空压机变频节能及余热回收方案.doc

1、节能项目方案设计1 空压机变频节能改造1.1 企业空压机系统基本情况介绍某 某 科 技 （ 深 圳 ） 有 限 公 司 共 有 五 台 空 气 压 缩 机 ， 其 中 三 台 用 于 A 栋厂 房 ， 两 台 螺 杆 式 空 压 机 37kW、 型 号 ： OGFD37； 一 台 活 塞 式 空 压 机15kW、 型 号 ： AW19008。 供 A 栋 厂 房 冲 压 车 间 、 自 动 组 装 机 以 及 研 发 部门 用 气 。 另 外 两 台 螺 杆 式 空 压 机 22kW、 型 号 ： OGFD22， 供 C 栋 厂 房注 塑 车 间 、 机 加 工 车 间 、 组 装 、 包 装

2、 车 间 用 气 。1.2 空 压 机 变 频 节 能 改 造 分 析一 ： 原 空 压 机 系 统 工 况 的 问 题 分 析1. 主 电 机 虽 然 以 星 -角 降 压 起 动 ， 但 起 动 时 的 电 流 仍 然 很 大 ， 会 影 响 电网 的 稳 定 及 其 它 用 电 设 备 的 运 行 安 全 。2. 主 电 机 时 常 空 载 运 行 ， 属 非 经 济 运 行 ， 电 能 浪 费 最 为 严 重 。主 电 机 工 频 运 行 致 使 空 压 机 运 行 时 噪 音 很 大 。3. 主 电 机 工 频 起 动 设 备 的 冲 击 大 ， 电 机 轴 承 的 磨 损 大 ，

3、所 以 对 设 备 的 维护 量 大 。空 压 机 节 能 改 造 的 必 要 性 ：鉴 于 以 上 对 空 压 机 的 原 理 说 明 以 及 目 前 的 工 况 分 析 ， 我 们 认 为 对 空 压机 的 节 能 降 噪 改 造 是 必 要 的 ， 这 样 不 仅 能 够 节 约 大 量 的 运 行 费 用 ， 降 低生 产 成 本 ， 同 时 还 可 以 降 低 空 压 机 运 行 时 产 生 的 噪 音 ， 减 少 设 备 维 护 费用 。二 ： 螺 杆 式 空 压 机 的 工 作 原 理 介 绍单 螺 杆 空 压 机 空 气 压 缩 机 工 作 原 理 ， 如 图 1 所 示 为

4、单 螺 杆 空 气 压缩 机 的 结 构 原 理 图 。 螺 杆 式 空 气 压 缩 机 的 工 作 过 程 分 为 吸 气 、 密 封 及 输送 、 压 缩 、 排 气 四 个 过 程 。 当 螺 杆 在 壳 体 内 转 动 时 ， 螺 杆 与 壳 体 的 齿 沟相 互 啮 合 ， 空 气 由 进 气 口 吸 入 ， 同 时 也 吸 入 机 油 ， 由 于 齿 沟 啮 合 面 转 动将 吸 入 的 油 气 密 封 并 向 排 气 口 输 送 ； 在 输 送 过 程 中 齿 沟 啮 合 间 隙 逐 渐 变小 ， 油 气 受 到 压 缩 ； 当 齿 沟 啮 合 面 旋 转 至 壳 体 排 气 口

5、 时 ， 较 高 压 力 的 油气 混 合 气 体 排 出 机 体 。图 1 单 螺 杆 空 气 压 缩 机 原 理 图三 ： 压 缩 气 供 气 系 统 组 成 及 空 压 机 控 制 原 理 、 压 缩 气 供 气 系 统 组 成工 厂 空 气 压 缩 气 供 气 系 统 一 般 由 空 气 压 缩 机 、 过 滤 器 、 储 气 罐 、 干燥 机 、 管 路 、 阀 门 和 用 气 设 备 组 成 。 如 图 2 所 示 为 压 缩 气 供 气系 统 组 成 示 意 图 。图 2 压 缩 气 供 气 系 统 组 成 示 意 图 、 空 气 压 缩 机 的 控 制 原 理工 厂 的 空 气

6、 压 缩 机 控 制 系 统 中 ， 普 遍 采 用 后 端 管 道 上 安 装 的 压 力 继 电器 来 控 制 空 气 压 缩 机 的 运 行 。 空 压 机 启 动 时 ， 加 载 阀 处 于 不 工 作 态 ， 加载 气 缸 不 动 作 ， 空 压 机 头 进 气 口 关 闭 ， 电 机 空 载 启 动 。 当 空 气 压 缩 机 启动 运 行 后 ， 如 果 后 端 设 备 用 气 量 较 大 ， 储 气 罐 和 后 端 管 路 中 压 缩 气 压 力未 达 到 压 力 上 限 值 ， 则 控 制 器 动 作 加 载 阀 ， 打 开 进 气 口 ， 电 机 负 载 运 行 ，不 断

7、地 向 后 端 管 路 产 生 压 缩 气 。 如 果 后 端 用 气 设 备 停 止 用 气 ， 后 端 管 路和 储 气 罐 中 压 缩 气 压 力 渐 渐 升 高 ， 当 达 到 压 力 上 限 设 定 值 时 ， 压 力 控 制器 发 出 卸 载 信 号 ， 加 载 阀 停 止 工 作 ， 进 气 口 关 闭 ， 电 机 空 载 运 行 。四 ： 螺 杆 式 空 气 压 缩 机 变 频 改 造 、 空 压 机 工 频 运 行 和 变 频 运 行 的 比 较空 压 机 电 机 功 率 一 般 较 大 ， 启 动 方 式 多 采 用 空 载 （ 卸 载 ） 星 -三角 启 动 ， 加 载

8、和 卸 载 方 式 都 为 瞬 时 。 这 使 得 空 压 机 在 启 动 时 会 有 较 大 的启 动 电 流 ， 加 载 和 卸 载 时 对 设 备 机 械 冲 击 较 大 ； 不 光 引 起 电 源 电 压 波 动 ，也 会 使 压 缩 气 源 产 生 较 大 的 波 动 ； 同 时 这 种 运 行 方 式 还 会 加 速 设 备 的 磨损 ， 降 低 设 备 的 使 用 年 限 。对 空 压 机 进 行 变 频 改 造 ， 能 够 使 电 机 实 现 软 起 软 停 ， 减 小 启 动 冲 击 ，延 长 设 备 使 用 年 限 ； 同 时 由 于 电 机 运 行 频 率 可 变 ， 实

9、 现 了 空 压 机 根 据 用气 量 的 大 小 自 动 调 节 电 机 转 速 ， 减 少 了 电 机 频 繁 的 加 载 和 卸 载 ， 使 得 供气 系 统 气 压 维 持 恒 定 ， 在 一 定 程 度 上 节 约 了 电 能 。 、 空 压 机 主 电 路 和 控 制 电 路 的 变 频 改 造空 压 机 采 用 星 -三 角 启 动 方 式 ， 在 其 控 制 电 路 上 有 加 载 继 电 器 。 在 主电 路 改 造 时 ， 将 变 频 器 串 接 进 原 有 的 电 源 进 线 中 ； 并 适 当 修 改 控 制 回路 ， 实 现 变 频 器 的 启 停 。图 3 空 压

10、机 电 气 原 理 图 、 空 压 机 变 频 改 造 后 的 启 动 和 运 行 方 式空 压 机 变 频 改 造 后 ， 电 机 启 动 时 原 有 的 交 流 接 触 器 仍 然 由 其 控 制 PLC按 星 -三 角 方 式 动 作 ， 但 在 交 流 接 触 器 连 接 为 星 型 时 ， 角 形 交 流 接 触器 的 常 开 触 点 没 有 闭 合 ， 变 频 器 不 启 动 、 无 输 出 ； 当 PLC 控 制 交 流 接触 器 转 换 为 三 角 形 接 法 后 ， 变 频 器 开 始 空 载 变 频 启 动 电 机 。 当 变 频 器 启动 电 机 完 成 后 ， 变 频

11、器 自 动 变 频 运 行 。五 、 螺 杆 式 空 气 压 缩 机 变 频 改 造 后 的 工 频 运 行在 考 虑 变 频 器 发 生 故 障 或 是 检 修 时 ， 空 压 机 能 按 原 有 的 工 频 控 制方 式 运 行 ， 这 保 证 了 空 压 机 在 变 频 和 工 频 状 态 下 都 可 以 运 行 ， 也 使 得 改造 时 可 以 不 用 重 新 编 写 PLC 程 序 ， 为 此 增 加 了 一 套 工 频 、 变 频 自 由 切换 电 路 ， 以 方 便 系 统 的 切 换 。图 4 工 频 、 变 频 转 换 示 意 图六 、 螺 杆 式 空 气 压 缩 机 变 频

12、 改 造 节 能 分 析如 式 1 所 示 拉 力 F 与 摩 擦 力 F大 小 相 等 、 方 向 相 反 ， 拉 力 F 在时 间 T 内 拉 动 物 体 做 直 线 运 动 ， 移 动 位 移 S。 拉 力 F 在 时 间 T 内 作的 功 率 P 为（ 式 1）vFTSW由 数 学 知 识 可 知 线 速 度 v 和 旋 转 角 速 度 之 间 的 关 系 如 式 2 所示 ,式 中 f 为 旋 转 体 的 旋 转 频 率 。（ 式 2）frrv2将 式 2 代 入 式 1 可 以 求 得 旋 转 物 体 摩 擦 阻 力 功 率 如 式 3 所 示（ 式 3）frFrFP由 式 3 可

13、 以 知 道 ,克 服 旋 转 体 的 摩 擦 阻 力 使 旋 转 体 匀 速 转 动 ,需要 向 旋 转 体 提 供 的 功 率 按 式 3 公 式 计 算 （ 忽 略 机 械 效 率 损 失 ， 认 为 为 1） 。 式 3 中 F为 旋 转 体 的 旋 转 摩 擦 阻 力 ， r 为 旋 转 体 的 旋 转半 径 ， f 为 旋 转 体 的 旋 转 频 率 。 所 以 我 们 可 以 在 忽 略 空 气 压 缩 机 机 械 效率 损 失 ， 同 时 忽 略 空 压 机 机 械 效 率 因 为 电 机 转 速 变 化 而 变 化 的 情 况 下 ，即 始 终 认 为 空 压 机 机 械 效

14、 率 为 1， 可 以 近 似 地 认 为 变 频 器 的 输 出功 率 与 空 压 机 电 机 的 转 速 成 正 比 ， 即 成 一 次 方 正 比 例 关 系 。图 5 空 压 机 工 频 运 行 时 的 转 速 /功 率 -周 期 示 意 图图 6 变 频 运 行 时 的 转 速 /功 率 -周 期 示 意 图如 图 5 所 示 是 螺 杆 式 空 压 机 工 频 运 行 时 的 转 速 /功 率 -周 期 示 意图 。 t1 是 空 压 机 加 栽 运 行 时 间 ， t2 是 空 压 机 卸 栽 运 行 时 间 ， 加 栽 /卸 栽 时 的 转 速 和 功 率 分 别 为 P1/n

15、1 和 P2/n2。 忽 略 空 压 机 机 械 效 率 的 变 化 ， W1 和 W2 分 别 为 空 压 机 加 栽 运 行 时 间 t1 和 卸 栽 运 行 时 间t2 中 由 电 源 输 送 给 空 压 机 电 机 的 能 量 。 其 中 W1 转 换 为 压 缩 空 气 势能 、 动 能 和 热 能 等 形 式 的 能 量 ， 供 设 备 使 用 。 而 W2 则 转 换 为 机 械 的摩 擦 热 能 和 声 音 、 震 动 等 形 式 的 能 量 损 失 掉 。所 以 螺 杆 式 空 压 机 经 过 变 频 改 造 后 ， 由 于 电 机 处 于 变 速 运 行 情 况 下 ，而

16、通 过 式 3 的 推 导 知 道 电 机 的 平 均 功 率 与 电 机 的 平 均 转 速 成 一 次 方 正比 例 关 系 。 空 压 机 变 频 改 造 后 ， 是 根 据 用 气 系 统 的 用 气 量 恒 压 变 流 供 气 ；所 以 变 频 改 造 后 ， 空 压 机 在 周 期 T（ t1+ t2） 内 所 作 的 功 W， 等 于同 等 工 况 下 ， 空 压 机 工 频 运 行 时 ， 加 载 运 行 时 间 t1 内 所 作 的 功W1。 如 图 5-6 所 示 。通 过 以 上 分 析 ， 只 要 知 道 螺 杆 式 空 压 机 工 频 改 造 前 卸 载 运 行 时

17、间 和卸 载 电 流 ， 就 可 以 大 致 计 算 出 ， 相 同 工 况 下 变 频 改 造 后 的 节 能 功 率 和 节能 电 量 （ 备 注 ： 忽 略 机 械 效 率 的 变 化 ） 。1.3 空压机变频节能改造效益分析某 某 科 技 （ 深 圳 ） 有 限 公 司 的 五 台 空 气 压 缩 机 ， 两 台 螺 杆 式 空 压 机OGFD37； 两 台 螺 杆 式 空 压 机 OGFD22； 一 台 活 塞 式 空 压 机 AW19008 在 用 气量 大 、 供 气 量 不 足 时 才 开 机 联 网 供 气 。 现 对 四 台 螺 杆 式 空 压 机 进 行 变 频改 造 。

18、 测 试 数 据 见 表 1 表 1 空 压 机 空 载 实 测 数 据空 压 机 型 号额 定 功 率（ kW）加 载 、 卸载 时 间 比电 流（ A）电 压（ V）功 率 因 数Cos数 量（ 台 ）OGFD37 37 9： 2 15.4 386 0.86 2OGFD22 22 11： 3 8.6 391 0.89 2根 据 1.2 第 “六 ”部 分 变 频 改 造 节 能 量 计 算 推 导 ， “空压机变频改造后，在周期 T（t1+ t2）内所作的功 W，等于同等工况下，空压机工频运行时，加载运行时间 t1 内所作的功 W1”，某 某 科 技 （ 深 圳 ） 有 限 公 司 的 空

19、 压 机 每 天 工 作 约 10h， 一 年 工 作约 312d， 企 业 平 均 电 价 0.84 元 /kWh。 对 4 台 （ 两 台 37kW、 两 台22kW） 进 行 变 频 改 造 。年 可 节 约 的 电 量 ： tUIcos3=1.732386V14.4A0.862 台10h2/11300d+1.732391V8.6A0.892 台10h3/14312d 16976 kWh年 可 节 约 电 费 ： 16976 kWh0.84 元 /kWh=14259 元表 2 空 压 机 变 频 改 造 费 用 及 回 收 期 计 算费 用 名 称 金 额 （ 人 民 币 ） 单 位 ：

20、 元 备 注变 频 改 造 费 850（ 37+22） =50150变 频 改 造 费 约 ： 850 元 /kW；可 采 取 变 频 器 一 拖 二投 资 回 收 期 50150 元 14259 元 /年 3.5 年2 空压机余热回收2.1 企业空压机系统排气介绍某 某 科 技 （ 深 圳 ） 有 限 公 司 共 有 五 台 空 气 压 缩 机 ， 其 中 三 台 用 于 A 栋厂 房 ， 两 台 螺 杆 式 空 压 机 37kW、 型 号 ： OGFD37，排气温度87 ； 一 台活 塞 式 空 压 机 15kW、 型 号 ： AW19008。另 外 两 台 螺 杆 式 空 压 机 22k

21、W、型 号 ： OGFD22，排气温度92 ， 供 C 栋 厂 房 注 塑 车 间 、 机 加 工 车 间 、 组装 、 包 装 车 间 用 气 。 所 有 空 压 机 余热没有回收装置，且宿舍有用热水的需求，某某科技（深圳）有限公司共有员工 620 人。2.2 空压机余热回收技术介绍一 、 技 术 背 景螺 杆 式 空 气 压 缩 机 的 工 作 流 程 如 下 ： 空 气 通 过 进 气 过 滤 器 将 大 气 中的 灰 尘 或 杂 质 滤 除 后 ， 由 进 气 控 制 阀 进 入 压 缩 机 主 机 ， 在 压 缩 过 程 中 与喷 入 的 冷 却 润 滑 油 混 合 ， 经 压 缩

22、后 的 混 合 气 体 从 压 缩 腔 排 入 油 气 分 离 罐 ，从 而 分 别 得 到 高 温 高 压 的 油 、 气 。 由 于 机 器 工 作 温 度 的 要 求 ， 这 些 高 温高 压 的 油 、 气 必 须 送 入 各 自 的 冷 却 系 统 ， 其 中 压 缩 空 气 经 冷 却 器 冷 却 后 ，最 后 送 入 使 用 系 统 ； 而 高 温 高 压 的 润 滑 油 经 冷 却 器 冷 却 后 ， 返 回 油 路 进入 下 一 轮 循 环 。在 以 上 过 程 中 ， 高 温 高 压 的 油 、 气 所 携 带 的 热 量 大 致 相 当 于 空 气 压缩 机 功 率 的

23、1/4， 其 温 度 通 常 在 80 100 之 间 。 螺 杆 式 空 气 压 缩 机通 过 其 自 身 的 散 热 系 统 来 给 高 温 高 压 的 油 、 气 降 温 的 过 程 中 ， 大 量 的 热能 就 被 无 端 的 浪 费 了 。为 了 充 分 利 用 螺 杆 式 空 压 机 所 产 生 的 余 热 ， 应 采 用 余 热 利 用 技 术 ，利 用 余 热 回 收 装 置 对 螺 杆 式 空 气 压 缩 机 所 产 生 的 高 温 高 压 的 气 体 进 行 冷却 ， 不 仅 可 以 提 高 空 气 压 缩 机 的 产 气 效 率 ， 而 且 可 使 企 业 获 得 生 产

24、 和 生活 所 需 的 热 水 ， 严 冬 可 加 热 到 50 ， 夏 秋 季 节 65 ， 从 而 解 决 了企 业 为 生 活 热 水 长 期 经 济 支 付 的 沉 重 负 担 。空 压 机 热 泵 与 燃 油 锅 炉 的 经 济 价 值 比 较 （ 300 人 用 水 企 业 ）表 3供 热 方 式 节 能 环 保 性一 年 运 行 费 用（ 元 ）管 理 维 护 费用 （ 元 ）供 热 程 度 总 开 支空 压 机 热 泵 节 能 环 保 安 全 无 运 行 费 用 清 洗 费 300 不 限 量 不 定 时 300 元燃 油 锅 炉 燃 油 污 染 环 境 70200 5000

25、限 量 、 定 时 75200 元二 、 技 术 方 案 简 介图 7 空 压 机 余 热 利 用 装 置 系 统 流 程三 、 余 热 利 用 系 统 优 点1. 安 全 、 卫 生 、 方 便螺 杆 空 压 机 余 热 利 用 装 置 与 燃 油 锅 炉 比 较 ， 无 污 染 、 一 氧 化 碳 、 二 氧化 硫 、 黑 烟 和 噪 音 、 油 污 对 大 气 环 境 的 污 染 。 一 旦 安 装 投 入 使 用 ， 只要 空 压 机 在 运 行 ， 企 业 职 员 就 随 时 可 以 提 取 到 热 水 使 用 ， 不 必 定 时 定量 供 应 。2. 提 高 空 压 机 的 运 行

26、 效 率 ， 实 现 空 压 机 的 经 济 运 转 安 装 螺 杆 空 压 机 余 热利 用 装 置 的 空 压 机 组 ， 可 以 提 高 产 生 气 量 8%， 空 气 动 力 学 家 和 空压 机 制 造 厂 家 给 出 厂 机 组 额 定 的 每 分 钟 产 气 量 m3/min 是 以 80的 温 度 测 量 定 准 的 。 螺 杆 空 压 机 的 产 气 量 m3/min 会 随 着 机 组 运 行温 度 的 升 高 而 降 低 ， 当 然 ， 空 压 机 的 机 械 效 率 肯 定 不 会 稳 定 在 以 80标 定 的 产 气 量 上 工 作 。 它 的 反 比 程 度 是 ： 温 度 每 上 升 1 ， 产 气量 就 下 降 0.5%， 温 度 升 高 10 ， 产 气 量 就 降 5%。 一 般 风 冷 散 热 的空 压 机 都 在 88 96 间 运 行 ， 其 降 幅 都 在 4 8%， 夏 天 更 甚 。 空压 机 余 热 利 用 装 置 足 可 以 使 空 压 机 温 度 降 8 12 ， 为 此 它 的 经