空压机变频节能及余热回收专项方案.docx
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空压机变频节能及余热回收专项方案
节能项目方案设计
1空压机变频节能改造
1.1企业空压机系统基础情况介绍
某某科技（深圳）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、自动组装机和研发部门用气。
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：
原空压机系统工况问题分析
1.主电机即使以星-角降压起动，但起动时电流仍然很大，会影响电网稳定及其它用电设备运行安全。
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冲击大，电机轴承磨损大，所以对设备维护量大。
空压机节能改造必需性：
鉴于以上对空压机原理说明和现在工况分析，我们认为对空压机节能降噪改造是必需，这么不仅能够节省大量运行费用，降低生产成本，同时还能够降低空压机运行时产生噪音，降低设备维护费用。
二：
螺杆式空压机工作原理介绍
单螺杆空压机空气压缩机工作原理，图1所表示为单螺杆空气压缩机结构原理图。
螺杆式空气压缩机工作过程分为吸气、密封及输送、压缩、排气四个过程。
当螺杆在壳体内转动时，螺杆和壳体齿沟相互啮合，空气由进气口吸入，同时也吸入机油，因为齿沟啮合面转动将吸入油气密封并向排气口输送；在输送过程中齿沟啮合间隙逐步变小，油气受到压缩；当齿沟啮合面旋转至壳体排气口时，较高压力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通常由空气压缩机、过滤器、储气罐、干燥机、管路、阀门和用气设备组成。
图2所表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
、空气压缩机控制原理
工厂空气压缩机控制系统中，普遍采取后端管道上安装压力继电器来控制空气压缩机运行。
空压机开启时，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，电机空载开启。
当空气压缩机开启运行后，假如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成压力上限值，则控制器动作加载阀，打开进气口，电机负载运行，不停地向后端管路产生压缩气。
假如后端用气设备停止用气，后端管路和储气罐中压缩气压力逐步升高，当达成压力上限设定值时，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比较
空压机电机功率通常较大，开启方法多采取空载（卸载）星-三角开启，加载和卸载方法全部为瞬时。
这使得空压机在开启时会有较大开启电流，加载和卸载时对设备机械冲击较大；不光引发电源电压波动，也会使压缩气源产生较大波动；同时这种运行方法还会加速设备磨损，降低设备使用年限。
对空压机进行变频改造，能够使电机实现软起软停，减小开启冲击，延长设备使用年限；同时因为电机运行频率可变，实现了空压机依据用气量大小自动调整电机转速，降低了电机频繁加载和卸载，使得供气系统气压维持恒定，在一定程度上节省了电能。
、空压机主电路和控制电路变频改造
空压机采取星-三角开启方法，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电源进线中；并合适修改控制回路，实现变频器启停。
图3空压机电气原理图
、空压机变频改造后开启和运行方法
空压机变频改造后，电机开启时原有交流接触器仍然由其控制PLC按星-三角方法动作，但在交流接触器连接为星型时，角形交流接触器常开触点没有闭合，变频器不开启、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开启电机。
当变频器开启电机完成后，变频器自动变频运行。
五、螺杆式空气压缩机变频改造后工频运行
在考虑变频器发生故障或是检修时，空压机能按原有工频控制方法运行，这确保了空压机在变频和工频状态下全部能够运行，也使得改造时能够不用重新编写PLC程序，为此增加了一套工频、变频自由切换电路，以方便系统切换。
图4工频、变频转换示意图
六、螺杆式空气压缩机变频改造节能分析
如式1所表示拉力F和摩擦力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内作功率P为
（式1）
由数学知识可知线速度v和旋转角速度ω之间关系如式2所表示,式中f为旋转体旋转频率。
（式2）
将式2代入式1能够求得旋转物体摩擦阻力功率如式3所表示
（式3）
由式3能够知道,克服旋转体摩擦阻力使旋转体匀速转动,需要向旋转体提供功率按式3公式计算（忽略机械效率损失，认为η为1）。
式3中F`为旋转体旋转摩擦阻力，r为旋转体旋转半径，f为旋转体旋转频率。
所以我们能够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改变而改变情况下，即一直认为空压机机械效率η为1，能够近似地认为变频器输出功率和空压机电机转速成正比，即成一次方正百分比关系。
图5空压机工频运行时转速/功率-周期示意图
图6变频运行时转速/功率-周期示意图
图5所表示是螺杆式空压机工频运行时转速/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/卸栽时转速和功率分别为P1/n1和P2/n2。
忽略空压机机械效率η改变，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能量。
其中W1转换为压缩空气势能、动能和热能等形式能量，供设备使用。
而W2则转换为机械摩擦热能和声音、震动等形式能量损失掉。
所以螺杆式空压机经过变频改造后，因为电机处于变速运行情况下，而经过式3推导知道电机平均功率和电机平均转速成一次方正百分比关系。
空压机变频改造后，是依据用气系统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）内所作功W，等于相同工况下，空压机工频运行时，加载运行时间t1内所作功W1。
图5-6所表示。
经过以上分析，只要知道螺杆式空压机工频改造前卸载运行时间和卸载电流，就能够大致计算出，相同工况下变频改造后节能功率和节能电量（备注：
忽略机械效率η改变）。
1.3空压机变频节能改造效益分析
某某科技（深圳）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。
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
Cosα
数量
（台）
OGFD37
37
9：
2
15.4
386
0.86
2
OGFD22
22
11：
3
8.6
391
0.89
2
依据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）内所作功W，等于相同工况下，空压机工频运行时，加载运行时间t1内所作功W1”，
某某科技（深圳）空压机天天工作约10h，十二个月工作约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。
年可节省电量：
=1.732×386V×14.4A×0.86×2台×10h×2/11×300d+1.732×391V×8.6A×0.89×2台×10h×3/14×312d≈16976kWh
年可节省电费：
16976kWh×0.84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：
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）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22kW、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。
全部空压机余热没有回收装置，且宿舍有用热水需求，某某科技（深圳）共有职员620人。
2.2空压机余热回收技术介绍
一、技术背景
螺杆式空气压缩机工作步骤以下：
空气经过进气过滤器将大气中灰尘或杂质滤除后，由进气控制阀进入压缩机主机，在压缩过程中和喷入冷却润滑油混合，经压缩后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油、气。
因为机器工作温度要求，这些高温高压油、气必需送入各自冷却系统，其中压缩空气经冷却器冷却后，最终送入使用系统；而高温高压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，高温高压油、气所携带热量大致相当于空气压缩机功率1/4，其温度通常在80℃～100℃之间。
螺杆式空气压缩机经过其本身散热系统来给高温高压油、气降温过程中，大量热能就被无故浪费了。
为了充足利用螺杆式空压机所产生余热，应采取余热利用技术，利用余热回收装置对螺杆式空气压缩机所产生高温高压气体进行冷却，不仅能够提升空气压缩机产气效率，而且可使企业取得生产和生活所需热水，严冬可加热到≥50℃，夏秋季节≥65℃，从而处理了企业为生活热水长久经济支付沉重负担。
空压机热泵和燃油锅炉经济价值比较（300人用水企业）
表3
供热方法
节能环境保护性
十二个月运行费用（元）
管理维护费用（元）
供热程度
总开支
空压机热泵
节能环境保护安全
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
限量、定时
75200元
二、技术方案介绍
图7空压机余热利用装置系统步骤
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和燃油锅炉比较，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，企业职员就随时能够提取到热水使用，无须定时定量供给。
2.提升空压机运行效率，实现空压机经济运转安装螺杆空压机余热利用装置空压机组，能够提升产生气量8%，空气动力学家和空压机制造厂家给出厂机组额定每分钟产气量m3/min是以80℃温度测量定准。
螺杆空压机产气量m3/min会伴随机组运行温度升高而降低，当然，空压机机械效率肯定不会稳定在以80℃标定产气量上工作。
它反比程度是：
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%。
通常风冷散热空压机全部在88～96℃间运行，其降幅全部在4～8%，夏天更甚。
空压机余热利用装置足能够使空压机温度降8～12℃，为此它经济效益就更显著了。
因为产量提升，供气系统气压也对应提升，自动化设备中气动元件，因为气压升高，气动元件动作次数也会提升，使生产线产量也跟着提升。
气动元件动作灵敏、稳定，对其生产线产品质量也提供了可靠确保。
3.提升空压机使用寿命
空压机工作温度降低，降低了机器故障，延长了设备使用寿命，降低了维修成本，增大了机油、机油隔、油/气分离器更换时限，对应延长了设备更换期限。
4.经济实用，运行可靠。
在螺杆式空压机旁安装余热利用系统，对空压机正常运行、维护、保养绝无影响，系统主体部分采取耐高压，高导热复合材料组成。
2.3空压机余热回收节能改造效益分析
现场实测某某科技（深圳）四台空压机排气温度，具体数据见表5-4
表4
空压机型号
功率（kW）
排气温度（℃）
加载、卸载时间比
数量（台）
OGFD37
37
87
9：
2
2
OGFD22
22
92
11：
3
2
环境温度25℃；空压机余热回收进水温度25℃，循环出水温度55℃；一天工作10小时，十二个月工作312天；企业年平均电价为0.84元/kWh
依据上述测试、统计数据，四台空压机余热回收，十二个月可节省电量计算以下：
=1.005kJ/（kg.K）×【390m3/h×2台×9/11×10h×312d×1.165kg/m3】×（87℃-55℃）+1.005kJ/（kg.K）×【216m3/h×2台×11/14×10h×312d×1.165kg/m3】×（92℃-55℃）≈74600370kJ+45877178kJ≈kJ
说明：
✧环境温度10～60℃空气比热容：
1.005kJ/（kg.K）；
✧环境温度30℃空气密度：
1.165kg/m3；
✧390m3/h、216m3/h：
查对应空压机排气参数得来；
十二个月节省电量：
十二个月节省电费：
十二个月可提供热水量
（kg）：
企业人均用热水30L/天，深圳250天/年用热水；则可供人数：
投资成本预算、投资回收期计算：
表5余热回收成本预算及回收期
费用名称
金额（人民币）单位：
元
备注
水泵
8000
4台
管网、保温
10000
水箱
0
2个
控制系统
8000
换热器
16000
人工费用
5000
累计
67000
投资回收期计算
67000元÷28111元/年≈2.4年
3、中央空调系统节能改造
A、增加中央空调分区域冷量计量系统
1）技术可行性分析:
现在企业对分部门中央空调冷量核定采取方法是，依据各车间部门用途参考暖通标准制订出该部门每平方米空调能耗量乘以该部门面积得到该部门固定消耗中央空调电量值，这种冷量及中央空调电量分配核定方法不能如实反应各末端空调能量使用情况，不利于中央空调用能合理分配管理；如采取一套中央空调计费系统（系统关键由温度传感器、流量传感器、能量积算仪及计算机组成，见图8和图9），可实时计量并累计各计量点冷量并经过计算机得出各点分配中央空调能耗量及费用，给管理部门从管理及技术设备上调整末空调使用方法提供有力数据依据。
图8
图9
2）经济效益可行性分析：
因该系统提供管理数据依据，最终节能率大小需要看管理力度，所以无法定量分析。
B、中央空调末端风柜节能改造
1）技术可行性分析:
图10
上图为风机类负载运行时管阻特征曲线R和调速曲线N，两种曲线交叉点为负载运行点。
用阀门控制时：
当流量从Q1降至Q2，要关小阀门，使管道阻力变大，阻力曲线从R1变为R2，压力则从H1升至H0，运行点也从A点变为B点。
用变频调速时：
当流量从Q1降至Q2时，阻力曲线R1保持不变，速度曲线从N1降至N3，压力也从H1降至H3，运行点从A改变D。
③节能分析
用阀门控制时：
由风机类特征公式：
P=QH可得出在B点运行时电机轴功率为：
PB=Q2*H0，C点运行时电机轴功率为：
PC=Q2*H3，
二者之差为：
△P=PA-PC
=Q2（H0-H3）
亦即用阀门控制时有△P功率被浪费了。
用变频调速时，由流体力学原理知道，轴功率P、流量Q、压力H三者和转速存在以下关系：
Q=K1*N
H=K2*N2
P=K3*H*Q=K1*K2*K3*N3=K*N3
其中K、K1、K2、K3均为常数。
由上式可看出，风机出口流量和转速成正比，压力和转速平方成正比，消耗轴功率和转速立方成正比。
只要转速有较小改变，轴功率就有比较大改变，所以对离心风机负载进行调速，含有很显著节能效果。
图11中①号曲线表示工频市电运行风机采取风门调整时功率和流量关系，②号曲线表示风机采取变频调速控制时功率和流量关系。
可见，原风阀调整开度在75%-100%之间改变时，如以变频调整将节省20%电能。
图11
2）经济效益可行性分析：
估计投资150万元
估计改造后年节电费：
575万kWh×20%×0.85元/kWh=97.75万元
C、中央空调冷冻站变频节能控制系统升级
1）技术可行性分析:
自从变频节能控制技术成功应用到中央空调系统后，大家对该节能系统控制关键合理性研究一直没停止过，在实践中不停发觉问题并不停得四处理，现在发展出一套更合理控制方法。
就企业原有中央空调整能系统来说，该系统采取是PID控制变频量方法，其采集信号为空调系统进出水温度；而在中央空调系统中存在进出水温差延迟于着末端使用状态情况，所以在PID给出控制量之时相对于末端使用情况是延迟了，这么控制中央空调水系统能效曲线是在最好能效曲线上下震荡曲线，并没有使中央空调系统真正达成最好能效曲线运行。
而多年来研究出最成熟利用模糊控制技术、计算机技术和变频技术相结合中央空调整能技术,它依据空调末端负荷改变和空调主机运行工况，自动对中央空调水系统参数（温度、压力、流量等）进行完整采样和控制，使系统冷冻水、冷却水流量平滑跟随负荷改变而同时改变，同时优化主机运行环境，能使中央空调水泵及主机同时达成某负载下真正最好能效；达成水泵及主机同时节能目标。
这是企业中央空调原变频节能控制系统无法实现；鉴于此，可在原有变频节能控制系统基础上升级成中央空调变频模糊控制节能系统。
依据实际案例，中央空调变频模糊控制节能系统比PID控制系统节能率要高5%左右。
2）经济效益可行性分析：
估计投资3万元
估计改造后年节电费：
600万kWh×5%×0.85元/kWh=25.5万元。
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