【壓縮機網】“我認為我的空氣壓縮機并沒有制造出期望質量的空氣，尤其是三號空氣壓縮機。”

 

　　這就是阿肯色州一家工廠的維護經理在他辦公室里對我們說的話。 我們當時花了整個上午在他的壓縮空氣系統上安裝數據記錄設備。

 

　　那時是初夏，空氣壓縮機位于生產車間的夾層樓上，室外和室內的溫度都在升高。壓縮空氣系統由三臺500匹馬力的離心式空氣壓縮機和一臺350匹馬力的無油變頻單螺桿空氣壓縮機組成。

 

　　空氣壓縮機的所有進氣口都在內部，因此夾層中的環境空氣（而非外部空氣）被壓縮了。理論上正常的操作是對兩個離心壓縮機進行基本負載，使其中一個處于待機狀態，然后單螺桿變頻壓縮機作為備用。但是通常所有四個空氣壓縮機都必須運行才能滿足工廠的需求，這樣一來壓縮空氣系統就沒有備用設備。

 

　　那天早上，在安裝電子監測設備和變壓器/質量流量計時，我們注意到夾層樓的溫度很高。安裝完設備后，我們在午餐時間休息了一下，然后回到工廠，與工廠工作人員會面，討論問題，并檢查了我們的設備，以確保出發前一切正常。在對測量設備進行檢查時，還應在每個空氣壓縮機的入口處讀取環境溫度。這天阿肯色州的氣溫超過32℃，非常適合檢查空氣壓縮機入口處的溫度如何。

　　事實證明，入口處溫度非常高！

 

　　如一開始時提到的，把兩個離心壓縮機（3號和4號壓縮機）和變頻單螺桿壓縮機（1號壓縮機）一起放置在了生產車間正上方夾層結構的一端。第三臺離心式空氣壓縮機（4號壓縮機）放置在維修車間上方一個單獨的房間中，與其他三臺壓縮機處于同一水平高度，但該房間的溫度稍微低一些。入口環境溫度記錄如下：

 

　　1號壓縮機：43.9℃；

　　2號壓縮機：43.3℃；

　　3號壓縮機：48.3℃；

　　4號壓縮機：41.7℃。

　　顯然，環境溫度對空氣壓縮機的性能產生了巨大影響，這成為審核報告的重點之一。評價空氣壓縮機性能的另一個因素是工作壓力。最初的規格要求排氣壓力為758.4kPa，然而設備的壓力保持在813.6kPa，這對空氣壓縮機的輸出也有不利影響。

 

　　理論上兩個離心壓縮機將在大部分時間內提供所有所需的空氣，而單螺桿壓縮機會在需求最高的時期偶爾開始運行（順便說一下，這是一種最佳應用的設計）。

 

　　然而當外面很熱時，事實證明單螺桿式壓縮機幾乎一直都需要運轉，而且通常第三臺離心機也要運轉。所以我們開始研究該系統正在使用的空氣量以及空氣壓縮機的運行狀況。

 

　　那么，由于環境溫度高和排氣壓力升高，空氣壓縮機的性能下降了多少？

 

　　圖1中的曲線顯示了在35℃入口溫度和758.4kPa的排氣壓力下空氣壓縮機的性能：
 

 

　　四個曲線分別表示不同葉片進口導向角度下的工作曲線。紅色曲線是入口閥100％打開（0度和不節流）時的流量曲線。在此條件下，空氣壓縮機的額定最大流量為65.5m3/min。這是用于初步確定空氣壓縮機尺寸并計算其負載的曲線。

 

　　圖2顯示了同一空氣壓縮機在48.3℃入口溫度和758.4kPa排氣壓力下的曲線：
 

 

　　注意到曲線全部向左移動（給定壓力下流量減少）。在758.4kPa的壓力下，最大流量已從65.5m³/min降低到了59.2m³/min，損失了近10％。

 

　　但是廠家正在以高于758.4kPa的壓力運行空氣壓縮機。圖3是針對實際排氣壓力為813.6kPa而調整后的曲線。
 

 

　　如圖所示，流量已減少至57.4m³/min，比設定值損失近8.5m³/min。同樣糟糕的是，喘振壓力上升，工作壓力與喘振壓力之間的壓力差已從原來的193kPa降低到68.9kPa。這使空氣壓縮機幾乎沒有任何調低的余地（調低率是離心空氣壓縮機可以通過進氣閥門節流實現的部分負荷運行的百分比）。這給操作壓縮空氣系統帶來了進一步的困難。

 

　　驅動電機保護—另一個影響性能的因素

 

　　離心空氣壓縮機具有保護驅動電機的安全功能。隨著線圈繞組溫度的升高，電動機的電流將下降。如果環境溫度超過電動機銘牌的電流溫度額定值，則控制器將限制最大進氣的導葉位置，以防止電動機過載。這進一步降低了最大流量，還使得工作壓力上升到喘振。

 

　　收集并分析數據后，發現實際上3號空壓機的控制方式為啟停控制，從啟動點到停機點僅上升了20.7kPa。3號空氣壓縮機大部分時間是在空載條件下記錄，而2號和4號空氣壓縮機在滿負荷運行的情況下將單螺桿壓縮機作為備用。

 

　　那么為什么不將3號空壓機在運行了最短的空載載時間后就卸載并關閉呢？

 

　　問題的部分原因在于保護電動機的內置安全功能。在這種情況下，安全功能使得它只能運行最少的時間，大型電動機的大部分磨損發生在啟動期間。在電動機關閉之前，由涌入電流產生的熱量需要耗散直到電動機的溫度達到正常工作的溫度水平。電機一旦關閉，就需要進一步冷卻，使得下次啟動時不會出現溫度峰值。

 

　　在這種情況下，由于較高的環境溫度，3號空壓機需要在空載狀態下運行更長的時間。在“冷卻”狀態下空載運行時，壓力略有下降會導致其負載增加。系統流量突然變為56m3/min時，會立即導致壓力升高超過20.7kPa，此時3號空壓機將卸載。這將使得壓縮機在空載狀態下運行更長時間。

 

　　這樣的事件經常發生，以至于空氣壓縮機幾乎沒有機會關機，總是在空載狀態下運轉。 當機組確實要關閉時，一旦發生工廠壓力的另一次小幅下降，它將在短時間內重啟。

 

　　改善空氣壓縮機性能的糾正措施

 

　　顯然，在這種情況下，最有效的措施是降低壓縮機進口處的溫度。還必須降低電機的溫度，以提高電機的可靠性并進一步提高性能。另一建議是將空氣壓縮機的排氣壓力降低到生產設備運行所需的最低壓力。

 

　　第一個建議是在廠區外部安裝空氣進氣口，然后將外部空氣直接輸送到空氣壓縮機進氣口過濾器。盡管阿肯色州的夏季溫度經常超過32℃，但此溫度遠低于上述測量到的43.3℃的進口溫度，這樣做將使空氣壓縮機的輸出能力提高10％。

 

　　下一個建議是通過增加空氣壓縮機區域的通風量來降低該區域的溫度。由于增加壓縮機區域的空調管道不是一個可行的選擇，所以建議使用強制通風措施從廠區外部增加壓縮機區域內的通風量，從而達到降溫的目的。

 

　　適當增加壓縮機區域內的空氣流通量可以將電機周圍的溫度降低9至12℃，從而降低電機的工作溫度，并使得控制器的進氣無法節流以保護驅動電機。這將使流量增加幾個百分點，從而使空氣壓縮機的運行更接近理論流量曲線。它還將產生更大的壓升，使設備在卸載前有更好的調節能力。

 

　　不要忽略環境溫度

 

　　該案例研究說明了進氣溫度和環境溫度對離心空氣壓縮機性能的關鍵程度。在設計壓縮空氣系統時，不僅需要了解生產設備的壓力和流量要求，還需要了解設備運行的條件。用戶、系統設計師和設備供應商之間的溝通對于確保系統正常運行至關重要。

 

　　最終目標始終是設計、安裝和運行壓縮空氣系統，該系統應滿足用戶的流量和壓力要求，方便后期維護或更換，并最大程度地提高可靠性。設計這樣的系統時，環境溫度通常被忽略但至關重要。

 

　　關于作者

 

　　作為阿特拉斯·科普柯離心審核員，布雷特·格里芬（Brett Griffin）和托德·奎格利（Todd Quigley）在壓縮空氣審核和能源管理研究方面與美國各地的客戶合作，他們專門從事大型空氣裝置和離心空氣壓縮機的研究。

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