水系統,控制循環用水量,并減少管路系統的水路損失,可以有效節約循環水泵的功率消耗.冷卻水系統有開式和閉式兩種結構.開式系統中,壓縮空氣的能量,都以熱的形式被冷卻水帶走或散入周圍大氣中.因此,要綜合利用廢熱,實現節能,如把這部分水引至浴室,塑料大棚(冬季)及旅館的熱水供應等;閉式系統為了使回流的熱水溫度快速降低,可以采用較大面積的循環水池,或者采用帶有淋水裝置的冷卻塔.但要注意對冷卻水用量進行適當的控制,水量過大會增加循環水泵的電能消耗.

 

    1.6 合理設定工作壓力

 

    空壓機性能曲線是由壓縮機本身的性能決定的,其反映了空壓機排氣壓力P,功率W隨空氣流量Q的變化關系.通過性能曲線不僅可以找到壓縮機的佳工作點,而且還能獲得空壓機節能運行的途徑.圖中壓縮機在A點的工作參數為P1,Q1,W1,在 B 點 的 工 作 參 數 為P2,Q2,W2.當排氣壓力由P2降為P1后,空壓機的耗電量隨排氣壓力降低而降低,而排氣量卻是增加的,既節能又有利于提高設備的工作效率.所以工作點A的經濟性比工作點B好,因此,在壓縮機運行中要盡量使工作點趨近A點.由于空壓機的耗電與排氣壓力高低成正比,排氣壓力降低可以節約電能.因此,應根據生產實際需要,合理設定空壓機的工作壓力,在保證實際用風量的同時盡可能設定較低的空壓機排氣壓力,減少空氣冷卻器負荷,因為排氣壓力設定越低所消耗的軸功率越少,節能效果越好.

 

    2 無功補償節能

 

    空壓機常配異步電動機,異步電動機屬感性負載,功率因數較低,且隨負載的不同而變化,額定負載時功率因數較高,輕載時功率因數較低,一般在0.2～0.85,能量損耗大.異步電動機的無功補償,是指在保證電動機正常工作的前提下,通過補償提高用電線路的功率因數,減少供電線路和變壓器的能量損耗.

 

    平衡的三相三線系統的功率:

 

    可見,在負荷功率P和電壓U不變的情況下,電流I與功率因數成反比,若輸送同樣的功率,則配電線路電阻的焦耳熱損失與電流的平方成正比.因此,功率損耗與功率因數的平方成反比,即功率因數越小,功率損耗越大.所以,在配電線路上用提高功率因數的辦法來降低電耗,效果十分顯著.

 

    由于電機正常運行時所吸收的有功功率和無功功率都是通過配電線路輸送的,為減少配電線路的無功損耗,在受電端加裝電力電容器來改善功率因數.電容器間電機線圈M感性N相并聯,電感吸收能量時,電容器釋放能量,而電感放出能量時,電容器吸收能量.這樣,作為感性負荷的電機所吸收的無功功率,可以由電容器所輸出的無功功率得到補償.無功補償的節電原理如圖2所示.為電感性負荷從電源吸收的無功功率,Qe為設置無功補償裝置后的補償無功功率,則電源輸送的無功功率減少為Qt=Q-Qe,功率因數由cosφ提高到cosφ0,視在功率由S減少到St.無功補償以低壓中型電機為主要對象,特別是經常處于連續運行的空壓機電機,而且電機極數越多,越能體現無功補償的經濟性.

 

    3 變頻調速節能

 

    3.1 空壓機傳統的控制方式

 

    空氣壓縮機氣量的供求關系主要表現為排氣壓力的變化,當排氣量正好滿足生產用氣量要求時,儲氣壓力保持不變.在生產中由于用氣量不均衡,空壓機供氣量一般大于實際用氣量,為保持儲氣壓力不變,就必須進行調節.目前,壓縮機的能量調節方式有:壓縮機間歇控制運行,吸氣調節,氣缸卸載,熱氣旁通能量調節,分檔變速調節輸氣量,無級變速調節.其中,采用壓縮機間歇運行或空載運行來調節能量為常見.空壓機間歇運行會帶來壓縮機頻繁起停,增大電能損耗,引起電網波動增大,同時也會影響設備壽命;而空載運行其用電量仍為滿負載的30%～60%,這部分電能被白白浪費掉,空氣壓縮機的空載啟動電流是額定電流的5～7倍,對電網及其它用電設備沖擊較大,同時空氣壓縮機的使用壽命也會縮短.還存在許多不可避免的缺點:(1)截斷進氣后末級壓力比增加.末級若為雙作用氣缸,由于一端氣體推力消失,活塞力會急劇增加,特別是對排氣壓力較高的壓縮機,活塞力將遠遠超過設計值;(2)調節過程中,排氣溫度會急劇升高,使設備容易損壞,增加維修費用;(3)真空度能使曲軸箱中的油霧沿活塞桿或活塞竄向氣缸,增加耗油量.

 

    3.2 變頻調速節能控制

 

    變頻調速主要通過改變電動機的轉速來控制空壓機單位時間的出氣量,從而達到控制管路的壓力,調節空壓機的能量,具有明顯的節能效果.它能在一定范圍內連續進行能量調節,滿足空壓機輕載時的運行需要,使制氣量與實際用氣量相匹配.由于異步電動機的轉速為:n=(1-s)60f1/P 式中,n—電動機的轉速,r/min;f1—電動機端電壓的頻率,Hz;s—電動機的轉差率;P—電動機定子繞組的極對數.當空壓機電機確定以后,即s和p為常數,則電機轉速n與電源頻率f成正比,所以改變電機的電源頻率就能改變電機轉速,從而實現變頻調速.根據電磁感應原理,在變頻調速時,只要磁通Φ保持不變,電機定子電壓就與電源頻率成正比,則電機的輸出功率就隨著電源頻率的變化而變化.只要改變定子側的輸入電壓,就可調節電動機的頻率,這就是恒壓頻比(V/F)的控制方式.空壓機采用變頻調速技術進行恒壓供氣控制時,系統框圖示.通過壓力變送器測得的管網壓力值與壓力的設定值相比較后得到偏差,經PID調節器計算出變頻器作用于異步電動機的頻率值后,由變頻器輸出相應頻率和幅值的交流電,使電動機上得到相應的轉速,空壓機輸出相應的壓縮空氣至儲氣罐,使之壓力變化,直到管網壓力與給定壓力值相同.對電網沖擊大,電機軸承磨損大,設備維護量大.針對這些問題,決定采用PLC和變頻器對空壓機進行運行控制.選用ABBACS60變頻器,控制系統由以下部分組成:變頻器,可編程控制器,電抗器,壓力變送器,震蕩傳感器,接觸器,空氣開關,電纜,電流表,電壓表,按鈕,互感器等.改造前經測試參數如下:電機功率75kW,出口壓力為5.9～6.5MPa,運行時間為12h/d,一年運行320天,加載電流為130A,減載電流為90A.經檢測其節電率為30%以上.年節電量(按30%)計算如下:W節電量=12×320×75×30%=86400(kWh)可見節電效果明顯,此外,改造后系統還具有以下優點:減少機器的噪音,利用PLC和變頻器實現機器的軟啟動,軟停止,避免空壓機啟動時對電網的沖擊,減少對設備的維修工作;控制自動化程度高,克服原系統手動調節的缺點.

 

    5 結論

 

    空壓機是造紙企業電力消耗較大的設備之一,它具有配用動力大,運行時間長,耗電量多,冷卻用水量大等特點.因此,如何有效地節約能源,降低空壓機運行成本,成為造紙企業當務之急.影響空壓機能耗的因素較多,包括設備及附件結構形式,運行管理手段,控制方式等,只有全面分析,綜合考慮,采取各項配套的措施,才能確保其節能,安全,可靠運行.其中,空壓機的調節方式與節能關系密切,采用變頻調速技術對空壓機進行運行調節是比較先進和有效的節能降耗手段,它能產生顯著的節能效果,具有相當廣闊的應用前景.

 

    空壓機變頻調速具有以下優點:電機可以實現軟啟動,降低啟動電流,且啟動平滑,無機械沖擊,因而延長機械設備的壽命,對電網的影響也減小;輸氣壓力穩定,調整可靠性高;節能效果明顯,節電一般為30%～40%.

 

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