双级压缩技术在节能改造中的应用

成强 周静

上海市质量监督检验技术研究院

引言

用于产生压缩空气的压缩机是工业企业的重点耗能设备，具备节能潜力。在空压机的使用成本中（如图1），设备购置成本仅占5%，维护成本占18%，电费占到了惊人的77%，实施压缩机节能将会显著降低压缩机的使用成本。压缩机耗电量占主要工业设备耗电量的15%，全国压缩机每年耗电量约为2500亿千瓦时。按照全国压缩机平均节电15%，平均电价0．65元计算，每年将创造节能效益244亿元，市场前景广阔。

图1 空压机使用成本组成

空压机系统是制造行业的生产辅助设备或动力设备，其能源消耗达到企业总能耗的10～60．66%。空气压缩机老旧、使用年限较长致使主机磨损，螺杆间隙增大在压缩空气的过程中空气泄漏同样增大，以至于排气量降低、导致设备利用率低下，单级压缩螺杆空气压缩机组，输入比功率较高而利用率低，不属于国家节能认证设备。随着社会的发展、科技的进步、机械加工设备的改良及加工精度的提高，社会及企业对节能产品追求，代表最新技术的双级压缩机体应运而生。同功率压缩机体，双级压缩机体效率比单级压缩机体效率高15%（如单级压缩为旧机体，则效率更低，压缩效率将远大于15%）。

1 双级压缩工作原理及优点

双级压缩就是把一级压缩转子和二级压缩转子组合在一个机壳内（如图2），并分别通过斜齿轮直接传动。自然空气通过空气过滤器进入第一级压缩，在压缩腔与少量润滑油混合，同时将混合气体压缩到级间压力。压缩后的气体进入冷却通道，与大量油雾接触，从而大大降低了温度。降温后的压缩气体进入第二级转子，进行二次压缩，被压缩到最终排气压力。最后通过排气法兰排出压缩机，完成整个压缩过程。

图2 空压机双级压缩示意图

根据工程热力学理论，空压机在压缩过程中等温压缩最省功。（温度高的时候气体的密度越低，压缩需要用的功就多）。不仅如此，等温压缩不但可以减少消耗的功，还能降低压缩后气体的温度，使空压机材料的使用更为宽广和经济，使空压机的运行更为可靠。但是等温压缩，就要使气体热量随时与外界交换，气体温度与外界相等，在实际工作中是不可能实现的。而通过分级压缩加中间冷却是降低排气温度的有效方法。一级压缩机体具有冷却的不完善性，双级压缩的机体有完善的级间冷却设计和双级压缩过程中的冷却的完善性。

此外，两对转子同时做功，打气速度快，出气量大，这点是单级无可替代的优势。而且由于双级压缩，每级的压缩比较单极压缩要小很多，转子和轴承受到的压力小，再加上转子直径大、转速低，所以运行更可靠。双级压缩机体每级压缩比降低，所以转子间的压缩空气泄漏大为降低，提高了机体的容积效率。双级压缩机体均引入轴向进气设计，充分利用了螺杆的有效长度，使压缩效率最佳化，也减少了径向不平衡力，提高了部件的寿命，也显著降低了运行噪音。双级压缩机体采用了最新的高效转子型线设计，降低了每一级的转子轴承载荷。一级和二级螺杆的转子均运行在最佳的齿顶速度。同等功率的电机做工产生的出气量来说，双级普遍比单级高13%-15%，相当于90kW的一台双级压缩空压机同等能耗下能产出一台110kW单级压缩空压机的气量。

2 空压机现场节能改造方案及节能效果分析

2.1 空压机节能改造方案

我们对镇江镇钛化工有限公司现场进行了改造，并对改造前后分别进行了数据测试，以进气口能效分析仪进行检测后，依据压力温度进行换算回吸气状态风量，并同时测量相应能耗。该公司4台132 kW空压机有改造潜力，空压机型号均为复盛SA132W机型，日常生产，24小时运行。分别将4台空压机的主机进行改造，主机均采用双级压缩机头，采用110 kW电机并更换辅助零部件。增加1台变频柜，减少低峰用气时间的空车损耗，保证空压站的压力恒定，降低不必要的高压造成的能源浪费。为了对空压机进行集中控制，增加1台联控箱。

2.2 改造前后测试数据分析

改造前4台132 kW单极压缩空压机测试数据见表1。

表1 改造前测试数据

改造后4台110 kW双极压缩空压机测试数据见表2。

采用110 kW电机，双级压缩主机，产气量为更高，功耗降低，相同排气量情况，比原机省电，相同耗电情况下产气更多。

表2 改造后测试数据

2.3 改造投资收益分析

根据实际测量数据估算，改造前，原有空压机4台同时开启，总产气量为92．3 m3/min，总功耗为643．6 kW。改造后，4台双级压缩空压机开启，总产气量为110．9 m3/min，总功耗为498．9 kW，气量增加了18．6 m3/min，功耗减少144．7 kW。以每年运行6000小时，电费为0．65元/度计算，每年节约功耗144．7×6000=86．82万度，每年节约电费86．82×0．65=56．43万元。

改造前每立方米功耗为 643．6/92．3=6．97 kW/(m3/min)，若考 虑 增加 的 气量约 为 110．9-92．3=18．6 m3/min，按 目 前 比 功 率 耗 功 6．97 kW/(m3/min)，运行6000h，电费0．65 元/度计算，增加气量年节省：6．97×18．6×6000×0．65=50．56万元/年，相当于每年节约电费56．43万元+50．56万元=106．99万元。

该项目预计总投资100万元(其中包括4台双级压缩主机、4台110 kW电机，1台变频柜和联控箱)，投资回收周期为1年。

3 结语

随着空压机技术的不断发展，双级压缩技术已经在空压机行业中占据了主导地位，尤其在节能领域的成就日益显现，在采用双击压缩技术后，越来越多的空压机能达到一级能效，成为未来空压机行业的一个重要发展方向，在实现节能的同时带来了良好的经济效益。