摘要：比較了螺桿式空氣壓縮機(jī)和離心式空氣壓縮機(jī)的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合卷煙廠工程實(shí)例，對(duì)3種空氣壓縮機(jī)組合方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較。在綜合考慮生產(chǎn)工藝對(duì)空氣品質(zhì)要求的基礎(chǔ)上，認(rèn)為離心式空氣壓縮機(jī)和無(wú)油螺桿式空氣壓縮機(jī)聯(lián)合運(yùn)行方案具有運(yùn)行穩(wěn)定、效率高、出氣品質(zhì)高、維修量少等優(yōu)點(diǎn)，是工程設(shè)計(jì)和技術(shù)改造中推薦參考的方案。

關(guān)鍵詞：  卷煙廠；  空氣壓縮機(jī)；  螺桿式空氣壓縮機(jī)；  離心式空氣壓縮機(jī)；  聯(lián)合運(yùn)行

Discussion on Combined Operation Mode of Air Compressors in Cigarette Factory

Abstract：The working principles，advantages and disadvantages of screw air compressor are compared with those of centrifugal air compressor．The economic comparison of three air compressor combination programs is made combined with a cigarette factory engineering example．Based on comprehensive consideration of the production process requirements for air quality，it is concluded that the combined operation scheme of centrifugal air compressor and oil-free screw air compressor is a recommended scheme in the engineering design and the technical reconstruction due to its advantages such as stable operation，high efficiency，high air quality，less maintenance and so on．

Key words：  cigarette factory；  air compressor；  screw air compressor：  centrifugal air compressor；  combined operation

1概述

作為工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的動(dòng)力源，空氣壓縮機(jī)的能耗在工業(yè)生產(chǎn)中占總能耗的l0％～35％^[1]，我國(guó)工業(yè)壓縮機(jī)每年的耗電量占全國(guó)總耗電量的6％以上^[2]。因此，合理選擇空氣壓縮機(jī)組及確定其運(yùn)行方案對(duì)節(jié)能減排具有重要意義。

空氣壓縮機(jī)在卷煙廠中有兩種作用：一是工藝設(shè)備的動(dòng)力源，二是負(fù)責(zé)吹掃。卷煙工藝設(shè)備對(duì)壓縮空氣的品質(zhì)要求越來(lái)越高，因此空氣壓縮機(jī)組配置方案應(yīng)綜合考慮生產(chǎn)工藝對(duì)空氣品質(zhì)的要求。立足于浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱浙江中煙)“十一五”易地技改項(xiàng)目(即原杭州卷煙廠總體搬遷項(xiàng)目)，同時(shí)以創(chuàng)“國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際一流”卷煙生產(chǎn)基地為目標(biāo)，對(duì)搬遷后的杭州卷煙廠生產(chǎn)廠房中空氣壓縮機(jī)的配置方案進(jìn)行探討。

2 螺桿式壓縮機(jī)與離心式壓縮機(jī)的比較

螺桿式壓縮機(jī)^[3-4]屬于回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，工作循環(huán)分為吸氣、壓縮和排氣3個(gè)過(guò)程。其由一對(duì)相互嚙合的陰陽(yáng)螺桿轉(zhuǎn)子，在機(jī)殼內(nèi)按一定傳動(dòng)比以相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)工作容積縮小進(jìn)行氣體壓縮。螺桿式壓縮機(jī)有多種分類方法：按運(yùn)行方式不同，分為無(wú)油壓縮機(jī)和噴油壓縮機(jī)；按被壓縮的氣體種類和用途不同，分為空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)和工藝壓縮機(jī)；按結(jié)構(gòu)形式不同，分為移動(dòng)式和固定式、開啟式和封閉式等。

離心式壓縮機(jī)^[5]是一種葉片旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，其高速旋轉(zhuǎn)的葉輪給予氣體的離心力使氣體的速度增加，在擴(kuò)壓通道中給予氣體的擴(kuò)壓作用又使沿徑向流過(guò)葉輪的氣體壓力得到提高，在擴(kuò)壓器中將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗?，從而?shí)現(xiàn)氣體壓力的提高。目前，離心式壓縮機(jī)已成為化工生產(chǎn)中壓縮和輸送氣體的關(guān)鍵設(shè)備。隨著氣體動(dòng)力學(xué)及關(guān)鍵技術(shù)的不斷研究，離心式壓縮機(jī)的效率不斷提高，應(yīng)用范圍大為擴(kuò)展。有些工業(yè)用高壓離心式壓縮機(jī)的壓力達(dá)15～35MPa。離心式壓縮機(jī)在壓縮過(guò)程中，氣體只與葉輪接觸，因此可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)無(wú)油的壓縮過(guò)程。

螺桿式壓縮機(jī)系容積式壓縮機(jī)，是依靠容積的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但其轉(zhuǎn)子在機(jī)殼內(nèi)做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又與離心式壓縮機(jī)相同。因此，螺桿式壓縮機(jī)同時(shí)具有往復(fù)式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)^[4]：①可靠性高，零部件少，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠度高；②轉(zhuǎn)速高；③適應(yīng)性強(qiáng)，其排氣量幾乎不受排氣壓力影響，在較寬范圍內(nèi)能保持較高的效率；④動(dòng)力平衡性好，沒(méi)有不平衡慣性力，可實(shí)現(xiàn)無(wú)基礎(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn)，體積小，重量輕；⑤調(diào)節(jié)方式多樣，可在多方面適應(yīng)工況的要求，如采用變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、吸氣節(jié)流調(diào)節(jié)、旁通調(diào)節(jié)等；⑥操作維修方便；⑦無(wú)喘振、臨界轉(zhuǎn)速等限制。螺桿式壓縮機(jī)也有一些缺點(diǎn)：①造價(jià)高，轉(zhuǎn)子、機(jī)殼加工復(fù)雜，精度要求高；⑦不能用于高壓和小流量場(chǎng)合，排氣壓力一般不能超過(guò)4．5 MPa，只有流量大于0．2 m³／min時(shí)，螺桿式壓縮機(jī)才具有優(yōu)越的性能。

離心式壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：①流量大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，重量輕，機(jī)組尺寸小，占地面積??；②運(yùn)轉(zhuǎn)平衡，操作可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)率高，摩擦件少，因而備件需用量少，維護(hù)費(fèi)用低及維護(hù)人員少；③在化工流程中，離心式壓縮機(jī)對(duì)化工介質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)無(wú)油的壓縮過(guò)程；④離心式壓縮機(jī)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器，適宜采用工業(yè)汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)直接聯(lián)動(dòng)。對(duì)一般大型化工廠，常用副產(chǎn)蒸汽驅(qū)動(dòng)工業(yè)汽輪機(jī)作為離心式壓縮機(jī)的動(dòng)力，為熱能綜合利用提供了可能。離心式壓縮機(jī)的缺點(diǎn)：①適用性受限，目前還不適用于流量太小及壓比過(guò)高的場(chǎng)合；②穩(wěn)定工況區(qū)較窄，其流量調(diào)節(jié)雖較方便，但經(jīng)濟(jì)性較差；③效率偏低，其效率一般較螺桿式壓縮機(jī)低。

綜上分析，由于離心式壓縮機(jī)與螺桿式壓縮機(jī)的構(gòu)造和工作原理不同，其性能在不同的工程應(yīng)用上也有較大差別。應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程的特點(diǎn)，綜合考慮初投資額、日常維護(hù)費(fèi)用、運(yùn)行模式及其對(duì)機(jī)組壽命的影響以及對(duì)出氣品質(zhì)的要求等來(lái)選擇空氣壓縮機(jī)的類型、型號(hào)和組合方案。

3 工程實(shí)例

3．1  工程概況

杭州卷煙廠所需的壓縮空氣總用氣量為176 m³／min，其中127 m³／min用于卷煙工藝生產(chǎn)，49 m³／min用于吹掃。卷煙工藝要求的壓縮空氣品質(zhì)為：不含油，含水量至少為CLASS 4級(jí)，可允許殘留灰塵為CLASS l級(jí)，壓力為0．7 MPa。

根據(jù)上述要求，可綜合選用噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)、無(wú)油螺桿式空氣壓縮機(jī)、離心式空氣壓縮機(jī)。參考廠家的樣本資料，備選空氣壓縮機(jī)的性能參數(shù)見(jiàn)表l。

3．2 3種機(jī)組組合方案

參照杭州卷煙廠原來(lái)的工藝運(yùn)行狀況和壓縮窄氣設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)習(xí)慣，運(yùn)行模式考慮正常時(shí)間設(shè)2臺(tái)空氣壓縮機(jī)作為備機(jī)，以應(yīng)對(duì)l臺(tái)主機(jī)大修時(shí)，另1臺(tái)主機(jī)也出現(xiàn)故障的情況?？紤]到最大生產(chǎn)用氣量為127 m³／min和卷煙工藝設(shè)備的用氣品質(zhì)要求，針對(duì)表1中的3種空氣壓縮機(jī)，作出了3種機(jī)組組合方案。

方案l：6臺(tái)噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)，其中2臺(tái)備用，并配置HF5級(jí)精密油過(guò)濾器。生產(chǎn)時(shí)間輪流開啟3臺(tái)，吹掃時(shí)間啟動(dòng)第4臺(tái)。年生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間為4 800 h。生產(chǎn)時(shí)間用氣量為l27 m³／min。

方案2：6臺(tái)無(wú)油螺桿式空氣壓縮機(jī)，其中2臺(tái)備用。生產(chǎn)時(shí)間輪流開啟3臺(tái)，吹掃時(shí)間啟動(dòng)第4臺(tái)。年生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間為4 800 h，生產(chǎn)時(shí)間用氣量為127 m³／min。

方案3：2臺(tái)離心式空氣壓縮機(jī)和3臺(tái)無(wú)油螺桿式空氣壓縮機(jī)。生產(chǎn)時(shí)間開機(jī)組合模式為l臺(tái)離心式和l臺(tái)無(wú)油螺桿式并聯(lián)運(yùn)行，出氣比例為2：1，吹掃時(shí)啟動(dòng)第2臺(tái)無(wú)油螺桿式空氣壓縮機(jī)。年生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間為4 800 h，生產(chǎn)時(shí)間用氣量為127 m³／min。

3．3機(jī)組組合方案的費(fèi)用計(jì)算

通過(guò)綜合考慮年總運(yùn)行費(fèi)用、年運(yùn)行電費(fèi)、年維護(hù)費(fèi)、年折舊費(fèi)，來(lái)綜合分析以上3種方案的經(jīng)濟(jì)性和適用性。年總運(yùn)行費(fèi)用、年運(yùn)行電費(fèi)、年維護(hù)費(fèi)、年折舊費(fèi)的計(jì)算公式分別見(jiàn)式(1)～(4)。由于吹掃對(duì)空氣品質(zhì)和壓力的要求均不高，且持續(xù)時(shí)間很短，因此在年運(yùn)行電費(fèi)計(jì)算中忽略了吹掃用電費(fèi)用。

每臺(tái)噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)每年更換空氣過(guò)濾器和冷卻液的費(fèi)用為4×10⁴元/(臺(tái)·a)，HF5級(jí)精密油過(guò)濾器每8 000 h(約2 a)更換l次濾芯，費(fèi)用為4 500元／臺(tái)。每臺(tái)無(wú)油螺桿式空氣壓縮機(jī)每年更換空氣過(guò)濾器、潤(rùn)滑油、油過(guò)濾器濾芯的費(fèi)用為3．5×10⁴元／(臺(tái)·a)；主機(jī)在運(yùn)行5～7 a內(nèi)必須更換轉(zhuǎn)子，費(fèi)用為30×10⁴元／臺(tái)，按照6 a更換l次計(jì)算，則每臺(tái)主機(jī)每年更換轉(zhuǎn)子的費(fèi)用為5 ×10⁴元／(臺(tái)·a)。每臺(tái)離心式空氣壓縮機(jī)每年更換潤(rùn)滑油、空氣過(guò)濾器、油過(guò)濾器濾芯的費(fèi)用為2．5×10⁴元／(臺(tái)·a)。

根據(jù)式(1)～(4)得出3種方案的年運(yùn)行電費(fèi)、年維護(hù)費(fèi)、年折舊費(fèi)和年總運(yùn)行費(fèi)用，見(jiàn)表2。

3．4機(jī)組組合方案的對(duì)比分析

合理的空氣壓縮機(jī)組合方案能夠在保障生產(chǎn)工藝所需出氣品質(zhì)的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)，同時(shí)考慮到保障工廠的持續(xù)生產(chǎn)，所選方案應(yīng)保證機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定、檢修方便、檢修量少。

方案l在年運(yùn)行電費(fèi)、年維護(hù)費(fèi)和初投資額方面都足最優(yōu)的，但是方案1采用6臺(tái)噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)和HF5級(jí)精密油過(guò)濾器才可以滿足要求，而且噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)本身的出氣品質(zhì)不高，需靠后處理來(lái)達(dá)到要求的出氣品質(zhì)，其對(duì)后處理設(shè)備的要求較高，后處理設(shè)備更換較頻繁。若后處理出現(xiàn)問(wèn)題，生產(chǎn)上將存在很大風(fēng)險(xiǎn)。

方案2的出氣品質(zhì)是3種方案中最高的，因此方案2是目前卷煙廠生產(chǎn)中使用最為普遍的方案。但是其年運(yùn)行電費(fèi)、年維護(hù)費(fèi)和初投資額在這3種方案中均為最高，而且該方案空氣壓縮機(jī)組的效率將隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，3～5 a后效率可下降約l5％，因此此方案的維護(hù)費(fèi)較高。

方案3的年運(yùn)行電費(fèi)、年維護(hù)費(fèi)和初投資額比方案l多，但平時(shí)對(duì)離心式空氣壓縮機(jī)與無(wú)油螺桿式空氣壓縮機(jī)的維護(hù)量較方案1少，同時(shí)方案3也避免了方案1對(duì)出氣品質(zhì)的擔(dān)憂。方案3較方案2經(jīng)濟(jì)性好，年總運(yùn)行費(fèi)用比方案2節(jié)省了約36×10⁴元／a，而且方案3也可以滿足工藝對(duì)出氣品質(zhì)的要求。

綜合分析得知，方案3為最佳方案。方案3聯(lián)合使用離心式空氣壓縮機(jī)和無(wú)油螺桿式空氣壓縮機(jī)，結(jié)合了兩種空氣壓縮機(jī)穩(wěn)定可靠、出氣品質(zhì)高的優(yōu)點(diǎn)。在擴(kuò)大了機(jī)組出氣量的同時(shí)減少了主機(jī)數(shù)量，從理論上實(shí)現(xiàn)了主機(jī)容量的大小配置，有利于節(jié)能。高負(fù)荷狀況下以離心式空氣壓縮機(jī)為主，無(wú)油螺桿式空氣壓縮機(jī)為輔，在提高了效率的同時(shí)，也降低了維護(hù)費(fèi)用。

4 結(jié)論

①合理選擇空氣壓縮機(jī)的配置方案可以在滿足生產(chǎn)工藝要求的基礎(chǔ)上降低年總運(yùn)行費(fèi)用，提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

②離心式空氣壓縮機(jī)和無(wú)油螺桿式空氣壓縮機(jī)聯(lián)合運(yùn)行方案具有運(yùn)行穩(wěn)定、效率高、出氣品質(zhì)高、維修量少等優(yōu)點(diǎn)，是工程設(shè)計(jì)和技術(shù)改造中推薦參考的方案。

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本文作者：王榮文  張振國(guó)  王新峰  邵征宇

作者單位：浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司杭州卷煙廠  重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院