摘要：比较了螺杆式空气压缩机和离心式空气压缩机的工作原理、优缺点。结合卷烟厂工程实例，对3种空气压缩机组合方案进行了经济性比较。在综合考虑生产工艺对空气品质要求的基础上，认为离心式空气压缩机和无油螺杆式空气压缩机联合运行方案具有运行稳定、效率高、出气品质高、维修量少等优点，是工程设计和技术改造中推荐参考的方案。
关键词： 卷烟厂； 空气压缩机； 螺杆式空气压缩机； 离心式空气压缩机； 联合运行
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
作为工业领域应用广泛的动力源，空气压缩机的能耗在工业生产中占总能耗的l0％～35％[1]，我国工业压缩机每年的耗电量占全国总耗电量的6％以上[2]。因此，合理选择空气压缩机组及确定其运行方案对节能减排具有重要意义。
空气压缩机在卷烟厂中有两种作用：一是工艺设备的动力源，二是负责吹扫。卷烟工艺设备对压缩空气的品质要求越来越高，因此空气压缩机组配置方案应综合考虑生产工艺对空气品质的要求。立足于浙江中烟工业有限责任公司(简称浙江中烟)“十一五”易地技改项目(即原杭州卷烟厂总体搬迁项目)，同时以创“国内领先、国际一流”卷烟生产基地为目标，对搬迁后的杭州卷烟厂生产厂房中空气压缩机的配置方案进行探讨。
2 螺杆式压缩机与离心式压缩机的比较
螺杆式压缩机[3-4]属于回转式压缩机，工作循环分为吸气、压缩和排气3个过程。其由一对相互啮合的阴阳螺杆转子，在机壳内按一定传动比以相反方向转动，通过工作容积缩小进行气体压缩。螺杆式压缩机有多种分类方法：按运行方式不同，分为无油压缩机和喷油压缩机；按被压缩的气体种类和用途不同，分为空气压缩机、制冷压缩机和工艺压缩机；按结构形式不同，分为移动式和固定式、开启式和封闭式等。
离心式压缩机[5]是一种叶片旋转式压缩机，其高速旋转的叶轮给予气体的离心力使气体的速度增加，在扩压通道中给予气体的扩压作用又使沿径向流过叶轮的气体压力得到提高，在扩压器中将动能转变为压能，从而实现气体压力的提高。目前，离心式压缩机已成为化工生产中压缩和输送气体的关键设备。随着气体动力学及关键技术的不断研究，离心式压缩机的效率不断提高，应用范围大为扩展。有些工业用高压离心式压缩机的压力达15～35MPa。离心式压缩机在压缩过程中，气体只与叶轮接触，因此可以实现绝对无油的压缩过程。
螺杆式压缩机系容积式压缩机，是依靠容积的变化来实现的，但其转子在机壳内做高速旋转运动又与离心式压缩机相同。因此，螺杆式压缩机同时具有往复式压缩机和离心式压缩机的优点[4]：①可靠性高，零部件少，运转可靠度高；②转速高；③适应性强，其排气量几乎不受排气压力影响，在较宽范围内能保持较高的效率；④动力平衡性好，没有不平衡惯性力，可实现无基础运转，体积小，重量轻；⑤调节方式多样，可在多方面适应工况的要求，如采用变转速调节、吸气节流调节、旁通调节等；⑥操作维修方便；⑦无喘振、临界转速等限制。螺杆式压缩机也有一些缺点：①造价高，转子、机壳加工复杂，精度要求高；⑦不能用于高压和小流量场合，排气压力一般不能超过4．5 MPa，只有流量大于0．
离心式压缩机的优点：①流量大，结构简单紧凑，重量轻，机组尺寸小，占地面积小；②运转平衡，操作可靠，运转率高，摩擦件少，因而备件需用量少，维护费用低及维护人员少；③在化工流程中，离心式压缩机对化工介质可以实现绝对无油的压缩过程；④离心式压缩机是回转运动的机器，适宜采用工业汽轮机或燃气轮机直接联动。对一般大型化工厂，常用副产蒸汽驱动工业汽轮机作为离心式压缩机的动力，为热能综合利用提供了可能。离心式压缩机的缺点：①适用性受限，目前还不适用于流量太小及压比过高的场合；②稳定工况区较窄，其流量调节虽较方便，但经济性较差；③效率偏低，其效率一般较螺杆式压缩机低。
综上分析，由于离心式压缩机与螺杆式压缩机的构造和工作原理不同，其性能在不同的工程应用上也有较大差别。应根据实际工程的特点，综合考虑初投资额、日常维护费用、运行模式及其对机组寿命的影响以及对出气品质的要求等来选择空气压缩机的类型、型号和组合方案。
3 工程实例
3．1 工程概况
杭州卷烟厂所需的压缩空气总用气量为176 m3／min，其中127 m3／min用于卷烟工艺生产，49 m3／min用于吹扫。卷烟工艺要求的压缩空气品质为：不含油，含水量至少为CLASS 4级，可允许残留灰尘为CLASS l级，压力为0．7 MPa。
根据上述要求，可综合选用喷油螺杆式空气压缩机、无油螺杆式空气压缩机、离心式空气压缩机。参考厂家的样本资料，备选空气压缩机的性能参数见表l。
3．2 3种机组组合方案
参照杭州卷烟厂原来的工艺运行状况和压缩窄气设备的维护保养习惯，运行模式考虑正常时间设2台空气压缩机作为备机，以应对l台主机大修时，另1台主机也出现故障的情况。考虑到最大生产用气量为127 m3／min和卷烟工艺设备的用气品质要求，针对表1中的3种空气压缩机，作出了3种机组组合方案。
方案l：6台喷油螺杆式空气压缩机，其中2台备用，并配置HF5级精密油过滤器。生产时间轮流开启3台，吹扫时间启动第4台。年生产运行时间为4 800 h。生产时间用气量为l27 m3／min。
方案2：6台无油螺杆式空气压缩机，其中2台备用。生产时间轮流开启3台，吹扫时间启动第4台。年生产运行时间为4 800 h，生产时间用气量为127 m3／min。
方案3：2台离心式空气压缩机和3台无油螺杆式空气压缩机。生产时间开机组合模式为l台离心式和l台无油螺杆式并联运行，出气比例为2：1，吹扫时启动第2台无油螺杆式空气压缩机。年生产运行时间为4 800 h，生产时间用气量为127 m3／min。
3．3机组组合方案的费用计算
通过综合考虑年总运行费用、年运行电费、年维护费、年折旧费，来综合分析以上3种方案的经济性和适用性。年总运行费用、年运行电费、年维护费、年折旧费的计算公式分别见式(1)～(4)。由于吹扫对空气品质和压力的要求均不高，且持续时间很短，因此在年运行电费计算中忽略了吹扫用电费用。
每台喷油螺杆式空气压缩机每年更换空气过滤器和冷却液的费用为4×104元/(台·a)，HF5级精密油过滤器每8 000 h(约
根据式(1)～(4)得出3种方案的年运行电费、年维护费、年折旧费和年总运行费用，见表2。
3．4机组组合方案的对比分析
合理的空气压缩机组合方案能够在保障生产工艺所需出气品质的基础上，经济性达到最优，同时考虑到保障工厂的持续生产，所选方案应保证机组运行稳定、检修方便、检修量少。
方案l在年运行电费、年维护费和初投资额方面都足最优的，但是方案1采用6台喷油螺杆式空气压缩机和HF5级精密油过滤器才可以满足要求，而且喷油螺杆式空气压缩机本身的出气品质不高，需靠后处理来达到要求的出气品质，其对后处理设备的要求较高，后处理设备更换较频繁。若后处理出现问题，生产上将存在很大风险。
方案2的出气品质是3种方案中最高的，因此方案2是目前卷烟厂生产中使用最为普遍的方案。但是其年运行电费、年维护费和初投资额在这3种方案中均为最高，而且该方案空气压缩机组的效率将随着运行时间的延长而降低，3～5 a后效率可下降约l5％，因此此方案的维护费较高。
方案3的年运行电费、年维护费和初投资额比方案l多，但平时对离心式空气压缩机与无油螺杆式空气压缩机的维护量较方案1少，同时方案3也避免了方案1对出气品质的担忧。方案3较方案2经济性好，年总运行费用比方案2节省了约36×104元／a，而且方案3也可以满足工艺对出气品质的要求。
综合分析得知，方案3为最佳方案。方案3联合使用离心式空气压缩机和无油螺杆式空气压缩机，结合了两种空气压缩机稳定可靠、出气品质高的优点。在扩大了机组出气量的同时减少了主机数量，从理论上实现了主机容量的大小配置，有利于节能。高负荷状况下以离心式空气压缩机为主，无油螺杆式空气压缩机为辅，在提高了效率的同时，也降低了维护费用。
4 结论
①合理选择空气压缩机的配置方案可以在满足生产工艺要求的基础上降低年总运行费用，提高工业生产的经济性。
②离心式空气压缩机和无油螺杆式空气压缩机联合运行方案具有运行稳定、效率高、出气品质高、维修量少等优点，是工程设计和技术改造中推荐参考的方案。
参考文献：
[1] 蔡茂林．压缩空气系统的能耗现状及节能潜力[J]．中国没备工程，2009(7)：42-44．
[2] 李莉．提高工业压缩空气系统能效途径的探讨[J]．能源技术与管理，2007(3)：87-89．
[3] 潘玉宝．双螺杆式压缩机故障诊断机理研究与应用(硕士学位论文)[D]．大连：大连理上大学，2005：2-7．
[4] 邢子文．螺杆式压缩机理论、设计及应用[M]．北京：机械工业出版社，2000：4-10．
[5] 付祥钊．流体输配管网[M]．北京：中国建筑工业出版社，2001：132-137．
本文作者：王荣文 张振国 王新峰 邵征宇
作者单位：浙江中烟工业有限责任公司杭州卷烟厂 重庆大学城市建设与环境工程学院
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