1 系统概况及问题提出
空气压缩机(简称空压机)作为煤矿大型固定设备,为煤矿风动机械提供可靠的动力源。在煤矿主要的空气压缩系统(简称空压机系统)大都设立在地面的压缩空气站,通过管网向全矿井各工作地点供气。随着煤矿管理理念的不断提升,近年来对空压机系统节能减排的要求和节能应用的改造水平也不断提升,作为煤矿主要生产动力系统之一的空压机系统,耗电量占煤矿总用电量的6%～8%,风动设备运行效率本身就很低,如果空压机系统再管理不善,运行效率更低,必然造成能源的严重浪费,因此搞好空气压缩机的经济运行,对节约能源有重要意义。
我国矿山常用的空压机主要以活塞式为主,其次为螺杆式和滑片式。针对煤矿生产的具体情况,煤矿用空压机多选用活塞式和螺杆式空压机(压缩空气压力在0.61～0.81ＭＰａ),其实际运行多存在以下问题,不能保证高效率,造成能源和经济浪费。
1) 老旧式空压机运行效率低。长期运转使用的空压机设备老化、效率降低,旧式的活塞式空压机运行效率低下,0～40ｍ3双螺杆式空压机空载节能效果较单螺杆式空压机差。
2) 系统管网复杂和漏泄严重,矿井井型越大、矿井越深、开拓面布置越远其管网距离越远、效率越低。
3) 由于空气压缩过程接近等温压缩时,其循环功耗最小,所以空压机系统冷却效果差,直接影响运行排气量且效率不高。风冷系统中空压机房空间小,热交换效率低,导致压缩机运行温升高;水冷系统中水质差、进水温度高直接影响到压缩机运行效率。
4) 空压机传动和压缩部件存在间隙,压缩空气过程中有气体损失现象,直接影响到空压机排气量。
5) 矿井所需压缩空气量是随时变化的,并不要求空压机(组)经常运行在额定工况下,空压机(组)排气量往往大于矿井用气量,造成能量损失。
6) 油润滑式螺杆空压机后期维护所需经济费用大。润滑油、油气分离器、空气滤清器都要定期更换(不能反复使用),运行不经济。
2 经济运行和节能方案
1) 选择使用高效率的空压机,及时更新老旧空气压缩机。空气压缩机的结构形式、制造质量对空压机的效率影响很大。由于螺杆式空压机较活塞式空压机在占用空间、运行效率、噪音和振动、耐久性和维护量等指标上均占有优势,所以近年来煤矿用空压机多选用螺杆式空压机。常见螺杆式空压机有:单螺杆空压机和双螺杆空压机。单螺杆与双螺杆式空压机性能对比,见表1。从节能和运行经济的角度来看,采用无油润滑方式或内置变频控制的螺杆式空压机效果好。无油润滑螺杆式空气压缩机主要特点是:维护简单、后期费用较有润滑式螺杆空压机少、振动噪音小;内置变频螺杆式空气压缩机的主要特点是:节能效果好、操作简单、保护完善、购置和维护费用高。
2) 选择合理的供气方式,减少压缩空气的泄漏。目前矿井压缩空气系统,大都在地面设集中压缩空气站,通过管网向矿井各工作地点供气,系统管网复杂和漏泄严重,造成严重的电能浪费。因此,把这种传统的供气方式改为分散就近供气方式,以简化管路损失,节约能源,是非常必要的。某些深井由于管网损失过大,使井下风动机械效率过低,采取分散就近供气方式可简化管网结构,减小输气长度、提高系统效率。以井深400ｍ矿井为例,地面空压机输出压缩空气压力为0.65～0.7ＭＰａ,井下风动设备压力一般为0.5～0.6ＭＰａ,压力损失大于0.15ＭＰａ.采用分散式供气方式年节约电费40多万元。
3) 提高冷却效果,减小阻力损失,降低功率消耗。因为空气压缩机在理想状态的等温压缩下效率最高,所以空压系统冷却效果也直接决定了空压机的效率。空压系统经常采用强迫风冷和水冷冷却方式,实际运行表明,水冷冷却效果更好,但由于循环水质、水量的不足其运行效果也不尽如人意。保证冷却池系统循环水量和冷却塔(池)的冷却效率。系统冷却池容积应按不小于半小时系统所需冷却水量来考虑,根据公式Ｑｗ=Ｑ'/Ｃ(Ｔ1-Ｔ2)(式中:Ｑｗ为空压系统要求所需冷却水量,ｋｇ/ｈ;Ｑ'为空气压缩系统总排气热量,Ｊ/ｈ;Ｃ为水的比热(常数),取4 0200Ｊ/(ｋｇ·℃);Ｔ1、Ｔ2为冷却水的进水、排水温度,℃ ,实际运行其冷却水进水、排水温差Ｔ1-Ｔ2在5～15℃)计算求得。循环水冷却塔(池)是以空气为介质进行冷却,水气之间以对流传热的接触传热和水的蒸发散热。因此,冷却塔(池)的迎风面(或长边)应垂直于当地夏季主导风向,且对于冷却池,水不宜过浅,水位应控制在1.5～2.5ｍ,喷水冷却池水位控制在1～1.5ｍ。
保证系统冷却水压。冷却水压不得低于0.12ＭＰａ,但水压过大,容易造成冷器管道渗水,严重时可导致二级汽缸产生水击,甚至造成汽缸破坏事故,一般水压不宜超过0.2ＭＰａ。
保证系统冷却水质。冷却水质不好可导致系统冷却管道结垢,严重影响系统冷却效果。空压机用冷却水一般要求为:中性(ｐＨ值在6.5～9.5范围内);悬浮物小于25ｍｇ/Ｌ;有机物小于25ｍｇ/Ｌ;含油量小于5ｍｇ/Ｌ;水的碳酸盐硬度小于10ｍｇ/Ｌ;系统排水温度不宜超过40℃(超过40℃水中盐类析出加剧)。
保证冷却水软化处理质量。冷却水软化方式有物理软化和化学软化。物理软化方式主要有:磁水器软化和电渗析方式。磁水器软化水是通过磁化循环水中的钙镁离子,使其电荷和引力发生变化,从而改变晶体的结晶条件和结晶状态,使水垢变成松散的淤泥而不是结力很强的硬质水垢。磁化处理过的水,尽量避免暴露在空气中或与空气接触,水中不宜有杂物(防止磁铁吸附造成磁场闭路,水流堵塞)。电渗析法是在外加直流电场的作用下,利用阴、阳离子交换膜对水中离子的选择透过性,使水中阴、阳离子分别通过阴、阳离子交换膜向阳极和阴极移动,从而达到净化作用。化学软化水常用到:离子交换法、六偏磷酸钠软化水方式。离子交换法是利用离子交换剂,把水中的离子与离子交换剂(交换树脂)中可扩散的离子进行交换,使水得到软化的方法。六偏磷酸钠(ＮａＰＯ3)6是一种易溶于水的化学药剂,具有稳定的重酸盐特性,同时又能与钙、镁的盐类沉淀物作用,生成类似胶状体的非常稳定Ｎａ2[ＣａＮａ2
(ＰＯ3)6],使冷却系统内部的水垢成为溶解性复盐(呈现安定状态),利用六偏磷酸钠处理冷却水不但可以防止冷却水中有碳酸盐类的沉淀产生和已结成的垢物,而且具有抗腐性能
4) 减少容积损失,提高排气量。空压机的排气量是指单位时间内最后一级排出的空气量(换算到第一级进气口大气状态的空气量),它取决于吸进的空气量。吸气量减去排气量就是空压机工作循环的泄漏损失,因此减少机体本身泄漏损失可以提高空压机的工作效率。
空压机的额定排气量是在标准工况下确定的,由于使用环境与条件差异、运转时间的长短以及各种因素的影响,一般都较难达到标准工况。因此,加强对空压机的管理和日常维护,及时消除泄漏现象,使设备保持最佳状态,就能相应地提高排气量。
5) 更新或改造控制系统,采用变频调速装置集中控制。由于空压机是结构复杂的通用设备,运转时间长,配备电动机功率较大,因而降低空压机的功耗,提高空压机的经济运行,对节能具有一定意义。除加强日常运行管理、减少泄漏、合理润滑、定期维护等措施之外,更新或改造空压机的控制系统,采用变频调速装置集中控制对其节能有更加明显的作用。
首先,空压机驱动轴上输出的轴功率,与排气压力、空压机转速有直接关系。也就是说,在实际运行中压缩空气的使用随时在变化,空压机并不经常工作在额定工况,而空压机排气压力的高低则直接影响到实际轴功率的大小。排气压力越高,所需轴功率越大。
其次,为满足用气量的随时变化要求,储气罐内气体必须保持一定压力。目前大多数空压机采用切断进气的调节方式来改变排至储气罐的气量。空压机实际运行的排气量正好满足生产用气需要,储气压力保持不变,若能维持这种状态当然最佳,但实际上空压机排气量要大于用气量。当储气罐压力达到额定值时,一般采用两种办法:一种是空气压缩机卸荷运行,不产生压缩气体,电动机处于空载运行,其耗能仍为满负荷的40%～60%,这部分电能被白白浪费;另一种办法是停止空气压缩机运行,但是若无较大容积的储气罐,将会导致电动机的频繁启动,空
载电流对电网及其他用电设备冲击较大,同时也会严重影响空压机的使用寿命。
所以,由变频设备实现空压机的供气压力-转速的动态匹配,减少了电动机的实际输入功率,达到节能的目的。而且当空压机停止空转,电动机不存在空载运行,这部分能量也得到很好的利用。
3 总 结
本文着重针对煤矿用空气压缩机的实际运行进行了分析,主要探讨了矿用高压空压机
在使用过程中存在的主要问题和经济节能的运行方法。降低空压机实际运行的能耗,提高运行效率是煤矿企业节能降耗,提高经济效益的重要措施。