關(guān)于空壓機(jī)節(jié)能減排技術(shù)的研究

艾佳薇

（大同科工安全儀器有限公司， 山西 大同 037300）

引言

煤礦空氣壓縮機(jī)（簡稱為空壓機(jī)）是一種多功能的機(jī)械設(shè)備，運行空壓機(jī)通常會比其他設(shè)備消耗更多的能量。空壓機(jī)效率是能量輸入與能量輸出之比。許多空氣壓縮機(jī)的運行效率可能低至10%[1]。提高空氣壓縮機(jī)的運行效率可以為煤礦設(shè)施帶來顯著的能源節(jié)省。在談?wù)摽諝鈮嚎s機(jī)的效率時，重要的是壓縮機(jī)本身只是系統(tǒng)的一部分。因此，在討論交流效率時，著眼于整個空壓機(jī)系統(tǒng)是很重要的。壓縮空氣是由空氣壓縮機(jī)、后冷卻器、接收器、空氣干燥器、空氣儲罐、供應(yīng)管線以及多個壓縮機(jī)單元組成的系統(tǒng)的產(chǎn)物。壓縮機(jī)系統(tǒng)的總能耗取決于幾個因素[2]，如類型、型號和尺寸，但電機(jī)功率、控制機(jī)制、系統(tǒng)設(shè)計、使用和維護(hù)也是決定壓縮空氣系統(tǒng)能耗的基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計，在壓縮機(jī)的使用壽命期間，能源成本將是壓縮機(jī)購買成本的5～10 倍。節(jié)約能源可以迅速回收購買空氣壓縮機(jī)所需的額外資金。因此，研究煤礦空壓機(jī)節(jié)能問題具有重大意義。

1 空壓機(jī)系統(tǒng)的簡介

1.1 煤礦用空壓機(jī)的類型

煤礦常用的空壓機(jī)類型分別為旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)、螺桿壓縮機(jī)、隔膜壓縮機(jī)、軸流式壓縮機(jī)、旋片式壓縮機(jī)、渦旋壓縮機(jī)等。根據(jù)煤礦不同工作面以及工序的不同所采用的壓縮機(jī)是不一樣的，本文以GFR-80 型軸流式壓縮機(jī)為研究對象，該型號壓縮機(jī)也是煤礦常用的型號，如圖1 所示。

圖1 GFR-80 型軸流式壓縮機(jī)內(nèi)部示意圖

1.2 GFR-80 型軸流式壓縮機(jī)應(yīng)用簡介

軸流式壓縮機(jī)是一種動態(tài)類型的壓縮機(jī)。軸流壓縮機(jī)利用一系列扇形風(fēng)葉將空氣逐漸壓縮。在運行過程中，機(jī)翼成對排列，一個在固定位置，另一個在旋轉(zhuǎn)位置。旋轉(zhuǎn)的空氣葉片，也稱為轉(zhuǎn)子，可加速空氣的流動。固定葉片（也稱為葉片或定子）減慢并改變流體流動方向，為下一步運行轉(zhuǎn)子葉片提供空間。

GFR-80 型軸流式壓縮機(jī)需要大量機(jī)械組件，而且，它們具有很高的材料質(zhì)量，因此軸向壓縮機(jī)的膨脹系數(shù)較高。GFR-80 型軸流式壓縮機(jī)用于煤礦中的優(yōu)點是比其他類型的壓縮機(jī)高效、具有高壓比且適合多工序階段，缺點是整體質(zhì)量較大且制造難度較高[3]。

2 潛在的能源和節(jié)約成本的可能性

2.1 修復(fù)壓縮空氣泄漏

空氣泄漏是空壓系統(tǒng)相關(guān)制造設(shè)施中造成能源損失的最大單一因素，尤其針對于制造技術(shù)復(fù)雜的GFR-80 型軸流式壓縮機(jī)。壓縮空氣泄漏的成本是指將壓縮損失的空氣量從大氣壓力壓縮到壓縮機(jī)工作壓力所需的能量的成本，如下頁圖2 所示。損失的空氣量取決于管路壓力、泄漏點的壓縮空氣溫度、壓縮機(jī)入口的空氣溫度和泄漏的面積。一般來說，接頭、法蘭連接、彎頭、減少襯套、突然膨脹、閥系統(tǒng)、過濾器、軟管、止回閥、安全閥、延伸件以及連接壓縮空氣管路的設(shè)備都會發(fā)生空氣泄漏[4]。

圖2 空壓機(jī)運行流程示意圖

2.2 使用外部進(jìn)氣口

壓縮機(jī)通常位于煤礦生產(chǎn)設(shè)施內(nèi)或在這些設(shè)施外專門建造的井下庇護(hù)所內(nèi)。進(jìn)氣通常是從井下庇護(hù)所吸入的。但在許多地方，井下的空氣溫度高于外部的空氣溫度。庇護(hù)體的溫度升高也是由于壓縮機(jī)及其電機(jī)的散熱。礦井外的空氣通常更冷，因此即使在炎熱的夏天也比壓縮機(jī)室的空氣更低。因此，建議在壓縮機(jī)入口安裝一個進(jìn)氣口，以便空氣直接從礦井外部進(jìn)入而不是由內(nèi)部供應(yīng)。這將減少壓縮機(jī)的能量消耗，因為壓縮特定量的冷空氣比相同量的熱空氣所需要更少的能量。

2.3 降低壓縮機(jī)空氣壓力

有效保障生產(chǎn)設(shè)備所需的最低壓力水平是最經(jīng)濟(jì)的方式。在許多情況下，可以降低煤礦空壓系統(tǒng)壓力，從而節(jié)省能源。大多數(shù)空壓系統(tǒng)都有一個或多個關(guān)鍵的應(yīng)用程序，以確定系統(tǒng)中的最小可接受壓力。

即使在礦井高噪聲的生產(chǎn)運行中，有時也能聽到漏氣的嘶嘶聲。最終使用點的壓力下降為壓縮機(jī)排放壓力的40%的情況并不少見。然而，對這種問題的一種常見反應(yīng)是安裝一個更大的壓縮機(jī)，而不是檢查系統(tǒng)并找出問題。后一種糾正措施通常只有在采用較大的壓縮機(jī)也不能消除問題后才會采取。由于安裝和維護(hù)不良而導(dǎo)致壓縮空氣系統(tǒng)浪費的能量可占壓縮機(jī)消耗能量的50%[5]，而通過實施節(jié)能措施可以節(jié)省大約1/2 的無用能耗。

3 工程現(xiàn)場減排節(jié)能實際措施分析

上一節(jié)通過礦井空壓機(jī)結(jié)構(gòu)對其潛在的能源和節(jié)約成本的可能性進(jìn)行了宏觀分析，本節(jié)結(jié)合工程現(xiàn)場實際對空壓機(jī)減排節(jié)能具體措施進(jìn)行說明。

1）定期清潔進(jìn)氣過濾器。過濾器每經(jīng)過250 mm壓降，壓縮機(jī)效率將降低2%。

2）每6 個月拆卸和檢查一次壓縮機(jī)閥門，以保證它們處于良好狀態(tài)。磨損的閥門可使壓縮機(jī)效率降低50%。

3）在過濾器上安裝壓力計并監(jiān)測壓降。

4）盡量減少低負(fù)荷壓縮機(jī)運行，如果空氣需求低于壓縮機(jī)容量的50%，則考慮改用較小的壓縮機(jī)或通過減小電機(jī)皮帶輪尺寸適當(dāng)降低壓縮機(jī)速度。

5）被污染的中間冷卻器會降低壓縮機(jī)效率，并導(dǎo)致空氣接收器和分配管線中更多的水冷凝，從而導(dǎo)致腐蝕加劇。必須確保定期清潔中間冷卻器。

6）必須定期進(jìn)行壓縮機(jī)自由空氣輸送測試（FAD），以根據(jù)其設(shè)計容量檢查當(dāng)前的運行容量，并在必要時采取糾正措施。

7）如果一臺以上的壓縮機(jī)向一個公共集管供料，則壓縮機(jī)必須以這樣一種方式運行，即只有一臺小型壓縮機(jī)應(yīng)處理負(fù)載變化，而其他壓縮機(jī)將滿負(fù)載運行。

8）在大型壓縮機(jī)的情況下，必須經(jīng)濟(jì)地分析從熱壓縮空氣中回收熱量，以產(chǎn)生用于工藝應(yīng)用的熱空氣或水的可能性。

9）應(yīng)考慮使用兩級或多級壓縮機(jī)，因為它在相同的空氣輸出量下比單級壓縮機(jī)消耗更少功率。

10）如果過程的壓力要求差異很大，如0.3～0.7 MPa（3～7 bar），建議使用兩個或多個獨立的壓縮空氣系統(tǒng)，如圖3 所示。盡可能降低壓縮機(jī)輸送壓力，以節(jié)省能源。

圖3 獨立的壓縮空氣系統(tǒng)群的運行示意圖

11）在高循環(huán)空氣需求點提供額外的空氣接收器，允許在沒有額外壓縮機(jī)容量的情況下運行。在大型壓縮機(jī)（例如超過100 kW）中改裝變速驅(qū)動器，以完全消除“卸載”運行條件。保持加載和卸載壓力設(shè)置之間的最小可能范圍。

12）每次閥門打開時，自動定時器控制的排水管都會收集浪費的壓縮空氣。因此應(yīng)優(yōu)化排水頻率。

13）定期檢查空氣壓縮機(jī)日志是否有異常讀數(shù)，尤其是電機(jī)電流冷卻水流量和溫度、級間和排放壓力和溫度以及壓縮機(jī)負(fù)載循環(huán)。

14）40%～50%的壓縮空氣泄漏并不少見。定期進(jìn)行泄漏測試以估計泄漏量。

15）在空氣系統(tǒng)中安裝設(shè)備互鎖電磁截止閥，以便在不使用時可以關(guān)閉機(jī)器的空氣供應(yīng)。

4 結(jié)語

壓縮空氣的產(chǎn)生是煤礦生產(chǎn)及其機(jī)械操作過程中主要的能源消耗活動之一，這為煤礦空壓機(jī)節(jié)能技術(shù)提供了一個明確的方向。通過煤礦現(xiàn)場分析發(fā)現(xiàn)，至少可以節(jié)省10%的空壓機(jī)消耗能源。因此，盡可能高效、經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)和使用壓縮空氣符合煤礦企業(yè)的利益。研究成果為煤礦空壓機(jī)減排技術(shù)研究提供了思路。