空压机变频节能及余热回收方案.docx
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空压机变频节能及余热回收方案
节能项目方案设计
1空压机变频节能改造
1.1企业空压机系统基本情况介绍
某某科技（深圳）有限公司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、自动组装机以及研发部门用气。
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：
原空压机系统工况的问题分析
1.主电机虽然以星-角降压起动，但起动时的电流仍然很大，会影响电网的稳定及其它用电设备的运行安全。
2.主电机时常空载运行，属非经济运行，电能浪费最为严重。
3.主电机工频运行致使空压机运行时噪音很大。
4.主电机工频起动设备的冲击大，电机轴承的磨损大，所以对设备的维护量大。
空压机节能改造的必要性：
鉴于以上对空压机的原理说明以及目前的工况分析，我们认为对空压机的节能降噪改造是必要的，这样不仅能够节约大量的运行费用，降低生产成本，同时还可以降低空压机运行时产生的噪音，减少设备维护费用。
二：
螺杆式空压机的工作原理介绍
单螺杆空压机空气压缩机工作原理，如图1所示为单螺杆空气压缩机的结构原理图。
螺杆式空气压缩机的工作过程分为吸气、密封及输送、压缩、排气四个过程。
当螺杆在壳体内转动时，螺杆与壳体的齿沟相互啮合，空气由进气口吸入，同时也吸入机油，由于齿沟啮合面转动将吸入的油气密封并向排气口输送；在输送过程中齿沟啮合间隙逐渐变小，油气受到压缩；当齿沟啮合面旋转至壳体排气口时，较高压力的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一般由空气压缩机、过滤器、储气罐、干燥机、管路、阀门和用气设备组成。
如图2所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
、空气压缩机的控制原理
工厂的空气压缩机控制系统中，普遍采用后端管道上安装的压力继电器来控制空气压缩机的运行。
空压机启动时，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，电机空载启动。
当空气压缩机启动运行后，如果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到压力上限值，则控制器动作加载阀，打开进气口，电机负载运行，不断地向后端管路产生压缩气。
如果后端用气设备停止用气，后端管路和储气罐中压缩气压力渐渐升高，当达到压力上限设定值时，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的比较
空压机电机功率一般较大，启动方式多采用空载（卸载）星-三角启动，加载和卸载方式都为瞬时。
这使得空压机在启动时会有较大的启动电流，加载和卸载时对设备机械冲击较大；不光引起电源电压波动，也会使压缩气源产生较大的波动；同时这种运行方式还会加速设备的磨损，降低设备的使用年限。
对空压机进行变频改造，能够使电机实现软起软停，减小启动冲击，延长设备使用年限；同时由于电机运行频率可变，实现了空压机根据用气量的大小自动调节电机转速，减少了电机频繁的加载和卸载，使得供气系统气压维持恒定，在一定程度上节约了电能。
、空压机主电路和控制电路的变频改造
空压机采用星-三角启动方式，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的电源进线中；并适当修改控制回路，实现变频器的启停。
图3空压机电气原理图
、空压机变频改造后的启动和运行方式
空压机变频改造后，电机启动时原有的交流接触器仍然由其控制PLC按星-三角方式动作，但在交流接触器连接为星型时，角形交流接触器的常开触点没有闭合，变频器不启动、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启动电机。
当变频器启动电机完成后，变频器自动变频运行。
五、螺杆式空气压缩机变频改造后的工频运行
在考虑变频器发生故障或是检修时，空压机能按原有的工频控制方式运行，这保证了空压机在变频和工频状态下都可以运行，也使得改造时可以不用重新编写PLC程序，为此增加了一套工频、变频自由切换电路，以方便系统的切换。
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所示拉力F与摩擦力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内作的功率P为
（式1）
由数学知识可知线速度v和旋转角速度ω之间的关系如式2所示,式中f为旋转体的旋转频率。
（式2）
将式2代入式1可以求得旋转物体摩擦阻力功率如式3所示
（式3）
由式3可以知道,克服旋转体的摩擦阻力使旋转体匀速转动,需要向旋转体提供的功率按式3公式计算（忽略机械效率损失，认为η为1）。
式3中F`为旋转体的旋转摩擦阻力，r为旋转体的旋转半径，f为旋转体的旋转频率。
所以我们可以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变化而变化的情况下，即始终认为空压机机械效率η为1，可以近似地认为变频器的输出功率与空压机电机的转速成正比，即成一次方正比例关系。
图5空压机工频运行时的转速/功率-周期示意图
图6变频运行时的转速/功率-周期示意图
如图5所示是螺杆式空压机工频运行时的转速/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/卸栽时的转速和功率分别为P1/n1和P2/n2。
忽略空压机机械效率η的变化，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的能量。
其中W1转换为压缩空气势能、动能和热能等形式的能量，供设备使用。
而W2则转换为机械的摩擦热能和声音、震动等形式的能量损失掉。
所以螺杆式空压机经过变频改造后，由于电机处于变速运行情况下，而通过式3的推导知道电机的平均功率与电机的平均转速成一次方正比例关系。
空压机变频改造后，是根据用气系统的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）内所作的功W，等于同等工况下，空压机工频运行时，加载运行时间t1内所作的功W1。
如图5-6所示。
通过以上分析，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，就可以大致计算出，相同工况下变频改造后的节能功率和节能电量（备注：
忽略机械效率η的变化）。
1.3空压机变频节能改造效益分析
某某科技（深圳）有限公司的五台空气压缩机，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
根据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）内所作的功W，等于同等工况下，空压机工频运行时，加载运行时间t1内所作的功W1”，
某某科技（深圳）有限公司的空压机每天工作约10h，一年工作约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。
年可节约的电量：
=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
年可节约电费：
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）有限公司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。
所有空压机余热没有回收装置，且宿舍有用热水的需求，某某科技（深圳）有限公司共有员工620人。
2.2空压机余热回收技术介绍
一、技术背景
螺杆式空气压缩机的工作流程如下：
空气通过进气过滤器将大气中的灰尘或杂质滤除后，由进气控制阀进入压缩机主机，在压缩过程中与喷入的冷却润滑油混合，经压缩后的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的油、气。
由于机器工作温度的要求，这些高温高压的油、气必须送入各自的冷却系统，其中压缩空气经冷却器冷却后，最后送入使用系统；而高温高压的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，高温高压的油、气所携带的热量大致相当于空气压缩机功率的1/4，其温度通常在80℃～100℃之间。
螺杆式空气压缩机通过其自身的散热系统来给高温高压的油、气降温的过程中，大量的热能就被无端的浪费了。
为了充分利用螺杆式空压机所产生的余热，应采用余热利用技术，利用余热回收装置对螺杆式空气压缩机所产生的高温高压的气体进行冷却，不仅可以提高空气压缩机的产气效率，而且可使企业获得生产和生活所需的热水，严冬可加热到≥50℃，夏秋季节≥65℃，从而解决了企业为生活热水长期经济支付的沉重负担。
空压机热泵与燃油锅炉的经济价值比较（300人用水企业）
表3
供热方式
节能环保性
一年运行费用（元）
管理维护费用（元）
供热程度
总开支
空压机热泵
节能环保安全
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、技术方案简介
图7空压机余热利用装置系统流程
三、余热利用系统优点
1.安全、卫生、方便
2.螺杆空压机余热利用装置与燃油锅炉比较，无污染、一氧化碳、二氧化硫、黑烟和噪音、油污对大气环境的污染。
一旦安装投入使用，只要空压机在运行，企业职员就随时可以提取到热水使用，不必定时定量供应。
3.提高空压机的运行效率，实现空压机的经济运转安装螺杆空压机余热利用装置的空压机组，可以提高产生气量8%，空气动力学家和空压机制造厂家给出厂机组额定的每分钟产气量m3/min是以80℃的温度测量定准的。
螺杆空压机的产气量m3/min会随着机组运行温度的升高而降低，当然，空压机的机械效率肯定不会稳定在以80℃标定的产气量上工作。
它的反比程度是：
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%。
一般风冷散热的空压机都在88～96℃间运行，其降幅都在4～8%，夏天更甚。
空压机余热利用装置足可以使空压机温度降8～12℃，为此它的经济效益就更显著了。
由于产量的提高，供气系统的气压也相应提高，自动化设备中的气动元件，因为气压的升高，气动元件的动作次数也会提高，使生产线的产量也跟着提升。
气动元件的动作灵敏、稳定，对其生产线的产品质量也提供了可靠保证。
4.提高空压机的使用寿命
5.空压机工作温度的降低，减少了机器的故障，延长了设备的使用寿命，降低了维修成本，增大了机油、机油隔、油/气分离器更换时限，相应延长了设备的更换期限。
6.经济实用，运行可靠。
7.在螺杆式空压机旁安装余热利用系统，对空压机的正常运行、维护、保养绝无影响，系统主体部分采用耐高压，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）有限公司的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，一年工作312天；企业年平均电价为0.84元/kWh
依照上述测试、统计数据，四台空压机余热回收，一年可节约的电量计算如下：
=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≈120477548kJ
说明：
✧环境温度10～60℃空气的比热容：
1.005kJ/（kg.K）；
✧环境温度30℃空气的密度：
1.165kg/m3；
✧390m3/h、216m3/h：
查对应的空压机的排气参数得来；
一年节约的电量：
一年节约的电费：
一年可提供热水量
（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
20000
2个
控制系统
8000
换热器
16000
人工费用
5000
合计
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:
目前公司对分部门的中央空调冷量核定采用的方法是，根据各车间部门的用途参照暖通标准制定出该部门每平方米的空调能耗量乘以该部门面积得到该部门的固定的消耗中央空调电量值，这种冷量及中央空调电量的分配核定方式不能如实的反映各末端的空调能量使用情况，不利于中央空调用能的合理分配管理；如采用一套中央空调计费系统（系统主要由温度传感器、流量传感器、能量积算仪及计算机组成，见图8和图9），可实时计量并合计各计量点的冷量并通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式提供有力的数据依据。
图8
图9
2）经济效益可行性分析：
因该系统提供管理的数据依据，最终节能率的大小需要看管理的力度，因此无法定量的分析。
B、中央空调末端风柜节能改造
1）技术可行性分析:
R1
Hz
Q2
H3
H2
H1
H0
D
C
B
R1
R2
Q1
Q
N2
N3
A
N1
R1
图10
上图为风机类负载运行时的管阻特性曲线R和调速曲线N，两种曲线的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，使管道的阻力变大，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变化D。
③节能分析
用阀门控制时：
由风机类的特性公式：
P=QH可得出在B点运行时电机的轴功率为：
PB=Q2*H0，C点运行时电机的轴功率为：
PC=Q2*H3，
两者之差为：
△P=PA-PC
=Q2（H0-H3）
亦即用阀门控制时有△P的功率被浪费了。
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三者与转速存在如下关系：
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，风机的出口流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，消耗的轴功率与转速的立方成正比。
只要转速有较小的变化，轴功率就有比较大的变化，所以对离心风机负载进行调速，具有非常明显的节能效果。
图11中①号曲线表示工频市电运行的风机采用风门调节时的功率和流量关系，②号曲线表示风机采用变频调速控制时的功率和流量关系。
可见，原风阀调节开度在75%-100%之间变化时，如以变频调节将节约20%的电能。
图11
2）经济效益可行性分析：
预计投资150万元
预计改造后年节电费：
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，人们对该节能系统的控制核心的合理性研究一直没停止过，在实践中不断的发现问题并不断的得到解决，目前发展出一套更合理的控制方式。
就公司原有中央空调节能系统来说，该系统采用的是PID控制变频量的方式，其采集的信号为空调系统的进出水温度；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的情况，因此在PID给出的控制量之时相对于末端使用状况是延迟了的，这样控制的中央空调水系统的能效曲线是在最佳能效曲线上下震荡的曲线，并没有使中央空调系统真正达到最佳能效曲线运行。
而近年来研究出最成熟的运用模糊控制技术、计算机技术和变频技术相结合的中央空调节能技术,它根据空调末端负荷的变化和空调主机的运行工况，自动对中央空调水系统参数（温度、压力、流量等）进行完整的采样和控制，使系统冷冻水、冷却水流量平滑的跟随负荷的变化而同步变化，同时优化主机运行环境，能使中央空调水泵及主机同时达到某负载下真正最佳能效；达到水泵及主机同时节能的目的。
这是公司中央空调原变频节能控制系统无法实现的；鉴于此，可在原有变频节能控制系统的基础上升级成中央空调变频模糊控制节能系统。
根据实际案例，中央空调变频模糊控制节能系统比PID控制系统的节能率要高5%左右。
2）经济效益可行性分析：
预计投资3万元
预计改造后年节电费：
600万kWh×5%×0.85元/kWh=25.5万元。
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