再生水廠膜工藝環節氣擦洗空壓機節能改造與實現

楊自強

（北京排水集團涼水河流域分公司，北京 100000）

1 前言

空氣具有可壓縮性，經空氣壓縮機做機械功使本身體積縮小、壓力提高后的空氣叫壓縮空氣。壓縮空氣是一種重要的動力源。與其他能源比，它具有下列明顯的特點：清晰透明，輸送方便，沒有特殊的有害性能，沒有起火危險，不怕超負荷，能在許多不利環境下工作，空氣在地面上到處都有，取之不盡。

空壓機是氣動系統中氣源裝置的主體，它將原動的機械能轉化為氣體壓力能，提供氣源動力。據權威資料顯示，在企業電力總消耗中，壓縮空氣系統電能耗費占到10%～35%，而作為氣動系統中的氣源裝置主體，空壓機所消耗電能占到整個壓縮空氣系統總能耗的90%以上。而且據調查顯示，我國大部分氣動系統都存在系統管路損失大、設備配套不合理、系統控制技術落后及運行管理水平低等問題，因此運行效率都很低。

某再生水廠膜工藝環節中使用空壓機，其中氣擦洗空壓機主要為膜組器的正常反洗提供氣源，具有很重要的作用。氣擦洗空壓機通過電動機把氣體導入壓縮腔，對空氣進行壓縮做功，并同時使壓縮的氣體具備一定的壓力。空氣壓縮機消耗能源中最大的就是電能，同時由于其運行方式的特點，耗能非常巨大。其中再生水廠膜工藝氣擦洗空壓機耗電占比約20%。因此，本文對氣擦洗空壓機進行耗能原因分析并提出改造措施。

2 空壓機系統改造前運行狀態

螺桿式空壓機的工作原理是空氣經空氣過濾器和吸氣調節閥而吸入，該調節閥主要用于調節氣缸、轉子及滑片形成的壓縮腔，陰、陽轉子旋轉相對于氣缸里偏心方式運轉。滑片安裝在轉子的槽中，并通過離心力將滑片推至氣缸壁，高效的注油系統能夠確保壓縮機良好的冷卻及潤滑油的最小舒適耗量，在氣缸壁上形成的一層薄薄的油膜可以防止金屬部件之間直接接觸而造成磨損。經過壓縮后的空氣溫度較高，其中混有一定的油氣，經過油氣分離器進行分離，之后，油氣經過油過濾器冷卻在經過過濾器流回儲油罐，空氣經過氣后冷卻器進行冷卻而進入儲氣罐。

某再生水廠膜工藝環節氣擦洗空壓機共有4 臺，該空壓站的壓縮空氣系統由空壓機、儲氣罐、連接管路至車間各用氣點構成，沒有預處理系統，管路材質為不銹鋼，管徑為DN125。系統為氣擦洗設備提供壓縮空氣。4 臺氣擦洗空壓機之間沒有控制聯系，靠人工現場開停，無法根據現場情況進行及時的氣量調節，同時由于氣管路的跑冒現象，導致空壓機機組運行時有大量的能源浪費。

空壓站主要設備清單詳見表1。

表1

改造前該空壓機站數據如圖1 和圖2 所示。

圖1 12 月6 日0 點～12 月14 日0 點的1#氣擦洗流量曲線圖-用氣流量波動大，成規律性

圖2 9 點～10 點兩小時曲線圖 加載功率106kW 卸載功率40kW，加卸載頻繁

由于膜組器氣洗用氣量不斷變化，需要調整供氣設備相應的負荷。常用加/卸載的方式滿足勇氣要求，以免空壓機的頻繁啟停。空壓機加卸載情況包括：（1）當用氣量大于產氣量時，空壓機進口閥打開，設備滿負荷運行；（2）當用氣量小于供氣量時，空壓機進入卸載狀態，關閉進口閥；（3）隨著卸載時間的延長，系統壓力不斷降低，當空壓機出口壓力低于最小壓力時，卸載閥門關閉，打開進氣閥，空壓機進入加載狀態。加卸載狀態是氣體壓力達到設定值的最小值或者最大值時，設備的運行狀態。加載狀態時，壓力達到最小值后，空壓機運行，將壓力升到最大壓力值，加壓就包含了兩部分的能量損失，一是加壓過程向外界釋放能量，能耗損失較大；二是壓力高于最大壓力值時經過減壓閥減壓，同樣是在消耗能量。空壓機排氣壓力每上升0.1MPa，消耗電能7%左右。根據測試數據，該空壓機站空壓機加載率較低，存在嚴重的能源浪費，同時系統間歇用氣，瞬時用氣量較大。當管道壓力低于0.6MPa，人工需要啟動備用機組運行；當管道壓力高于0.78MPa 時，人工需要關閉一臺運行機組。普通空壓機正常工作時一般處于恒速運轉狀態，但壓縮空氣系統實際運行中，用氣端需求經常處于不斷變化的狀態，當末端用氣量減少時，空壓機組就會通過關閉進氣口閥門來調節進氣量，機組進人卸載狀態，此時，空壓機空轉運行。我國空壓機負荷率約為66%，卸載運行功率約為滿載時的20%～40%。綜合計算，空壓機卸載運行所消耗的電能約占系統總能耗的9%～18%，能耗浪費情況非常嚴重。

3 節能改造分析

（1）高效設備節能改造。淘汰1 臺原有氣擦洗空壓機的電機，根據該空壓機站用氣有規律性、間斷性、瞬時流量大，采用高效的混合永磁電機，永磁電機獨特的永磁結構，利用更少的電能提供更多的壓縮空氣和更大的氣量調節范圍。變頻空壓機是用壓力傳感器檢測系統中的實際氣壓和用氣量，通過電器控制和變頻控制實現在不改變空壓機馬達轉矩（負載能力）的前提下即時控制馬達的轉速（輸出功率），通過改變壓縮機的轉速來改變壓力變化，保持穩定壓力（設定值），達到按需輸出高品質空氣的目的，其控制原理與風機電機水泵節能中增加變頻器的原理相同，根據負載變換，控制輸入的電壓頻率。當系統空氣消耗降低時，壓縮機提供的空氣大于系統消耗量，變頻式壓縮機降低轉速，減少輸出空氣風量；反之，則增加轉速以提高空氣風量，保持穩定的系統壓力。變頻調節技術，運行中能利用自動能量優化節能功能，使變頻器能根據電機的實際負載向其供給最低的電能，變頻電機與普通電機相比，節能在20%以上。一般地，通用工頻電動機驅動的螺桿空壓機稱為工頻螺桿空壓機；而當配用變頻器控制的變頻電機時，則稱為變頻螺桿空壓機。當配用的電機是異步啟動的永磁同步電動機時，則稱為永磁螺桿空壓機；而當配用的電機為永磁同步電動機時，則稱為永磁變頻螺桿空壓機，永磁同步電動機與變頻器高度集成，轉子采用磁性最強、磁性最穩定的永磁體，定子繞組采用真空壓力浸漆加上環氧樹脂進行真空灌封而成。選用永磁變頻空壓機時，節能效果更明顯，其既具有高效率、高功率因數、高啟動轉矩的優勢，又沒有轉子繞組，不需要給轉子勵磁，減少了能源的消耗。從維修成本角度看，永磁電機沒有軸承，無須添加潤滑脂，減少了軸承故障點，極大地節省了維修成本。

（2）智能化改造。通過搭建AI 智能控制系統，實現對空壓機的實時監測、在線分析、系統優化和自主執行，從智能運維、節能高效、安全管理三個核心方面出發，基于小時用氣量預測，對空壓機系統進行全面科學管理。①數據采集功能。空壓機運行狀態；出氣管道壓力、出氣管道流量；冷卻水進水、回水的溫度；②顯示功能。以圖形、曲線等動態顯示設備數據、歷史報表、實時故障等信息；③參數設定。能夠設定空壓機壓力、聯控開停機時間等。空壓機智能控制為根據壓力設定及邏輯規劃聯動開停機組。智能控制中，系統將永磁變頻電機的空壓機當做主機，以達到節能要求。根據壓力來開停其他機組，當一臺運行的空壓機故障報警，系統會自動退出該故障機組，自動開啟其他備用機組。智能控制中，壓力不夠時，備用機組按照最少運行時間的優先級啟動。當主機壓力在自動控制中，主機壓力與系統工作壓力進行比較，調節主機的運行頻率，穩定系統壓力。當系統壓力高于主機工作壓力，主機首先將低頻率運行，若壓力還上升，則備用機組卸載或停機，主機最低頻率運行，不會停機。當系統中所有備機都卸載或停機，主機處于運行狀態，壓力達到主機供氣卸載壓力，主機卸載運行。PLC 柜實時采集氣擦洗管路的系統壓力，將系統壓力的變化與空壓機系統壓力的設定值進行比較，通過智能控制模塊，對空壓機進行相應的調節，保證系統壓力的平衡穩定。當實時壓力小于設定壓力，系統判斷運行的空壓機是否都處于加載狀態，如有空壓機處于卸載狀態，則發出加載指令；當所有空壓機均加載，系統將啟動備用空壓機，提高系統壓力。當實時壓力大于系統壓力，系統卸載一臺運行的空壓機，減少排氣量，降低系統壓力。控制邏輯如圖3。

圖3 控制邏輯

（3）增加監測儀表實現對機組的保護。對各臺空壓機增加功率儀、振動傳感器，主管道上安裝流量計、壓力傳感器和汽水分離器，將信號傳送至智能控制柜，實現對空壓機的監護。控制氣擦洗空壓機本體的溫度能有效降低能耗。控制溫度主要通過全面對設備的維護，將溫度控制在合理的范圍，穩定空壓機的運行狀態。機組配套的振動傳感器可以實時監測空壓機的水平、軸向的振動，通過設定報警值，第一時間報警提示。通過管道上增加的汽水分離器，第一時間進行汽水分離，減少管道中的水阻，提高供氣效率。

4 節能效果

原空壓站裝機總功率360kW，產氣量能力68.4m3/min。實施節能改造，永磁變頻電機比普通變頻電機節約3%的能耗。根據已實施的數據結果分析可將壓縮空氣單耗控制在0.1455kWh/m3以下。按電費0.7 元/度，每年運行350 天，8400 小時計算，每年可節約45.3 萬元。

5 改造后優點

改造后的氣擦洗空壓機組，可以通過實施的監控及時了解設備的運行狀態，保證空壓機工況處于經濟的運行狀態，避免長期的無效做功，節約能源。智能化控制減少頻繁開停機對設備的沖擊，機組維護和維修也有一定的降低。智能化控制根據管道壓力的變化輸出氣量來開停備用機組，具有精確的壓力控制能力，是空壓機的輸出壓力與系統用戶需求的氣量相匹配，避免了壓力過低或過高造成的系統運行波動。

（1）節能降耗。改造后節能率達30%，有效降低運行成本。

（2）恒壓供氣。通過1 變頻3 工頻的組合配合，變頻控制具有精確地壓力控制水平，使壓力-氣量-功率實現平衡，輸出壓力與管道所需氣量相匹配，有效提高了系統的工況。

（3）節省人工。通過智能控制系統可以遠程在上位機上實現開停機，同時根據程序設定實現精確供氣，減少員工勞動強度。

（4）安全保障。采用1 主機帶3 備機的工作模式，大大提高設備的利用率，一旦備機出現問題，自動切換其他備機運行，提高了設備保障度。

6 結語

再生水廠膜工藝環節氣擦洗空壓機作為膜工藝的輔助設備和動力設備，其穩定性和運行成本直接影響膜工藝的運行好壞。空氣壓縮機的能耗與設備選型、運行、維護管理等因素有直接的關系，本次節能改造，從氣擦洗空壓機的整體監控、氣源優化、整體綜合方案等角度進行研究分析、綜合考慮，選擇永磁變頻電機等先進的技術，實施了可行的節能措施，實現了安全、可靠、恒壓供氣，提高了空壓機系統的運行效率，大大降低了能耗，基本實現了節能目的。