双杆螺杆式空压机的节能改造论文.doc

双杆螺杆式空压机的节能改造专 业 作者姓名 指导教师 定稿日期：2024年07月11日摘 要本文简单介绍了空压机的基础原理，阐明了空压机的工作原理和工作流程。对空压机的排气温度故障进行了分析，介绍了空压机的水冷系统，针对高排气温度故障对空压机水冷系统进行改造。保证空压机长期平稳地运行,延长机组的使用寿命。并针对空压机供气系统的电能浪费进行了节能改造，采用了高压变频技术。使空压机系统实现了软启动，大大减少了设备维护、维修费用。关键词：基础原理；故障分析；水冷系统；供气系统；改造；节能AbstractThe paper introduces the basic principle of air compressor, expounded the air compressor principle of work and working process. For air compressor of the exhaust temperature fault analysis, this paper introduces the air compressor, the water cooling system for high exhaust temperature fault of air compressor water cooling system reform. To ensure air compressor operation, stable long-term prolong the service life. And in the light of the air compressor supply system in the waste of electric energy saving transformation, adopts the high pressure frequency conversion technology. Make air compressor system realizes the soft start, greatly reducing the equipment maintenance, maintenance costs. Key Words:basic principle; Failure analysis; Water cooling system; Gas supply system; Transformation; Energy saving and目 录摘 要IAbstractII第 1 章 绪论11.1 螺杆空气压缩机发展11.2 空气压缩机分类1第 2 章 空压机的工作原理及流程32.1 空压机的工作原理32.2 双螺杆空压机的工作流程3第 3 章 双杆螺杆式空压机故障分析及改造53.1 空压机高排气温度故障现象及分析53.1.1 高排气温度故障及排除53.2 针对高排气温度现象对水冷系统的改造63.2.1 改造方法63.2.2 改造前后的对比7第 4 章 空压机供气系统节能改造84.1.1 原螺杆式空压机的工作方式和拖动方案84.1.2 空压机系统运行情况94.1.3 空压机的高压变频改造94.1.4 整机系统的调试和试验波形114.1.5 改造后的节能点124.1.6 改造后的节能对比13小结14致谢15参考文献16第 1 章 绪论1.1 螺杆空气压缩机发展目前，我国矿山常用的空气压缩机多为往复式活塞型空压机，而回转式螺杆式空压机的使用则较少。究其原因，主要有以下几点：1、活塞式空压机生产成本低、价格便宜。2、长期使用积累了一定的经验，培养了一支熟练的使用、维修队伍。3、螺杆式空气压缩机制造难度大，价格高，用户一次性投资大。4、对螺杆式空压机的性能、特点不太了解。然而，长期使用的惯性，使我们忽略了活塞式压风机的诸多缺点：如体积大、占地面积大、机组重量大、噪音大、维修工作量大、操作复杂、运行费用高等问题。随着科学技术的发展，性能优越的螺杆式空压机已能在国内批量生产，其生产成本的降低，使得它的应用前景越来越广阔，并逐渐应用于工厂、矿山。螺杆式空压机具有活塞式空压机不可比拟的优点：如重量轻、体积小、占地面积小、噪音低、自动化程度高、维护量小、运行费用低等。在矿山推广使用，有着极其重要的现实意义。大功率的螺杆式空压机为井下气动设备提供气压，其年耗电量十分可观。由于井下设备较多，且用风时间不固定，用风量不稳定，因此空压机必须连续运转。当井下用风量小时，会导致空压机长时间低负荷运行，电能损耗增大并加剧了设备的磨损，增加了运行成本。如负荷小时将设备停机或部分设备停机，将导致操作频繁，缩短设备寿命，而且会影响用风设备及风动工具的正常工作。而近年出现的级联多电平高压变频器拖动高压大功率电动机的方案，具有对电网无冲击、可靠性高、节能效果显著、输出谐波小、输入功率因数高等优点，已成为目前发展主流趋势。1.2 空气压缩机分类空气压缩机主要分为：容积式压缩机、往复式压缩机、回转式压缩机、轴流式压缩机、滑片式压缩机、罗茨双转子式压缩机、螺杆压缩机、喷射式压缩机、速度型压缩机、液体-活塞式压缩机、离心式压缩机、混合流式压缩机1。容积式压缩机-直接依靠改变气体容积来提高气体压力的压缩机。 往复式压缩机-是容积式压缩机，其压缩元件是一个活塞，在气缸内作往复运动。 回转式压缩机-是容积式压缩机，压缩是由旋转元件的强制运动实现的。 轴流式压缩机-属速度型压缩机，在其中气体由装有叶片的转子加速。主气流是轴向的。 滑片式压缩机-是回转式变容压缩机，其轴向滑片在同圆柱缸体偏心的转子上作径向滑动。截留于滑片之间的空气被压缩后排出。 罗茨双转子式压缩机-属回转容积式压缩机，在其中两个罗茨转子互相啮合从而将气体截住，并将其从进气口送到排气口。没有内部压缩。 螺杆压缩机-是回转容积式压缩机，在其中两个带有螺旋型齿轮的转子相互啮合，从而将气体压缩并排出。 喷射式压缩机-利用高速气体或蒸汽喷射流带走吸入的气体，然后在扩压器上将混合气体的速度转化为压力。 速度型压缩机-是回转式连续气流压缩机，在其中高速旋转的叶片使通过它的气体加速，从而将速度能转化为压力。这种转化部分发生在旋转叶片上，部分发生在固定的扩压器或回流器挡板上。 液体-活塞式压缩机-是回转容积式压缩机，在其中水或其它液体当作活塞来压缩气体，然后将气体排出。 离心式压缩机-属速度型压缩机，在其中有一个或多个旋转叶轮（叶片通常在侧面）使气体加速。主气流是径向的。混合流式压缩机-也属速度型压缩机，其转子的形状结合了离心式和轴流式两者的一些特点2。本文主要介绍了空压机的工作原理，对空压机的高排气温度引起的故障做了分析与改进，解决了空压机不能长时间运行的难题。并且分析了空压机能源消耗的原因，对空压机做了节能改造，为企业节省了成本提高了经济效益。第 2 章 空压机的工作原理及流程2.1 空压机的工作原理螺杆式压缩机是一种按容积变化原理而工作的双轴回转式压缩机。其工作原理和一般已知的活塞式压缩机类似，即待压缩的气体被吸入至一工作室，工作室随即关闭及缩小，被压缩气体在其内经受一种多变压缩过程。当工作室内的气体达到预期的终压力时，工作室立即与压出管接通，工作室再继续缩小时，受压缩的气体便被排出至排气管道内。螺杆式空气压缩机是喷油单级双螺杆压缩机，采用高效带轮(或轴器)传动，带动主机转动进行空气压缩，通过喷油对主机压缩腔进行冷却和润滑，压缩腔排出的空气和油混合气体经过粗、精两道分离，将压缩空气中的油分离出来，最后得到洁净的压缩空气。双螺杆空气压缩机具有优良的可靠性能，机组重量轻、震动小、噪声低、操作方便、易损件少、运行效率高是其最大的优点3。2.2 双螺杆空压机的工作流程螺杆压缩机的工作原理可分为进气，压缩和排气三个过程。随着转子旋转，每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环。1). 进气过程转子转动时，阴阳转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时，其空间最大，此时转子齿沟空间与进气口的相通，因在排气时齿沟的气体被完全排出，排气完成时，齿沟处于真空状态，当转至进气口时，外界气体即被吸入，沿轴向进入阴阳转子的齿沟内。当气体充满了整个齿沟时，转子进气侧端面转离机壳进气口，在齿沟的气体即被封闭。2). 压缩过程阴阳转子在吸气结束时，其阴阳转子齿尖会与机壳封闭，此时气体在齿沟内不再外流。其啮合面逐渐向排气端移动。啮合面与排气口之间的齿沟空间渐渐件小，齿沟内的气体被压缩压力提高。3). 排气过程当转子的啮合端面转到与机壳排气口相通时，被压缩的气体开始排出，直至齿尖与齿沟的啮合面移至排气端面，此时阴阳转子的啮合面与机壳排气口的齿沟空间为0，即完成排气过程，在此同时转子的啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度又达到最长，进气过程又再进行。从上述工作原理可以看出，螺杆压缩机是一种工作容积作回转运动的容积式气体压缩机械。气体的压缩依靠容积的变化来实现，而容积的变化又是借助压缩机的一对转子在机壳内作回转运动来达到4。第 3 章 双杆螺杆式空压机故障分析及改造3.1 空压机高排气温度故障现象及分析空压机是一种对气体进行压缩的机械设备。气体的压缩依靠容积的变化来实现，而容积的变化又是借助压缩机的一对转子在机壳内作回转运动来达到。空气被压缩后也就是对空气做了功，其温度必然要升高，再经过热能的传递，传到缸体上，缸体发热，过热就会出现所排出的空气温度超过规定值。而过高的温度也会使机体内转子和轴承材料的物理系数值产生变化，严重时会使整个主机抱死出现停跳现象。高排气温度就是空压机因系统中出现的各种问题引起的温升故障。空压机在运行中如得不到充足的润滑或冷却，会使机体处在高温中长时间工作。而过高的油温会降低输气系数和增加功率消耗，润滑油粘度也会降低，过高的温度还会使转子和轴承材料的物理系数值产生变化，使轴承产生异常摩擦损耗，甚至出现轴承散珠事故，温度过高还会使润滑油在金属的催化下出现热分解，生成对工作有害的游离碳、酸类物和水分(结碳)，严重时会使整个主机螺杆卡死或出现停跳现象,而影响企业的正常生产。3.1.1 高排气温度故障及排除高排气温度是螺杆空压机最常见的故障,其危害性最大。通常螺杆空压机的工作温度在6585之间, 该机设定最高排气温度为100，超过此温度时便会自动停机报警。如果设备长期处在高排气温度状况下运行，过高的温度会使转子和轴承材料的物理系数值产生变化,使轴承产生异常摩擦损耗,甚至出现轴承散珠事故。过高的油温也会降低输气系数和增加功率消耗,润滑油粘度也会降低,温度过高还会使润滑油在金属的催化下出现热分解,生成对工作有害的游离碳、酸类物和水分(结碳),严重时会使整个主机螺杆卡死或出现停跳现象。虽然空压机对预防高温加装了保护装置,但故障的存在使该装置频繁动作,影响到企业的正常生产。例如夏季,机房温度已超过40,空压机高温报警停跳。在没有查清故障原因的情况下，操作人员违规操作，在几次启动停跳后，温控装置断开设备投入运行,运行十几分钟后主机螺杆卡死。在对主机解体后发现轴承损坏，阳转子与定子产生拉伤，盖磨损严重。再对冷油器、循环管路及其他部件解体后，析确认故障系冷油器中的冷却水管路因水垢堵塞，成润滑油散热器效率下降，油温度过高引起的轴承损坏后间隙增大，阴阳转子的轴向窜动和径向位移，成阴阳转子与定子产生拉伤，盖严重磨损。油温过高的主要原因是油冷却器失效造成的，于油冷却器内冷却水管路较细，受热结垢后累积造成管路堵塞，成冷却水流量不足,使油温降不下来。 针对此次事故显现的问题，决冷却水问题成为头等大事。油冷却器的故障绝大部分与水冷却系统有着密切相关的联系。对冷却管路常规的处理方法是在冷却水中加入除垢剂及化学药品，水泵将带压水打入油冷却水管路浸泡后反复冲洗疏通，此法清理效果较好，将水垢去除。但除垢剂有很强腐蚀性，繁冲洗会使管壁变薄，响管路的耐压性和使用寿命。要从根本上彻底解决问题，先要从水源做起。 冷却水在投入使用初期，用的是饮用自来水。随着水资源的匮乏及水价格的上涨，企业是一个不小的经济负担。经过反复试验及论证，用污水处理厂处理后的中水来替代饮用自来水作冷却水加以利用,既节约资源又降低了成本，论从经济利益还是环保对企业都是很好的选择。同时避免了因自来水短缺带来的水压力不稳、冷却温差波动大,也减少冷却水系统管壁结垢或堵塞等引起的故障。3.2 针对高排气温度现象对水冷系统的改造3.2.1 改造方法1、加装一套水处理系统,将中水进行软、净化再处理,使其不容易结垢,用加压泵打入冷却管路增大压力。在水接入口处装上过滤网,并定期清理滤网。这样维护起来及简单又方便,同时降低了设备故障率,延长了系统使用周期。 2、将原进水主管路拆除,加大管口直径(由原来的20cm加大到40cm)增加通流面积,将原反冲水管路拆除,更换成内壁光滑的不锈钢管路并加大管口直径(由原来的15厘米加大到20厘米),减少水垢在管壁的形成,机组内串联管路改为并联管路。改造后,冷却管路的阻力减小,进入油冷却器的水量增大,实现了降低油温和排气温度的目的。 3.2.2 改造前后的对比系统改造使用后,设备冷却效果明显变好,温升现象基本消除。空气品质变好,油耗降低,空压机效率也相应提高。通过以上改造措施,空压机连续运行时,高排气温度的现象基本没有再发生,空压机在任何天气状况及负载状况下长时间运行,排气温度也可以控制在8090之间,改造前后某月温度对比如图3-1，完全在螺杆空压机的理想温度指标范围内运行,企业的经济效益也有明显的提高。图3-1 改造前后温度对比图第 4 章 空压机供气系统节能改造大功率的螺杆式空压机为井下气动设备提供气压，其年耗电量十分可观。由于井下设备较多，且用风时间不固定，用风量不稳定，因此空压机必须连续运转。当井下用风量小时，会导致空压机长时间低负荷运行，电能损耗增大并加剧了设备的磨损，增加了运行成本。如负荷小时将设备停机或部分设备停机，将导致操作频繁，缩短设备寿命，而且会影响用风设备及风动工具的正常工作。我实习单位矿井下采用两套螺杆式空压机传动系统，主要为井下设备提供气动力，原来为工频直接启动，长期工频恒速运行，存在着启动电流大、能量严重浪费、供气压力不稳定等缺点，经过分析和论证，决定进行技术改造。4.1.1 原螺杆式空压机的工作方式和拖动方案1). 原螺杆式空压机的工作方式螺杆空压机的主要工作方式为启动、停止、加载、卸载，其进气口设置加载阀，通过加载电磁阀来控制人口阀门的开关。空压机运行时，若排气压力低于设定目标压力的下限，则空压机控制器使加载电磁阀得电，将入口阀门打开，空压机处于满负荷加载状态；若排气压力高于设定目标压力的上限，则空压机控制器命令加载电磁阀失电，从而将入口阀门关闭，空压机处于无负荷卸载状态，此时空压机实际为空转运行。空压机加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在Pmin与Pman 之间来回变化。Pmin是最低压力值，即能够保证压缩空气用户正常工作的最低压力。一般情况下，Pman 、Pmin 之间关系可以用下式来表示：Pman= (1+)Pmin 是一个百分数，其数值大致在10 25之间。若采用变频调速技术连续调节供气量的话，则可将管网压力始终维持在能满足供气的工作压力上，即Pmin附近。2). 原工频拖动设备方案分析系统为两套参数相同的旋转螺杆式空压机传动系统，由异步电动机拖动空压机旋转，空压机及其控制系统压缩空气为井下气动设备供气。异步电动机参数：额定电压6 kV，额定电流43A，额定功率375 kW5。4.1.2 空压机系统运行情况1)一台设备运行，一台设备备用；如某台设备出现故障则退出运行，启动另外一台设备。2)为提高空压机传动设备运行寿命，方便检修，两台设备每三天倒一次闸，使运行设备转为备用设备，备用设备转为运行设备。3)气压大于06 MPa井下气动设备就可以工作，井下设备存在着几个用气高峰点，用气少时井下压力就高，空压机控制系统通过加、卸载方式调节压力，存在着调节速度较慢、调节精度不高和电磁阀频繁动作的缺点，实际每天的输出压力在060 MPa075 MPa之间。4)电动机一直在工频5O Hz恒速运转，平均额定电流为38 A；启动瞬间电流可达200 A左右；平均功率约310 kW。分析该系统控制原理，原电动机传动系统在转速和压力都有下调空间，因此原系统存在着能量的浪费，采用变频调速具有可行性。4.1.3 空压机的高压变频改造经设计考虑，根据矿井气动设备系统特点，系统采用压力闭环，给定压力为062 MPa，变频器内置数字PID调节器，在变频器界面上只需设置压力给定变频器即可自行对输出频率进行调节以稳定压力。一、 变频器改造电气方案变频的电气主接线图见图4-1。图中1QF为1 启动柜断路器，2QF为2 启动柜断路器，QS1Qs6为手动隔离开关。其中Qs5和QS2机械互锁；QS4和QS1机械互锁；Qs6和QS3机械互锁；QS5和Qs4通过程序锁互锁；QS2和QS1通过程序锁互锁。选择1 高压电动机变频运行时需要开关操作顺序：断开QS4，合QS5，合QS6，合1QF。当变频器带1 电动机时如变频器需要运行检修则断开1QF，合Qs1，合2QF，使2 工频拖动。采用该变频调速方案，设备的可靠性得以进一步提高。图4-1 变频器电器主接线图二、 多电平变频器基本控制原理异步电动机的转速公式为：n=60f(1一s)P其中：n是电动机转速，是定子频率，s是电动机转差率，P是电动机极对数。对于异步电动机，P一般是固定的，s可调范围也很小 可变范围很大，故调厂是最主要的调速方式。根据电动机理论，为了保持一定的转矩能力必须维持磁通密度基本恒定，这样就必须维持定子电压和定子频率的比值基本恒定，即变压变频控制(VVVF)。多电平变频器的一般采用载波相移SPWM控制技术，其基本原理是：每相由个级联单元组成，每个单元三角载波的相位角依次差360N，同一相采用相同的正弦调制信号，利用SPWM技术中的波形生成方式和多重化技术中的波形叠加结构产生SPWM波形，从而实现多电平SPWM输出；A、B、C相之间参考波依次相差120。对于每相由个模块单元级联而成的变频器，相电压电平数最大为2N+1，线电压电平数最大为4N+1，由此可见级联模块越多则输出波形越接近正弦波，这样有利于减小dvdt和谐波。图3是6个单元级联输出线电压图，可以看出输出波形非常接近正弦波。4.1.4 整机系统的调试和试验波形图4-2是采用变频改造后异步电动机启动过程电流波形。图4-3是稳态36 Hz电流输出波形。由图4-2可以看出，启动电流较小，中间有较大的幅值(尖峰值约7O A)，其振动是因为电动机一般有低频振动现象，该电动机在712 Hz之间有机械振动。因为变频器内部有电流反馈抑制措施使电动机在很安全的范围内运行，远远优于原来工频直接启动过程。图4-3是电动机稳定运行在36 Hz时的电流波形，电流有效值299 A，可以看出电流正弦性很好，输出谐波很小，对电动机很有利。图4-2 启动过程电流波形图图4-3 稳态36Hz时输出电流波形图4.1.5 改造后的节能点1、空压机属于恒转矩负载，即转矩在不同速度下相同的，但所需功率也和速度成正比关系，所以当转速降低时所需功率也随之下降，从而达到了节能的目的。2、变频空压机的压力设定可以是一点，即可以将满足生产设备要求的最低压力作为设定压力，变频空压机将根据管网压力上下波动的趋势，调节空压机转速的快慢，甚至消除了空压机的卸载运行，节约了电能。3、由于变频空压机使得管网上下压力稳定，可以降低甚至消除压力的波动，从而使系统中所有运行的空压机都在一个满足生产要求的较低的压力下运行，减少了压力向上波动造成的功率损失。4、由于压缩机不能排除在满负载状态下长时间运行的可能性，所以，只能按最大需求来决定电动机的容量，故设计容量一般偏大。在实际运行中，轻载运行的时间所占的比例是非常高的。如采用变频调速，可大大提高运行时的工作效率。因此，节能潜力很大。5、有些调节方式（如调节阀门开度和改变叶片的角度等），即使在需求量较小的情况下，也不能减小电动机的运行功率。采用了变频调速后，当需求量较小的情况下，可降低电动机的转速，减小电动机的运行功率，从而进一步实现节能。6、单电动机拖动系统大多不能根据负载的轻重连续地调节。而采用了变频调速后，则可以十分方便地进行连续调节，能保持压力、流量、温度等参数的稳定，从而大大提高压缩机的工作性能。4.1.6 改造后的节能对比系统原工频运行：空压机压力在062075MPa之间，电动机1 d的平均额定电流为38 A；平均功率310 kW。采用变频器器运行后：压力基本在060065MPa，电动机平均电流32 A，输入平均电流23 A，平均输入功率200 kW。电量节能如图4-4。这样，变频器一年按工作350 d计算，则总节能为：(310200)24350=924万kWh按一度电05元计算，则一年可节省电费462万元。图4-4用电量对比图小结本文对空压机的高排气温度引起的故障进行了分析，为了彻底解决此项问题，用加装净水器将中水进行软、净化再处理和加大进水主管路和反冲水管路的直径的改造方法，解决了空压机不能够长期平稳可靠运行的缺点,延长机组的使用寿命，保证了企业的正常生产。通过对供气系统的节能改造，使空压机系统实现了软启动，大大减少了设备维护、维修费用等，实际运行表明，既提高了空压机可靠性，而且节能效果显著，具有明显的直接和间接经济效益。15致谢本论文是在老师精心指导和大力支持下完成的。以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时，在此次毕业设计过程中我也学到了许多了关于双杆螺杆式空压机节能改造方面的知识，实验技能有了很大的提高。通过这次写论文，在老师的指导下，我对一些不熟悉的知识又有了进一步的了解，而且还学到了一些新的东西，对一些软件更熟练了，这些成果是与老师的耐心教导，不断帮助离不开的。最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示深深地感谢！ 参考文献1邢子文螺杆压缩机设计及应用M北京机械工业出版社2008；62兰运良空气压缩机技术M西北工业大学出版社.2008;10 3郁永章容积式空压机维修M北京机械工业出版社.2007;1 4邢子文螺杆空压机理论及应用M北京机械工业出版社2007;7 5陈冠国机械设备维修M北京机械工业出版社2008 9