雙級壓縮技術在節能改造中的應用

成強 周靜

上海市質量監督檢驗技術研究院

引言

用于產生壓縮空氣的壓縮機是工業企業的重點耗能設備，具備節能潛力。在空壓機的使用成本中（如圖1），設備購置成本僅占5%，維護成本占18%，電費占到了驚人的77%，實施壓縮機節能將會顯著降低壓縮機的使用成本。壓縮機耗電量占主要工業設備耗電量的15%，全國壓縮機每年耗電量約為2500億千瓦時。按照全國壓縮機平均節電15%，平均電價0．65元計算，每年將創造節能效益244億元，市場前景廣闊。

圖1 空壓機使用成本組成

空壓機系統是制造行業的生產輔助設備或動力設備，其能源消耗達到企業總能耗的10～60．66%。空氣壓縮機老舊、使用年限較長致使主機磨損，螺桿間隙增大在壓縮空氣的過程中空氣泄漏同樣增大，以至于排氣量降低、導致設備利用率低下，單級壓縮螺桿空氣壓縮機組，輸入比功率較高而利用率低，不屬于國家節能認證設備。隨著社會的發展、科技的進步、機械加工設備的改良及加工精度的提高，社會及企業對節能產品追求，代表最新技術的雙級壓縮機體應運而生。同功率壓縮機體，雙級壓縮機體效率比單級壓縮機體效率高15%（如單級壓縮為舊機體，則效率更低，壓縮效率將遠大于15%）。

1 雙級壓縮工作原理及優點

雙級壓縮就是把一級壓縮轉子和二級壓縮轉子組合在一個機殼內（如圖2），并分別通過斜齒輪直接傳動。自然空氣通過空氣過濾器進入第一級壓縮，在壓縮腔與少量潤滑油混合，同時將混合氣體壓縮到級間壓力。壓縮后的氣體進入冷卻通道，與大量油霧接觸，從而大大降低了溫度。降溫后的壓縮氣體進入第二級轉子，進行二次壓縮，被壓縮到最終排氣壓力。最后通過排氣法蘭排出壓縮機，完成整個壓縮過程。

圖2 空壓機雙級壓縮示意圖

根據工程熱力學理論，空壓機在壓縮過程中等溫壓縮最省功。（溫度高的時候氣體的密度越低，壓縮需要用的功就多）。不僅如此，等溫壓縮不但可以減少消耗的功，還能降低壓縮后氣體的溫度，使空壓機材料的使用更為寬廣和經濟，使空壓機的運行更為可靠。但是等溫壓縮，就要使氣體熱量隨時與外界交換，氣體溫度與外界相等，在實際工作中是不可能實現的。而通過分級壓縮加中間冷卻是降低排氣溫度的有效方法。一級壓縮機體具有冷卻的不完善性，雙級壓縮的機體有完善的級間冷卻設計和雙級壓縮過程中的冷卻的完善性。

此外，兩對轉子同時做功，打氣速度快，出氣量大，這點是單級無可替代的優勢。而且由于雙級壓縮，每級的壓縮比較單極壓縮要小很多，轉子和軸承受到的壓力小，再加上轉子直徑大、轉速低，所以運行更可靠。雙級壓縮機體每級壓縮比降低，所以轉子間的壓縮空氣泄漏大為降低，提高了機體的容積效率。雙級壓縮機體均引入軸向進氣設計，充分利用了螺桿的有效長度，使壓縮效率最佳化，也減少了徑向不平衡力，提高了部件的壽命，也顯著降低了運行噪音。雙級壓縮機體采用了最新的高效轉子型線設計，降低了每一級的轉子軸承載荷。一級和二級螺桿的轉子均運行在最佳的齒頂速度。同等功率的電機做工產生的出氣量來說，雙級普遍比單級高13%-15%，相當于90kW的一臺雙級壓縮空壓機同等能耗下能產出一臺110kW單級壓縮空壓機的氣量。

2 空壓機現場節能改造方案及節能效果分析

2.1 空壓機節能改造方案

我們對鎮江鎮鈦化工有限公司現場進行了改造，并對改造前后分別進行了數據測試，以進氣口能效分析儀進行檢測后，依據壓力溫度進行換算回吸氣狀態風量，并同時測量相應能耗。該公司4臺132 kW空壓機有改造潛力，空壓機型號均為復盛SA132W機型，日常生產，24小時運行。分別將4臺空壓機的主機進行改造，主機均采用雙級壓縮機頭，采用110 kW電機并更換輔助零部件。增加1臺變頻柜，減少低峰用氣時間的空車損耗，保證空壓站的壓力恒定，降低不必要的高壓造成的能源浪費。為了對空壓機進行集中控制，增加1臺聯控箱。

2.2 改造前后測試數據分析

改造前4臺132 kW單極壓縮空壓機測試數據見表1。

表1 改造前測試數據

改造后4臺110 kW雙極壓縮空壓機測試數據見表2。

采用110 kW電機，雙級壓縮主機，產氣量為更高，功耗降低，相同排氣量情況，比原機省電，相同耗電情況下產氣更多。

表2 改造后測試數據

2.3 改造投資收益分析

根據實際測量數據估算，改造前，原有空壓機4臺同時開啟，總產氣量為92．3 m3/min，總功耗為643．6 kW。改造后，4臺雙級壓縮空壓機開啟，總產氣量為110．9 m3/min，總功耗為498．9 kW，氣量增加了18．6 m3/min，功耗減少144．7 kW。以每年運行6000小時，電費為0．65元/度計算，每年節約功耗144．7×6000=86．82萬度，每年節約電費86．82×0．65=56．43萬元。

改造前每立方米功耗為 643．6/92．3=6．97 kW/(m3/min)，若考 慮 增加 的 氣量約 為 110．9-92．3=18．6 m3/min，按 目 前 比 功 率 耗 功 6．97 kW/(m3/min)，運行6000h，電費0．65 元/度計算，增加氣量年節省：6．97×18．6×6000×0．65=50．56萬元/年，相當于每年節約電費56．43萬元+50．56萬元=106．99萬元。

該項目預計總投資100萬元(其中包括4臺雙級壓縮主機、4臺110 kW電機，1臺變頻柜和聯控箱)，投資回收周期為1年。

3 結語

隨著空壓機技術的不斷發展，雙級壓縮技術已經在空壓機行業中占據了主導地位，尤其在節能領域的成就日益顯現，在采用雙擊壓縮技術后，越來越多的空壓機能達到一級能效，成為未來空壓機行業的一個重要發展方向，在實現節能的同時帶來了良好的經濟效益。