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生物发酵:高端无油压缩空气系统的技术战场
发表时间:2021-07-20   浏览次数:134次

压缩空气在生物发酵中发挥着至关重要的作用,这不仅体现在压缩空气的供应压力要持续稳定,而且空气的运行成本要在合理的空间。据不完全统计,压缩空气成本占发酵产品所需动力能源总成本的50%以上,由此可见,空气系统运行经济与否在一定程度上决定了发酵产品的市场竞争力。


空气成本的高低不仅取决于压缩机效率,而且与控制方式、辅机配置、管网设计及空气运行参数的设定等密切相关。

一、压缩机本体效率分析

压缩机本体效率主要取决于机组的结构型式,发酵生产所需的空气压力通常在0.30-0.40MPa(绝对压力)之间,压缩机的结构多数为单轴离心式、多轴离心式、轴流式等。单轴离心式压缩机多数选用闭式叶轮,自上世纪六七十年代,国内风机厂家主要生产这种机型,由于空气在机体内流向的周期性变化,增加了空气的流动阻力损失,机组效率相对较低,但由于该机组零部件较少,叶轮使用寿命长,目前该机型产品在部分企业仍被广泛使用。


自上世纪九十年代,国外品牌的多轴离心压缩机逐渐应用到发酵生产中,该机组由于采用性能优越的三元流半开叶轮,再加上级间空气冷却,机组运行效率较高,进入二十一世纪,随着国内压缩机技术的进步,这种多轴离心高效压缩机开始由国内制造并推向市场。


对于发酵产能较大的场所,压缩空气的需求量也较大,轴流压缩机被广泛使用,由于该机组叶片设计采用了国际上先进的三元流模化设计技术,机组的多变效率可达到90%以上,且流量、压力调整范围广,机组在变工况下仍能保持高效运行,是离心式压缩机无法比拟的。因此,要确保压缩机本体高效运行,可根据空气需求量,合理选择压缩机的类型。


对于发酵产能不大的场所,建议选用多轴离心式压缩机;而对于空气需求量较大,且负荷变化较大的场所,建议选用静叶可调的轴流压缩机。

二、空压机负载调控方式分析

由于发酵生产负荷不是一成不变的,空压机的供气量也应随生产负荷的变化而变化,空压机的负载调控方式主要有进口阀门调节、进口导叶调节、转速调节、静叶可调调节等几种。


其中压缩机进口阀门调节属于空气节流范畴,阻力损失较大,但操作简单,单轴离心压缩机一般采用这种调节方式。进口导叶调节对气流有预旋的功能,相对于蝶阀的压损较小,在不同的预旋角度下,压缩级的性能是不同的,因此,进口导叶调节是通过改变其后压缩级的性能进行压缩机的性能调节,其损失较小,目前,多轴离心压缩机均采用这种调节方式。


另外转速调节是通过增减压缩机转子的速度实现排气量的变化,调节过程中不存在阻力损失,这种调节方式经济性较好,对于电机驱动压缩机的场合,转速调节主要通过变频器控制调节;而对汽轮机拖动压缩机的场合,通过调整汽轮机的进气量实现压缩机转速的变化。对电机驱动的轴流压缩机,其负荷的调节大多采用全静叶可调机构,实现机组运行工况调节范围广,有效地避免了运行时放风操作而造成的能源损失。


综合以上,空压机的负载调控方式与机组的结构型式息息相关,对于可以采用多种调控方式的场合,尽量避免采用进口阀门调节,转速调节、进口导叶调节、静叶可调方式等,应结合压缩机的结构及驱动方式进行合理选择。


三、空压机辅机的配置原则

空压机辅机主要包括进气过滤器、空气冷却器、气水分离器等。进气过滤器的配置应按照进风阻力小、过滤效率高、易于维护维修等原则进行,当前自洁式过滤器被广泛使用。


由于进气温度升高会造成空压机的耗电上升,建议进气过滤器安装在室内或室外阴凉处,过滤器周围保持清洁,进风口设置过滤网,确保进入压缩机的空气温度、空气洁净度相对稳定,有助于空压机经济运行和安全稳定运行。


空气冷却器的设计应按照少使用冷水,多使用循环水的原则,从而达到降低总成本的目的,在空冷器设计时,换热面积要有足够的余量;另外空冷器的空气流动阻力也是影响空压机电耗的重要因素,采用合理的结构设计,尽量降低空气阻力。对于单台空冷器体积较大时,从维护方便及运行经济型考虑,也可以采用两台或多台并联的方式选配,应注意空气在并联冷却器中的合理分配,确保各空冷器空气流量均衡,避免采用多个空冷器串联,这样会增加空气的阻力,造成空压机电耗的升高。


气水分离器的设计应尽量降低空气流动阻力,目前有挡板式、旋风式、丝网除沫器等几种常见型式。气水分离器底部应设置可靠的自动疏水装置,能够实现冷凝水及时排出,避免使用截止阀常开方式排出冷凝水,这样会造成较大的空气损失。



四、空压站布局及压缩空气工艺管线的优化设计


降低空气在管道中的流动阻力,可以提高空压机的运行效率。空压站应尽量布置在空气使用点附近,避免空气长距离输送带来的压力损失。在空压机工艺管线设计中,尽量减少弯头、三通、阀门、变径等管件的数量。空压机进排气管道的管径要经过动力专业设计人员的认真核算,避免出现管径偏小,导致气体流速过大,从而增加空气的流动阻力损失。


另外,对于多台空压机并联接入一根空气主管时,应充分考虑支管与主管的接口角度,借用流体引射原理,实现支管空气顺利并入空气主管网。为减少空气的输送阻力,空气主管道管径的设计应留出一定的余量,同时尽量选择就近的路径到达空气使用点,减少输送距离。



五、空气运行参数的合理设定


由空压机的性能曲线可以看出,空压机的排气压力提高、排气量增加,则机组的轴功率增加。因此设置合理的空压机排气压力,有助于空压机的经济运行。而空压机的排气压力主要取决于空气使用点的工艺条件要求。在实际生产中,应综合比较空气压力提高对耗电和发酵产品效益的影响,避免盲目提高空气压力造成能源浪费。


另外,空气外供温度高低也会影响空压机的运行成本,在满足工艺要求的前提下,尽量使用循环水作为空压机的降温水,同时保持空气运行参数的稳定,避免空压机频繁开停机对系统经济性的影响。



六、压缩空气装置的运行维护


加强空气装置的日常维护,可以确保空压机处于良好运行状态,有助于空气系统的经济运行,笔者认为应重点做好以下工作:


一是对进气过滤器进行定期维护,首先保持过滤器周围地面的环境卫生(无积尘柳絮等),其次根据压缩机进口空气压力,及时更换过滤器滤芯,另外,需做好过滤器进风口滤网灰尘的清扫。


二是对空压机级间冷却器进行定期清洗,级间冷却器换热效果下降将导致进入后一级的压缩空气温度升高,影响机组的压缩效率。


三是定期对空压机末级冷却器进行清洗,可以减少高品质冷水的使用量,从而降低空气系统的运行成本。



结束语


作为动力供应部门,不仅要保证压缩空气的安全供应,而且要尽可能降低供应空气的生产成本。


空气系统的经济运行不仅取决于压缩机本体的效率,而且与空压机辅机的配置、管网设计、日常维护等也息息相关。多角度、全方面做好空压机的运行管理是实现发酵生产空气系统经济运行的基础。


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