摘要：比較了螺桿式空氣壓縮機和離心式空氣壓縮機的工作原理、優(yōu)缺點。結合卷煙廠工程實例，對3種空氣壓縮機組合方案進行了經(jīng)濟性比較。在綜合考慮生產(chǎn)工藝對空氣品質(zhì)要求的基礎上，認為離心式空氣壓縮機和無油螺桿式空氣壓縮機聯(lián)合運行方案具有運行穩(wěn)定、效率高、出氣品質(zhì)高、維修量少等優(yōu)點，是工程設計和技術改造中推薦參考的方案。

關鍵詞：  卷煙廠；  空氣壓縮機；  螺桿式空氣壓縮機；  離心式空氣壓縮機；  聯(lián)合運行

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)領域應用廣泛的動力源，空氣壓縮機的能耗在工業(yè)生產(chǎn)中占總能耗的l0％～35％^[1]，我國工業(yè)壓縮機每年的耗電量占全國總耗電量的6％以上^[2]。因此，合理選擇空氣壓縮機組及確定其運行方案對節(jié)能減排具有重要意義。

空氣壓縮機在卷煙廠中有兩種作用：一是工藝設備的動力源，二是負責吹掃。卷煙工藝設備對壓縮空氣的品質(zhì)要求越來越高，因此空氣壓縮機組配置方案應綜合考慮生產(chǎn)工藝對空氣品質(zhì)的要求。立足于浙江中煙工業(yè)有限責任公司(簡稱浙江中煙)“十一五”易地技改項目(即原杭州卷煙廠總體搬遷項目)，同時以創(chuàng)“國內(nèi)領先、國際一流”卷煙生產(chǎn)基地為目標，對搬遷后的杭州卷煙廠生產(chǎn)廠房中空氣壓縮機的配置方案進行探討。

2 螺桿式壓縮機與離心式壓縮機的比較

螺桿式壓縮機^[3-4]屬于回轉式壓縮機，工作循環(huán)分為吸氣、壓縮和排氣3個過程。其由一對相互嚙合的陰陽螺桿轉子，在機殼內(nèi)按一定傳動比以相反方向轉動，通過工作容積縮小進行氣體壓縮。螺桿式壓縮機有多種分類方法：按運行方式不同，分為無油壓縮機和噴油壓縮機；按被壓縮的氣體種類和用途不同，分為空氣壓縮機、制冷壓縮機和工藝壓縮機；按結構形式不同，分為移動式和固定式、開啟式和封閉式等。

離心式壓縮機^[5]是一種葉片旋轉式壓縮機，其高速旋轉的葉輪給予氣體的離心力使氣體的速度增加，在擴壓通道中給予氣體的擴壓作用又使沿徑向流過葉輪的氣體壓力得到提高，在擴壓器中將動能轉變?yōu)閴耗?，從而實現(xiàn)氣體壓力的提高。目前，離心式壓縮機已成為化工生產(chǎn)中壓縮和輸送氣體的關鍵設備。隨著氣體動力學及關鍵技術的不斷研究，離心式壓縮機的效率不斷提高，應用范圍大為擴展。有些工業(yè)用高壓離心式壓縮機的壓力達15～35MPa。離心式壓縮機在壓縮過程中，氣體只與葉輪接觸，因此可以實現(xiàn)絕對無油的壓縮過程。

螺桿式壓縮機系容積式壓縮機，是依靠容積的變化來實現(xiàn)的，但其轉子在機殼內(nèi)做高速旋轉運動又與離心式壓縮機相同。因此，螺桿式壓縮機同時具有往復式壓縮機和離心式壓縮機的優(yōu)點^[4]：①可靠性高，零部件少，運轉可靠度高；②轉速高；③適應性強，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動力平衡性好，沒有不平衡慣性力，可實現(xiàn)無基礎運轉，體積小，重量輕；⑤調(diào)節(jié)方式多樣，可在多方面適應工況的要求，如采用變轉速調(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無喘振、臨界轉速等限制。螺桿式壓縮機也有一些缺點：①造價高，轉子、機殼加工復雜，精度要求高；⑦不能用于高壓和小流量場合，排氣壓力一般不能超過4．5 MPa，只有流量大于0．2 m³／min時，螺桿式壓縮機才具有優(yōu)越的性能。

離心式壓縮機的優(yōu)點：①流量大，結構簡單緊湊，重量輕，機組尺寸小，占地面積??；②運轉平衡，操作可靠，運轉率高，摩擦件少，因而備件需用量少，維護費用低及維護人員少；③在化工流程中，離心式壓縮機對化工介質(zhì)可以實現(xiàn)絕對無油的壓縮過程；④離心式壓縮機是回轉運動的機器，適宜采用工業(yè)汽輪機或燃氣輪機直接聯(lián)動。對一般大型化工廠，常用副產(chǎn)蒸汽驅(qū)動工業(yè)汽輪機作為離心式壓縮機的動力，為熱能綜合利用提供了可能。離心式壓縮機的缺點：①適用性受限，目前還不適用于流量太小及壓比過高的場合；②穩(wěn)定工況區(qū)較窄，其流量調(diào)節(jié)雖較方便，但經(jīng)濟性較差；③效率偏低，其效率一般較螺桿式壓縮機低。

綜上分析，由于離心式壓縮機與螺桿式壓縮機的構造和工作原理不同，其性能在不同的工程應用上也有較大差別。應根據(jù)實際工程的特點，綜合考慮初投資額、日常維護費用、運行模式及其對機組壽命的影響以及對出氣品質(zhì)的要求等來選擇空氣壓縮機的類型、型號和組合方案。

3 工程實例

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，可允許殘留灰塵為CLASS l級，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、無油螺桿式空氣壓縮機、離心式空氣壓縮機。參考廠家的樣本資料，備選空氣壓縮機的性能參數(shù)見表l。

3．2 3種機組組合方案

參照杭州卷煙廠原來的工藝運行狀況和壓縮窄氣設備的維護保養(yǎng)習慣，運行模式考慮正常時間設2臺空氣壓縮機作為備機，以應對l臺主機大修時，另1臺主機也出現(xiàn)故障的情況。考慮到最大生產(chǎn)用氣量為127 m³／min和卷煙工藝設備的用氣品質(zhì)要求，針對表1中的3種空氣壓縮機，作出了3種機組組合方案。

方案l：6臺噴油螺桿式空氣壓縮機，其中2臺備用，并配置HF5級精密油過濾器。生產(chǎn)時間輪流開啟3臺，吹掃時間啟動第4臺。年生產(chǎn)運行時間為4 800 h。生產(chǎn)時間用氣量為l27 m³／min。

方案2：6臺無油螺桿式空氣壓縮機，其中2臺備用。生產(chǎn)時間輪流開啟3臺，吹掃時間啟動第4臺。年生產(chǎn)運行時間為4 800 h，生產(chǎn)時間用氣量為127 m³／min。

方案3：2臺離心式空氣壓縮機和3臺無油螺桿式空氣壓縮機。生產(chǎn)時間開機組合模式為l臺離心式和l臺無油螺桿式并聯(lián)運行，出氣比例為2：1，吹掃時啟動第2臺無油螺桿式空氣壓縮機。年生產(chǎn)運行時間為4 800 h，生產(chǎn)時間用氣量為127 m³／min。

3．3機組組合方案的費用計算

通過綜合考慮年總運行費用、年運行電費、年維護費、年折舊費，來綜合分析以上3種方案的經(jīng)濟性和適用性。年總運行費用、年運行電費、年維護費、年折舊費的計算公式分別見式(1)～(4)。由于吹掃對空氣品質(zhì)和壓力的要求均不高，且持續(xù)時間很短，因此在年運行電費計算中忽略了吹掃用電費用。

每臺噴油螺桿式空氣壓縮機每年更換空氣過濾器和冷卻液的費用為4×10⁴元/(臺·a)，HF5級精密油過濾器每8 000 h(約2 a)更換l次濾芯，費用為4 500元／臺。每臺無油螺桿式空氣壓縮機每年更換空氣過濾器、潤滑油、油過濾器濾芯的費用為3．5×10⁴元／(臺·a)；主機在運行5～7 a內(nèi)必須更換轉子，費用為30×10⁴元／臺，按照6 a更換l次計算，則每臺主機每年更換轉子的費用為5 ×10⁴元／(臺·a)。每臺離心式空氣壓縮機每年更換潤滑油、空氣過濾器、油過濾器濾芯的費用為2．5×10⁴元／(臺·a)。

根據(jù)式(1)～(4)得出3種方案的年運行電費、年維護費、年折舊費和年總運行費用，見表2。

3．4機組組合方案的對比分析

合理的空氣壓縮機組合方案能夠在保障生產(chǎn)工藝所需出氣品質(zhì)的基礎上，經(jīng)濟性達到最優(yōu)，同時考慮到保障工廠的持續(xù)生產(chǎn)，所選方案應保證機組運行穩(wěn)定、檢修方便、檢修量少。

方案l在年運行電費、年維護費和初投資額方面都足最優(yōu)的，但是方案1采用6臺噴油螺桿式空氣壓縮機和HF5級精密油過濾器才可以滿足要求，而且噴油螺桿式空氣壓縮機本身的出氣品質(zhì)不高，需靠后處理來達到要求的出氣品質(zhì)，其對后處理設備的要求較高，后處理設備更換較頻繁。若后處理出現(xiàn)問題，生產(chǎn)上將存在很大風險。

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。但是其年運行電費、年維護費和初投資額在這3種方案中均為最高，而且該方案空氣壓縮機組的效率將隨著運行時間的延長而降低，3～5 a后效率可下降約l5％，因此此方案的維護費較高。

方案3的年運行電費、年維護費和初投資額比方案l多，但平時對離心式空氣壓縮機與無油螺桿式空氣壓縮機的維護量較方案1少，同時方案3也避免了方案1對出氣品質(zhì)的擔憂。方案3較方案2經(jīng)濟性好，年總運行費用比方案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和無油螺桿式空氣壓縮機，結合了兩種空氣壓縮機穩(wěn)定可靠、出氣品質(zhì)高的優(yōu)點。在擴大了機組出氣量的同時減少了主機數(shù)量，從理論上實現(xiàn)了主機容量的大小配置，有利于節(jié)能。高負荷狀況下以離心式空氣壓縮機為主，無油螺桿式空氣壓縮機為輔，在提高了效率的同時，也降低了維護費用。

4 結論

①合理選擇空氣壓縮機的配置方案可以在滿足生產(chǎn)工藝要求的基礎上降低年總運行費用，提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟性。

②離心式空氣壓縮機和無油螺桿式空氣壓縮機聯(lián)合運行方案具有運行穩(wěn)定、效率高、出氣品質(zhì)高、維修量少等優(yōu)點，是工程設計和技術改造中推薦參考的方案。

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本文作者：王榮文  張振國  王新峰  邵征宇

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