電機(jī)空壓機(jī)系統(tǒng)性能測(cè)試與分析
秦宏波12，胡壽根1，黃軍輝1
（1上海理工大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，上海200093；2上海市節(jié)能服務(wù)中心，上海200040）
摘要：在對(duì)我國(guó)電機(jī)系統(tǒng)能效現(xiàn)狀和空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)的。眭能測(cè)試和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行闡述。通過(guò)系統(tǒng)分析實(shí)例證明了應(yīng)用系統(tǒng)方法對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試和分析，列于提高空壓機(jī)系統(tǒng)能效具有重要意義。
關(guān)鍵詞：電機(jī)系統(tǒng)；空壓機(jī)；性能測(cè)試
中圖分類(lèi)號(hào)：TM301. 4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-6540(2010)03-0061-05
0 引 言
電機(jī)系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、被拖動(dòng)裝置、傳動(dòng)控制系統(tǒng)及管網(wǎng)負(fù)荷，其耗電量約占全國(guó)用電量的百分之60和工業(yè)用電量的百分之80，萁中風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)和空壓機(jī)的用電量分別占全國(guó)用電量的百分之10. 4、百分之20. 9和百分之9.4。2007年我國(guó)各類(lèi)電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘考s為7. 28億kW，耗電量約為19 566萬(wàn)kWh。目前，我國(guó)電機(jī)系統(tǒng)主要存在兩方面問(wèn)題：一是電動(dòng)機(jī)及被拖動(dòng)設(shè)備效率低，電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵等設(shè)備陳舊落后，效率比國(guó)外先進(jìn)水平低百分之2~5；二是系統(tǒng)匹配不合理，“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象嚴(yán)重，系統(tǒng)運(yùn)行效率比國(guó)外先進(jìn)水平低百分之10~20。因此，我國(guó)在制定節(jié)能中長(zhǎng)期規(guī)劃時(shí)將電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能列入十大重點(diǎn)節(jié)能工程，可見(jiàn)提高電機(jī)系統(tǒng)的能效水平對(duì)于我國(guó)的能源節(jié)約和發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)具有重要意義。
雖然空壓機(jī)在電機(jī)系統(tǒng)耗電中也占有較大比重，在大多數(shù)工廠中要占其全部能耗的拜耳百分之10~40，但與風(fēng)機(jī)和泵系統(tǒng)的節(jié)能工作起步較早有所不同，近幾年國(guó)內(nèi)、外才開(kāi)始重視空壓機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能和優(yōu)化問(wèn)題，并且通過(guò)建立便攜式性能測(cè)試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而提出空壓機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化方案的也比較少。本文介紹了可以進(jìn)行空壓機(jī)系統(tǒng)性能測(cè)試和數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有便攜性，可以對(duì)企業(yè)在用的空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和分析，對(duì)于在用空壓機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化可以提出改造建議，也可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行空壓機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)：
l 空壓機(jī)系統(tǒng)組成
典型的壓縮空氣系統(tǒng)主要由空壓機(jī)、動(dòng)力源、控制器、空氣處理設(shè)備、附件及管路分配系統(tǒng)等組成�？諌簷C(jī)吸人周?chē)髿庵械目諝獠⒃鰤褐料到y(tǒng)設(shè)定的壓力排人管道中，往復(fù)式、螺桿式和離心式空壓機(jī)目前應(yīng)用最為廣泛；動(dòng)力源為空壓機(jī)運(yùn)行提供動(dòng)力，以電動(dòng)機(jī)為主；控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)空壓機(jī)產(chǎn)生氣體的數(shù)量；空氣處理設(shè)備除掉空氣中的雜質(zhì)及水分，其他附件保持系統(tǒng)正常運(yùn)行；管路分配系統(tǒng)把壓縮空氣傳送到需要的地方。
根據(jù)全生命周期成本分析理論，建立在10年運(yùn)行時(shí)間基礎(chǔ)上，設(shè)備初始投資和維護(hù)費(fèi)用約分別占?jí)嚎s空氣系統(tǒng)全生命周期成本的百分之12，而電動(dòng)機(jī)消耗的電能費(fèi)用則占到百分之76。
2測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
壓縮空氣系統(tǒng)流量和壓力動(dòng)態(tài)變化非�？�，在許多系統(tǒng)中大量的空氣負(fù)荷隨機(jī)運(yùn)行，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致壓縮空氣系統(tǒng)供氣側(cè)和需求側(cè)之間的不平衡。為了客觀反映壓縮空氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，必須同時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄系統(tǒng)流量、空壓機(jī)功率和系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)壓力等幾個(gè)參數(shù)。
壓縮空氣測(cè)試系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)記錄儀、流量傳感器、壓力傳感器、功率／電流傳感器和計(jì)算機(jī)五部分組成，如圖1所示。
(1)數(shù)據(jù)記錄儀擁有16個(gè)通道，可以接收來(lái)自于傳感器的4~ 20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)串行口可以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信。記錄儀采樣記錄間隔可以根據(jù)測(cè)試需要進(jìn)行設(shè)定，最小為1秒／次，在一般的測(cè)試中可以設(shè)為10秒／次。記錄儀除了可以由220 V電源進(jìn)行供電外，還配有呵充電電弛，在沒(méi)有220 V電源供應(yīng)時(shí)使用，兩者之間可以自由切換，充分體現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的靈活性。
(2)功率／電流測(cè)量�？諌簷C(jī)電機(jī)功率的變化可以采用功率傳感器或者電流傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。功率傳感器可以直接測(cè)試空壓機(jī)組的輸入功率，電流傳感器可以測(cè)試空壓機(jī)電機(jī)的運(yùn)行電流，并通過(guò)測(cè)試空壓機(jī)電機(jī)的供電電壓后經(jīng)過(guò)計(jì)算得出空壓機(jī)運(yùn)行功率數(shù)據(jù)。根據(jù)功率變化評(píng)估空壓機(jī)在系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)反應(yīng)是否及時(shí)，同時(shí)可以估算壓縮空氣系統(tǒng)的能源費(fèi)用。
(3)流量測(cè)量。測(cè)試壓縮空氣流量的方法有許多種，其中對(duì)管道中的流量直接進(jìn)行測(cè)試是最為有效的方法，本測(cè)試系統(tǒng)選用了熱式質(zhì)量流量計(jì)，它根據(jù)熱傳導(dǎo)原理測(cè)試管道中氣體平均速度，進(jìn)而根據(jù)管道面積計(jì)算系統(tǒng)流量。熱式質(zhì)量流量計(jì)的****好處是不需要對(duì)溫度和壓力進(jìn)行修正，其現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖2所示。
(4)壓力測(cè)量。壓縮空氣系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中的壓力傳感器和數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行配合，可以同時(shí)記錄多點(diǎn)的壓力值，從而繪出整個(gè)系統(tǒng)的壓力梯度曲線，依此判斷系統(tǒng)的壓降是否合理。另外，結(jié)合流量測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，可以給出系統(tǒng)負(fù)荷變化和壓力變化之間的相互關(guān)系。壓力傳感器有幾種類(lèi)型和規(guī)格，通常選用的壓力侍感器精度為百分之0 5FS（全量程）。
(5)計(jì)算機(jī)用來(lái)與數(shù)據(jù)記錄儀通信，進(jìn)行設(shè)定和下載測(cè)試數(shù)據(jù)。
3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集只是實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的第一步，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的處理，通過(guò)合適的曲線客觀反應(yīng)空壓機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)非常關(guān)鍵，這要求所需要的不同類(lèi)型的參數(shù)同時(shí)反應(yīng)在同一張圖標(biāo)上。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)大量數(shù)據(jù)的快速處理和分析，設(shè)計(jì)了基于EXCEL和VBA的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)處理設(shè)定模塊、數(shù)據(jù)后臺(tái)處理模塊和圖表輸出模塊三部分組成。
(1)數(shù)據(jù)處理設(shè)定模塊左側(cè)為數(shù)據(jù)命名和坐標(biāo)軸設(shè)定，可以根據(jù)需求自定義將在圖表導(dǎo)出的每一列測(cè)試數(shù)據(jù)的名稱(chēng)以及在導(dǎo)出圖表上在左側(cè)坐標(biāo)軸還是右側(cè)坐標(biāo)軸體現(xiàn)。中部為左側(cè)和右側(cè)坐標(biāo)軸名稱(chēng)及坐標(biāo)軸最小、****和間隔刻度值設(shè)定部分。右側(cè)界面包括測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試日期、執(zhí)行單位和出圖間隔設(shè)定四部分內(nèi)容，其中出圖間隔可以根據(jù)分析需要設(shè)定每張圖的時(shí)間間隔，有半小時(shí)、th和2h可供選擇。
(2)數(shù)據(jù)后臺(tái)處理模塊的主要功能是根據(jù)數(shù)據(jù)處理設(shè)定模塊的設(shè)定，在后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理，為最終圖標(biāo)的輸出做準(zhǔn)備。
(3)圖表輸出模塊的主要功能是根據(jù)前期設(shè)定輸出圖表，如圖3所示。輸出圖表的數(shù)量取決于測(cè)試數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度和出圖間隔設(shè)定，圖3的時(shí)間問(wèn)隔為th。如果數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為24h，則系統(tǒng)會(huì)從測(cè)試開(kāi)始生成24張圖標(biāo)，使分析人員能夠了解系統(tǒng)在一個(gè)正常的工作日內(nèi)的變化情況，對(duì)這些變化做出進(jìn)一步分析。
4 系統(tǒng)性能分析
一個(gè)客觀全面的系統(tǒng)性能分析必須包括空壓機(jī)系統(tǒng)供應(yīng)側(cè)、需求側(cè)及兩者之間的相互作用，可以通過(guò)分析系統(tǒng)功率、流量和壓力變化曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而了解具體空壓機(jī)系統(tǒng)的特性，尋找系統(tǒng)優(yōu)化空間。
(1)空壓機(jī)電機(jī)功率變化曲線分析。很多空壓機(jī)系統(tǒng)都是多臺(tái)空壓機(jī)并聯(lián)運(yùn)行向系統(tǒng)供氣的，分析空壓機(jī)電機(jī)的功率變化曲線可以了解空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)中出現(xiàn)多臺(tái)空壓機(jī)處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可以有針對(duì)性的提出節(jié)能優(yōu)化建議。圖4為上海凱士比泵有限公司壓縮空氣系統(tǒng)空壓機(jī)黽機(jī)功率變化曲線。從圖中可以看出，當(dāng)恒壓控制的1號(hào)螺桿式空壓機(jī)開(kāi)始調(diào)節(jié)減少輸出時(shí)，加／卸載控制的往復(fù)式空壓機(jī)也開(kāi)始加卸載來(lái)對(duì)系統(tǒng)的壓力變化做出反應(yīng)。三臺(tái)空壓機(jī)中的兩臺(tái)處于部分負(fù)載狀態(tài)將會(huì)明顯的降低系統(tǒng)運(yùn)行效率，壓縮空氣的單耗會(huì)明顯增加。
根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)采取了如下措施進(jìn)行優(yōu)化：(1)將1號(hào)空壓機(jī)的控制方式由恒壓控制改為部分負(fù)載效率更高的加／卸載控制；(2)重新設(shè)定3號(hào)空壓機(jī)的壓力控制帶，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷降低時(shí)，使部分負(fù)荷效率****的3號(hào)空壓機(jī)先下載；(3)降低并穩(wěn)定系統(tǒng)供氣壓力。通過(guò)上述改進(jìn)，空壓機(jī)節(jié)能量達(dá)百分之15. 84。
(2)系統(tǒng)壓力變化曲線分析。空壓機(jī)通過(guò)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行消耗電力產(chǎn)生壓縮空氣，壓縮空氣流經(jīng)空氣處理設(shè)備和管道時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓力損失。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率與空壓機(jī)的排氣壓力具有非常重要的關(guān)系，對(duì)于供氣壓力約為0.7 MPa的系統(tǒng)，空壓機(jī)排氣壓力每增加0 l MPa，空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)功率將增加約百分之6。因此，為了減少空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電能消耗，應(yīng)該盡量減少不必要的管道阻力損矢，以****的系統(tǒng)壓力向系統(tǒng)供氣。通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)中不同位置的壓力，經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件形成壓力梯度曲線，可以對(duì)系統(tǒng)各部分壓力損失和系統(tǒng)壓力變化進(jìn)行分析，找出系統(tǒng)存在的問(wèn)題。
上海某公司為了生產(chǎn)安全對(duì)壓縮空氣過(guò)分處理，在系統(tǒng)總管中多安裝了一個(gè)油過(guò)濾器，過(guò)濾器前后的壓力梯度曲線如圖5所示，壓縮空氣通過(guò)過(guò)濾器產(chǎn)生了0.04 MPa的壓力損失。企業(yè)根據(jù)建議將過(guò)濾器濾芯去掉，同時(shí)將空壓機(jī)排氣壓力調(diào)低0.04 MPa后，系統(tǒng)運(yùn)行正常，空壓機(jī)運(yùn)行能源消耗降低了約百分之3.2。
上海某印刷公司的壓力曲線如圖6所示，通過(guò)系統(tǒng)壓力測(cè)試，****供氣壓力為0.79 MPa，通過(guò)對(duì)設(shè)備需求壓力的調(diào)研可知，0. 65 MPa的供氣壓力即可滿(mǎn)足工藝需求，只要簡(jiǎn)單地通過(guò)改變空壓機(jī)加、卸載壓力設(shè)定即可節(jié)約百分之8的空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)電能消耗。
(3)空壓機(jī)流量變化曲線�？諌簷C(jī)系統(tǒng)的流量變化曲線可以客觀反映需求側(cè)壓縮空氣消耗的變化規(guī)律，結(jié)合壓力或空壓機(jī)功率變化曲線進(jìn)行分析，對(duì)于系統(tǒng)優(yōu)化具有非常重要的指導(dǎo)作用。圖7和圖8是某集裝箱制造企業(yè)打砂車(chē)間和噴涂車(chē)間的流量一壓力變化曲線，代表了兩種不同類(lèi)型的流量負(fù)荷。從圖7可以看出，打砂時(shí)流量變化非常具有周期性，流量增加迅速，流量增加時(shí)系統(tǒng)壓力迅速陣低，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生主動(dòng)影響。從圖8可以看出，噴漆工藝的流量屬于被動(dòng)型，當(dāng)系統(tǒng)壓力增加時(shí)，噴漆流量增加，反之降低。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的分析及優(yōu)化建議，企業(yè)實(shí)施后達(dá)到百分之14. 6的節(jié)能效果。
對(duì)50個(gè)壓縮空氣系統(tǒng)測(cè)試分析的結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，共涉及空壓機(jī)316臺(tái)，總平均運(yùn)行功率為2 755 kW，總的節(jié)電潛力為3 582 kW，節(jié)能率最小為百分之3，****為百分之55，平均節(jié)電潛力為百分之13. 2，年節(jié)電潛力預(yù)計(jì)2 700萬(wàn)kWh，需投資1 704萬(wàn)元，簡(jiǎn)單投資回收期約為2年。
5 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)電機(jī)空壓機(jī)系統(tǒng)的性能測(cè)試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和分析的研究，可得出以下結(jié)論：
(1)空壓機(jī)系統(tǒng)在電機(jī)系統(tǒng)中占有重要比重，對(duì)其系統(tǒng)性能測(cè)試方法和系統(tǒng)節(jié)能潛力分析方法進(jìn)行研究，對(duì)于提高我國(guó)空壓機(jī)系統(tǒng)能效具有重要意義。
(2)空壓機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)的建立，可以實(shí)現(xiàn)到企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試診斷，測(cè)試系統(tǒng)流量、壓力和空壓機(jī)功率等參數(shù)的變化數(shù)據(jù)，可以客觀反映系統(tǒng)參數(shù)的變化情況，為進(jìn)行空壓機(jī)系統(tǒng)能效分析提供了一種科學(xué)有效的手段。
(3)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以快速對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)可以根據(jù)需求選擇生成圖表的時(shí)間跨度，為專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析提供了有力條件。
(4)大量的測(cè)試分析結(jié)果表明，我國(guó)空壓機(jī)
系統(tǒng)具有一定的節(jié)能空間。隨著我國(guó)節(jié)能工作的深入，技術(shù)節(jié)能難度逐漸增加，前期診斷分析工作難度也在增大。本文提到的測(cè)試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)于我國(guó)空壓機(jī)系統(tǒng)的能效提高具有重要意。
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