雙級永磁變頻空壓機(jī)節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用

李谞

0 引言

壓縮空氣是啤酒生產(chǎn)中不可缺少的動力源。在啤酒的生產(chǎn)過程中，壓縮空氣系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著為啤酒工藝、生產(chǎn)設(shè)備以及各種氣動元件提供氣源的職責(zé)。然而，壓縮空氣系統(tǒng)的高能耗問題也一直是啤酒生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的重點，據(jù)統(tǒng)計，壓縮空氣系統(tǒng)的用電能耗占啤酒生產(chǎn)企業(yè)用電總量的15%左右[1]；其中，空氣壓縮機(jī)（簡稱“空壓機(jī)”）作為壓縮空氣系統(tǒng)中的核心設(shè)備，其能耗約占整個壓縮空氣系統(tǒng)的70%以上[2]。由此可見，對壓縮空氣系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，關(guān)鍵在于有效地降低空壓機(jī)的能耗水平。近年來，面對日益嚴(yán)峻的外部環(huán)境以及啤酒市場競爭的加劇，對壓縮空氣系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，尤其是采用更低單位能耗的空壓機(jī)替代較高單位能耗的空壓機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造具有一定的可行性，其不僅有利于壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能降耗，提高設(shè)備的使用壽命，還能實現(xiàn)啤酒生產(chǎn)企業(yè)降本增效的目標(biāo)，為今后落實國家“碳達(dá)峰”及“碳中和”的相關(guān)政策邁出重要一步。

1 啤酒行業(yè)空壓機(jī)現(xiàn)狀分析

當(dāng)前，受企業(yè)規(guī)模、產(chǎn)能和資金等因素的影響，不少中小型啤酒生產(chǎn)企業(yè)的空壓機(jī)普遍為工頻螺桿式空壓機(jī)。其在運行過程中依據(jù)排氣口壓力以及管網(wǎng)用氣的動態(tài)變化進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)用氣量不斷變化時，空壓機(jī)就會不斷地在啟動、加載、保壓、卸載、停機(jī)之間往復(fù)循環(huán)以穩(wěn)定氣壓。空壓機(jī)頻繁地加、卸載不僅使空壓機(jī)的運行效率低下，造成嚴(yán)重的能源損耗的同時，也會進(jìn)一步地降低空壓機(jī)的使用壽命，使空壓機(jī)的維護(hù)成本隨著運行時間的增加而逐年升高[3]；此外，空壓機(jī)“高壓低用”、匹配不合理以及壓力帶設(shè)置過寬等也是目前啤酒生產(chǎn)企業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)中空壓機(jī)使用普遍存在的問題。

隨著各地對節(jié)能減排的要求越來越嚴(yán)格以及企業(yè)對低能耗節(jié)能的需求越來越急迫，一些大型啤酒生產(chǎn)企業(yè)開始逐步使用雙級永磁變頻螺桿空壓機(jī)替代傳統(tǒng)的工頻螺桿式空壓機(jī)，以此推進(jìn)企業(yè)的降本增效工作，從而達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。

2 雙級永磁變頻螺桿空壓機(jī)運行分析

2.1 雙級永磁變頻螺桿空壓機(jī)的電動機(jī)分析

一般而言，雙級永磁變頻螺桿空壓機(jī)電動機(jī)為永磁同步電動機(jī)。永磁同步電機(jī)無勵磁線圈，轉(zhuǎn)子的直流勵磁繞組被永磁體取代，顯著提高了功率因素，降低定子電流和銅耗；同時，轉(zhuǎn)子永磁體和定子旋轉(zhuǎn)磁場同步運行，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流，降低了轉(zhuǎn)子損耗[4]。圖1 為永磁同步電動機(jī)與工頻Y 系列異步電動機(jī)的效率-轉(zhuǎn)速曲線對比圖，由圖1 可知，相比Y 系列異步電動機(jī)，永磁同步電動機(jī)在轉(zhuǎn)速的初始階段已接近與最大效率ηmax。由此可見，永磁同步電動機(jī)在節(jié)能效果上相較于工頻電動機(jī)具有更大的節(jié)能優(yōu)勢。

圖1. Y 系列異步電動和永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n-效率η 曲線圖[5]

此外，永磁同步電機(jī)配合變頻驅(qū)動器（Variable Frequency Drive,VFD）的永磁變頻啟動方式相比軟啟動更加平穩(wěn)、啟動電流更小、能量消耗更低，啟動時完全避免了電流峰值，進(jìn)而有效提高了空壓機(jī)整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性，并徹底杜絕了工頻啟動對電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊（圖2 所示）。當(dāng)機(jī)組在變頻的狀態(tài)下運行時，永磁同步電機(jī)將保持極高的效率運行，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩以及運行特性適應(yīng)空壓機(jī)的負(fù)載，在滿負(fù)荷的情況下充分發(fā)揮峰值效率和功率因數(shù)。

圖2. 不同啟動方式下的電流趨勢圖

相比工頻螺桿式空壓機(jī)頻繁的加、卸載，雙級永磁變頻螺桿空壓機(jī)啟動運行至額定壓力后，其變頻器能夠通過實時用氣量來調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，并進(jìn)行無級變速跟蹤產(chǎn)氣，在保持壓力不變的狀況下控制空壓機(jī)輸出實際需要的氣量。如圖3 所示，普通工頻螺桿空壓機(jī)運行時，其壓力一直在額定壓力的上下0.07MPa 范圍內(nèi)波動，而搭配VFD 的雙級永磁變頻空壓機(jī)的壓力可以穩(wěn)定在額定壓力上下0.01MPa 范圍內(nèi)，實現(xiàn)了恒壓供氣，不僅有效降低空壓機(jī)的能耗，也提高了機(jī)組及用氣設(shè)備的可靠性和使用壽命。

圖3. 雙級永磁變頻空壓機(jī)（紅線）和普通工頻螺桿空壓機(jī)（藍(lán)線）的壓力趨勢圖

2.2 雙級永磁變頻螺桿空壓機(jī)的壓縮技術(shù)分析

工頻螺桿式空壓機(jī)大多為單級螺桿空壓機(jī)，主要以一組相互平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子在機(jī)體內(nèi)進(jìn)行相對旋轉(zhuǎn)。根據(jù)工程熱力學(xué)理論，空壓機(jī)在壓縮過程中進(jìn)行等溫壓縮最省功[4,5]。圖4 為等溫壓縮和單級壓縮在壓縮過程中氣體的壓力P 與體積V 的關(guān)系圖,其中，面積0-1-2’-3-0為等溫壓縮所需要的功耗，面積0-1-2-3-0 為單級壓縮所需要消耗的功。由圖4 可知，等溫壓縮的功耗相比單級壓縮的功耗更小，空壓機(jī)進(jìn)行等溫壓縮不僅有利于降低消耗的功率，還能降低壓縮后氣體的溫度。因此，對于空壓機(jī)來說，在壓縮過程中實現(xiàn)等溫壓縮，是空壓機(jī)最理想的壓縮過程。然而，空壓機(jī)進(jìn)行等溫壓縮在實際運行中幾乎難以實現(xiàn)，這是由于壓縮后氣體的溫度無法完全實現(xiàn)與外界的溫度相等。因此，為了降低壓縮后的氣體溫度以及提高空壓機(jī)的效率，空壓機(jī)的壓縮過程應(yīng)盡可能向等溫壓縮靠近。

圖4. 等溫壓縮和單級壓縮氣體的壓力P 與體積V 關(guān)系圖

圖5. 兩級壓縮的壓力P 與體積V 關(guān)系圖

3節(jié)能改造案例

雙級永磁變頻螺桿空壓機(jī)則是采用了兩組同樣相互平行嚙合的陰陽螺桿轉(zhuǎn)子，通過雙級壓縮實現(xiàn)合理的壓力分配，降低了每次壓縮的壓縮比。此外，通過增加中間冷卻的方式，對經(jīng)過一級壓縮后的壓縮氣體進(jìn)行冷卻處理。空壓機(jī)里的冷卻劑會通過機(jī)體上的多個噴射孔，形成霧狀噴射簾，對熱的壓縮空氣進(jìn)行近乎完美的冷卻，大大降低了進(jìn)入二級壓縮階段前的壓縮空氣溫度，起到接近了等溫壓縮過程、節(jié)約壓縮所需能量的效果。圖5為兩級壓縮的壓力P 與體積V 關(guān)系圖，由上文可知，面積0-1-2’-3-0 和面積0-1-2-3-0 分別為等溫壓縮和單級壓縮所需要消耗的功； 當(dāng)采用兩級壓縮，則壓縮過程中所消耗的功為0-1-4-5-0 和5-4’-2’’-3-5 所包含區(qū)域之和。通過對比單級壓縮所消耗的功（0-1-2-3-0），則可知兩級壓縮對比單級壓縮所節(jié)省的功耗為面積4’-4-2-2’’-4’，由此可知兩級壓縮相比單級壓縮具有更好的節(jié)能優(yōu)勢[5,6]。

某啤酒生產(chǎn)企業(yè)三條糖化出糟工段采用壓縮空氣管道吹糟方式進(jìn)行（圖6 所示）。其中，一線排糟壓縮空氣的流量需求為17.1m3/min，日平均使用9 小時；二線排糟壓縮空氣的流量需求為16.91m3/min，日平均使用6小時；三線排糟壓縮空氣的流量需求為18.8m3/min，日平均使用4 小時。排糟的壓縮空氣使用量占全廠總用氣量的43.55%。

圖6. 壓縮空氣管道吹氣排糟

當(dāng)前，該啤酒生產(chǎn)企業(yè)配備了三臺工頻螺桿式空壓機(jī)用于管道吹氣排糟（表1-1 所示）。由表1-1 可知，三臺空壓機(jī)分別為兩臺額定壓力為0.7MPa，流量10m3/min 及一臺額定壓力為0.8MPa，流量20m3/min 的微油空壓機(jī)，而管道吹氣排糟實際只需3.5-4.5bar，存在空壓機(jī)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。

表1-1 糖化出糟工段空壓機(jī)使用情況

對現(xiàn)場實施節(jié)能改造，采用三臺排氣量為18m3/min、 壓 力4bar、 比 功 率4.5kwh/(m3/min) 的 雙 級永磁變頻螺桿空壓機(jī)替代原來的三臺工頻螺桿式空壓機(jī)。 改造前，三臺工頻螺桿式空壓機(jī)年均流量約為16350596m3，年均用電量為1791208kwh；改造后，三臺雙級永磁變頻螺桿空壓機(jī)年用電量約為1226295kwh，相比改造前的1791208kwh，節(jié)約電量約為564913kwh，節(jié)能率達(dá)到了31.5%，按0.7 元的電價計算，可節(jié)約金額為395439 元，與改造前采用工頻螺桿式空壓機(jī)相比，采用雙級永磁變頻空壓機(jī)具有非常明顯的節(jié)能優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

隨著我國啤酒企業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，設(shè)備節(jié)能效果的重要性將愈發(fā)凸顯。作為壓縮空氣系統(tǒng)的新型節(jié)能設(shè)備，雙級永磁變頻螺桿空壓機(jī)近幾年得到了大力發(fā)展，并已在其他傳統(tǒng)工業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。然而，不少啤酒行業(yè)中小型啤酒生產(chǎn)企業(yè)出于資金成本考慮，更傾向于采用工頻螺桿式空壓機(jī)，雙級永磁變頻螺桿空壓機(jī)的普及率仍然較低。近年來，隨著國家《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》逐步的細(xì)化落實，工業(yè)設(shè)備的節(jié)能技術(shù)改造將是國家未來實現(xiàn)“碳達(dá)峰”及“碳中和”目標(biāo)的關(guān)鍵支撐，采用更低單位能耗的雙級永磁變頻螺桿空壓機(jī)替代較高單位能耗的工頻螺桿式空壓機(jī)有利于節(jié)能降耗，提高空壓設(shè)備使用壽命，具有一定的可行性。