壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題分析

宗立昌

摘要壓縮空氣是目前工業(yè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中最常用的動(dòng)力源之一。本文從系統(tǒng)形式確定、設(shè)備選型和管網(wǎng)設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行了分析說(shuō)明。

關(guān)鍵詞壓縮空氣系統(tǒng) 集中與分散供氣 設(shè)備選型 管網(wǎng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU81 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

引言

壓縮空氣是工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力源之一，是僅次于電力的第二大動(dòng)力能源，又是具有多種用途的工藝氣源，由于其具有安全、無(wú)公害、調(diào)節(jié)性能好、輸送方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用范圍遍及石油、化工、冶金、電力、機(jī)械、輕工、紡織、汽車制造、電子、食品、醫(yī)藥、生化、國(guó)防、科研等行業(yè)和部門。一個(gè)設(shè)計(jì)完善的壓縮空氣系統(tǒng)應(yīng)在滿足使用需求的同時(shí)兼顧節(jié)省投資和節(jié)能兩個(gè)方面。本文將從系統(tǒng)形式確定、設(shè)備選型和管網(wǎng)設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行分析說(shuō)明。

系統(tǒng)形式確定

壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題就是確定供氣方案。許多壓縮空氣系統(tǒng)出現(xiàn)投資高、運(yùn)行能耗大、供氣壓力波動(dòng)大等問(wèn)題歸根到底就是因?yàn)楣夥桨覆缓侠碓斐傻?。因此確定一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的供氣方案是設(shè)計(jì)中首先需要解決的問(wèn)題。目前設(shè)計(jì)中常用的供氣方案一般可分為以下幾種：

設(shè)集中式壓縮空氣站供氣。即建一個(gè)空壓站供應(yīng)全廠所有的壓縮空氣用戶。其優(yōu)缺點(diǎn)為：

安裝費(fèi)用低，占地面積小；

可以采用集中過(guò)濾吸入空氣，集中的機(jī)房通風(fēng)，冷卻水處理，壓縮空氣冷卻及干燥設(shè)備，對(duì)空壓機(jī)運(yùn)行的控制較方便，產(chǎn)生的噪聲也較能有效地消除；

采用較大的電機(jī)及空壓機(jī)主機(jī)，其效率較高，能耗費(fèi)用較低。同理也適用于電動(dòng)的附屬裝置如冷凍干燥機(jī)與風(fēng)機(jī)等；

經(jīng)常性的維修保養(yǎng)工作費(fèi)用較低，維護(hù)方便；

需要遠(yuǎn)距離供氣，管道配置成本較高，且管線長(zhǎng)、管道壓力損失大、需要空壓機(jī)提供較高的供氣壓力，管道漏氣部位多，維修成本高。當(dāng)廠區(qū)規(guī)模大時(shí)尤為突出；

由于是集中供氣，會(huì)采用較大的空壓機(jī)主機(jī)，當(dāng)用戶用氣情況變化幅度大時(shí)無(wú)法靈活調(diào)節(jié)空氣需求量，造成能源的浪費(fèi)。

此方案適合于耗氣量大且用氣需求穩(wěn)定的中小型工廠和用戶較為集中的大型工廠。

設(shè)置分散的區(qū)域性壓縮空氣站供氣。即根據(jù)廠區(qū)用戶的分布情況設(shè)置多個(gè)空壓站，分區(qū)域供氣。其優(yōu)缺點(diǎn)為：

空壓機(jī)供氣網(wǎng)絡(luò)小，內(nèi)部泄漏少，可減少因壓降過(guò)大或氣量不足致使空壓機(jī)提高規(guī)格帶來(lái)的能源浪費(fèi)；

可保障重點(diǎn)用戶的供氣不會(huì)受其它用戶用氣負(fù)荷變化帶來(lái)的壓力波動(dòng)影響；

無(wú)需敷設(shè)室外管道，受冷凝損害（霜凍）的機(jī)會(huì)降至最低；

可根據(jù)不同區(qū)域的用氣情況選擇空壓機(jī)規(guī)格，設(shè)置空壓機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，使用靈活，運(yùn)行成本降低；

各區(qū)域站房之間可設(shè)置管道連通，達(dá)到相互調(diào)節(jié)負(fù)荷，互為備用的目的；

需要設(shè)置多個(gè)空壓站房，土建投資增加；

需要配置多套空壓設(shè)備，初期投資較大，設(shè)備運(yùn)行管理和維護(hù)成本增加。

此方案適用于工廠規(guī)模較大，用氣車間較多，壓縮空氣用氣量大且主要用戶又較分散的項(xiàng)目。

就地供氣方案。屬于分散供氣方式的一種特殊情況，當(dāng)工廠總耗氣量不大，用戶少而分散時(shí)，可考慮采用小型空氣壓縮機(jī)組就地供氣的方案，機(jī)組可以放置在廠房一端或就近放置在用氣點(diǎn)附近。

集中與分散相結(jié)合的供氣方案。在某些大、中型工廠中其主要壓縮空氣用戶較集中，次要用戶則較分散，或者各班用氣負(fù)荷很不均衡，特別是第三班用氣很少的情況下，宜采用這種方案。

當(dāng)工廠要求供應(yīng)不同壓力的壓縮空氣，而低壓用氣量又較大時(shí)，應(yīng)考慮采用不同壓力等級(jí)的供氣系統(tǒng)，配置不同壓力的壓縮機(jī)組，以減少因減壓造成的不必要的能量損失，但為便于管理和節(jié)省投資，同一項(xiàng)目中供氣系統(tǒng)壓力等級(jí)一般不超過(guò)兩種。

當(dāng)工廠有少量用氣設(shè)備要求供應(yīng)品質(zhì)較高的壓縮空氣時(shí)，可單獨(dú)采用無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)配套相應(yīng)的干燥凈化設(shè)備的工藝系統(tǒng)供氣，也可利用集中的壓縮空氣站的帶油壓縮空氣經(jīng)除油，干燥凈化等處理后供氣，選擇時(shí)可視具體情況經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

綜上所述，壓縮空氣供應(yīng)方案的確定不能一概而論，在選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目規(guī)模、用氣點(diǎn)分布情況、供氣壓力等級(jí)以及要求供應(yīng)的壓縮空氣品質(zhì)等因素，經(jīng)過(guò)綜合考慮和技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件比較后確定，既應(yīng)滿足用戶的使用要求，又應(yīng)求得技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的先進(jìn)性和合理性，避免投資和能源的浪費(fèi)。

設(shè)備選型

在供氣方案確定之后就需要根據(jù)項(xiàng)目情況選擇空壓機(jī)及其配套的后處理設(shè)備。下面將分別介紹這些設(shè)備的選型問(wèn)題。

空壓機(jī)選型

空壓機(jī)是壓縮空氣系統(tǒng)中最主要的設(shè)備，是壓縮空氣系統(tǒng)的核心所在，因此在設(shè)計(jì)選型時(shí)要根據(jù)項(xiàng)目情況認(rèn)真比較后確定?？諌簷C(jī)選型首先要確定空壓機(jī)的類型，常用的空壓機(jī)類型有活塞式空壓機(jī)、螺桿式空壓機(jī)和離心式空壓機(jī)三種。各類型空壓機(jī)的優(yōu)、缺點(diǎn)見(jiàn)表一。

各類型空壓機(jī)的優(yōu)、缺點(diǎn)比較表一

空壓機(jī)類型的確定應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的用氣壓力，耗氣量以及對(duì)投資、運(yùn)行環(huán)境的要求等參數(shù)比較后確定。目前在國(guó)內(nèi)中、小氣量，供氣壓力小于等于1.0 MPa的項(xiàng)目中，螺桿式空壓機(jī)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)占據(jù)著主導(dǎo)地位。

確定好空壓機(jī)類型后需根據(jù)供氣壓力、供氣量、壓縮空氣品質(zhì)及冷卻方式確定空壓機(jī)的最終型號(hào)。

供氣壓力的確定

供氣壓力應(yīng)根據(jù)空壓機(jī)服務(wù)區(qū)域內(nèi)用氣設(shè)備的最高用氣壓力及管網(wǎng)和后處理設(shè)備的壓降確定。但需注意并不是供氣壓力越高越好，對(duì)于任何設(shè)備，超過(guò)壓力要求供氣意味系統(tǒng)耗氣量的增加，壓力越高，泄漏量越大，一般供氣壓力每提高0.1MPa將會(huì)使系統(tǒng)多消耗14%的壓縮空氣，造成不必要的能源浪費(fèi)。

供氣量的確定

工藝設(shè)備耗氣量一般由業(yè)主提供，在進(jìn)行空壓機(jī)選型時(shí)可以工藝設(shè)備的平均耗氣量作為計(jì)算依據(jù)，并應(yīng)考慮同時(shí)使用系數(shù)和其它修正系數(shù)。供氣量超出實(shí)際用氣量過(guò)多不但會(huì)造成空壓機(jī)選型過(guò)大，投資和運(yùn)行費(fèi)用的浪費(fèi)，還會(huì)造成空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)頻繁加、卸載，不但浪費(fèi)能源，還會(huì)造成管網(wǎng)壓力波動(dòng)，影響空壓機(jī)使用壽命，給運(yùn)行調(diào)節(jié)帶來(lái)很多不利影響。對(duì)于用氣負(fù)荷經(jīng)常波動(dòng)的系統(tǒng)宜配置至少一臺(tái)變頻空壓機(jī)，通過(guò)定頻與變頻空壓機(jī)之間的聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)運(yùn)行節(jié)能的目的。

壓縮空氣品質(zhì)確定

壓縮空氣品質(zhì)應(yīng)根據(jù)用戶性質(zhì)確定，常規(guī)用氣應(yīng)選擇有油潤(rùn)滑機(jī)型，可節(jié)省投資，但對(duì)于醫(yī)藥、食品等對(duì)壓縮空氣品質(zhì)要求較高的場(chǎng)所應(yīng)使用無(wú)油機(jī)型。另外在后處理設(shè)備采用吸附干燥機(jī)時(shí)，也宜采用無(wú)油機(jī)型，以避免油霧對(duì)吸附劑表面的污染，致使干燥劑“中毒”失效。

冷卻方式的確定。

空壓機(jī)的冷卻方式分為風(fēng)冷和水冷兩種。風(fēng)冷需要開(kāi)設(shè)較大面積的外墻進(jìn)、排風(fēng)百葉，冷卻效果受室外環(huán)境溫度影響較大，適合于小型和部分中型空壓機(jī)。水冷方式需要增加整套冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，包括冷卻塔、循環(huán)泵、水箱等，投資較高，適用于大中型空壓機(jī)，水冷的冷卻效果比較穩(wěn)定。

干燥裝置的選取

壓縮空氣干燥的工作原理雖不盡相同但是均以分離出壓縮空氣中的氣體水為目的。通常的干燥原理分為吸附干燥和冷凍干燥兩種。

空氣的吸附干燥屬于固-氣兩相傳質(zhì)過(guò)程，其過(guò)程由吸附和再生兩個(gè)階段組成，其中吸附劑的再生是實(shí)現(xiàn)空氣干燥的一個(gè)重要方面，選用的吸附劑及其再生工藝方法及效果直接影響所處理空氣的露點(diǎn)、運(yùn)行能耗和供氣持續(xù)性，因此確定合理的干燥工藝、再生方法及運(yùn)行參數(shù)是確定干燥裝置的首要條件。

空氣的冷凍干燥是利用被壓縮的濕空氣受冷媒間接冷卻，使其中的水汽冷凝并排出以達(dá)到空氣干燥的目的。為實(shí)現(xiàn)干燥過(guò)程的連續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性，一般冷媒的蒸發(fā)溫度限制在0℃以上，以避免冷凝水凍結(jié)，因此冷凍干燥的壓力露點(diǎn)下限一般控制在3℃。冷凍干燥設(shè)備因具有能耗低、體積小、工作可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單以及對(duì)氣源負(fù)載無(wú)特殊要求且具有一定除油能力的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在獲取3℃及以上壓力露點(diǎn)的氣源處理工藝中。

結(jié)合吸附干燥和冷凍干燥的不同原理，在選型時(shí)應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際用氣要求并遵循以下原則，以避免干燥過(guò)度帶來(lái)的不必要的能源浪費(fèi)。

壓力露點(diǎn)要求大于等于3℃的系統(tǒng)，通常采用冷凍干燥。反之，則采用吸附干燥；

冷凍干燥機(jī)的冷卻方式可結(jié)合空壓機(jī)的冷卻方式確定；

在選擇干燥機(jī)時(shí)應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度、進(jìn)氣溫度及進(jìn)氣壓力對(duì)干燥機(jī)的處理氣量進(jìn)行修正；

對(duì)空氣處理量大，且含濕量高的系統(tǒng)，結(jié)合用戶要求，進(jìn)行能耗、初投資等技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定是采用冷凍干燥工藝，還是采用吸附干燥工藝或冷凍、吸附干燥組合工藝；

對(duì)無(wú)熱再生、有熱再生和微熱再生吸附干燥，選擇時(shí)應(yīng)考慮空氣系統(tǒng)供需平衡情況、氣源壓力、干燥前后的含濕量等參數(shù)及用戶的要求；

吸附干燥工藝運(yùn)行壓力不宜低于0.5MPa，當(dāng)壓力過(guò)低時(shí)會(huì)導(dǎo)致再生氣量增大，從而增加電耗和運(yùn)行費(fèi)用，不經(jīng)濟(jì)。當(dāng)干燥空氣露點(diǎn)低于-60℃時(shí)，宜采用冷凍干燥與吸附干燥有機(jī)組合的工藝，以減少能量消耗且運(yùn)行管理方便；

當(dāng)采用吸附干燥工藝時(shí)，待處理壓縮空氣進(jìn)入吸附塔前應(yīng)是無(wú)油和液體水的，因此，須選用無(wú)油空壓機(jī)或在壓縮空氣進(jìn)入吸附干燥裝置前采取有效的除油、除液態(tài)水措施。

過(guò)濾裝置的選擇

壓縮空氣中的污染物比較廣泛，有固體顆粒、水分、油、微生物和有害氣體等。在壓縮空氣系統(tǒng)中若不將這些雜質(zhì)去除的話勢(shì)必會(huì)對(duì)空氣管網(wǎng)、用氣設(shè)備與最終產(chǎn)品質(zhì)量造成傷害。壓縮空氣過(guò)濾器就是為了除去除氣態(tài)水以外的其它雜質(zhì)而設(shè)置的，它的過(guò)濾機(jī)理為直接攔截、慣性碰撞和漫射運(yùn)動(dòng)。常用的過(guò)濾器根據(jù)過(guò)濾等級(jí)和性能一般分為：粗效過(guò)濾器、高效過(guò)濾器、活性碳過(guò)濾器和除塵過(guò)濾器。

過(guò)濾器的選擇應(yīng)以處理氣量和用戶對(duì)壓縮空氣的品質(zhì)要求為基準(zhǔn)，不恰當(dāng)?shù)倪x擇過(guò)濾精度過(guò)高的過(guò)濾器，或設(shè)置不必要的多級(jí)過(guò)濾，不僅會(huì)增加投入費(fèi)用，而且運(yùn)行時(shí)增加系統(tǒng)的氣流阻力，影響過(guò)濾器運(yùn)行周期和使用壽命，浪費(fèi)能源。過(guò)濾器的設(shè)置應(yīng)依據(jù)以下原則：

對(duì)一般用途的壓縮空氣僅設(shè)置粗效過(guò)濾器即可；

對(duì)要求較高的壓縮空氣系統(tǒng)需設(shè)置粗、高效兩級(jí)過(guò)濾；

對(duì)油含量有嚴(yán)格要求或?qū)馕队幸蟮南到y(tǒng)應(yīng)在兩級(jí)過(guò)濾的基礎(chǔ)上增設(shè)活性碳過(guò)濾器；

在吸附干燥機(jī)后應(yīng)設(shè)置除塵過(guò)濾器，用于除去壓縮空氣與干燥劑接觸帶出來(lái)的顆粒；

粗、高效過(guò)濾器通常分別安裝于冷干機(jī)前后或干燥機(jī)前；

選型時(shí)應(yīng)根據(jù)進(jìn)氣壓力對(duì)過(guò)濾器的處理氣量進(jìn)行修正。

儲(chǔ)氣罐的選擇

儲(chǔ)氣罐按工藝用途可分為兩類：一類是用于減弱活塞式空氣壓縮機(jī)排氣的周期性脈動(dòng)同時(shí)穩(wěn)定管道中的壓力。另一類主要用于用氣負(fù)荷調(diào)節(jié)。通?？諌赫局械膬?chǔ)氣罐容積可按總供氣量的10%選取。對(duì)于個(gè)別耗氣量大的設(shè)備和不能停氣的設(shè)備，應(yīng)在其附近單獨(dú)設(shè)置儲(chǔ)氣罐以保障用氣設(shè)備的正常運(yùn)行和減小對(duì)主供氣系統(tǒng)的沖擊。

有油壓縮空氣系統(tǒng)的儲(chǔ)氣罐需放置在室外，無(wú)油系統(tǒng)的儲(chǔ)氣罐可放在室內(nèi)。對(duì)于寒冷地區(qū)的室外壓縮空氣管道、儲(chǔ)氣罐下部和凝結(jié)水管道應(yīng)考慮保溫和伴熱，以避免凝結(jié)水凍結(jié)導(dǎo)致系統(tǒng)排水不暢。

儲(chǔ)氣罐宜設(shè)置在干燥設(shè)備之前，可以對(duì)壓縮空氣中的油、水進(jìn)行預(yù)處理，以減輕后處理設(shè)備的負(fù)擔(dān)，利于節(jié)能。

管網(wǎng)設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有壓縮空氣系統(tǒng)中最常用的管網(wǎng)形式是環(huán)狀管網(wǎng)和枝狀管網(wǎng)。枝裝管網(wǎng)主要用于壓縮空氣管道規(guī)模小，或只連接幾個(gè)特定設(shè)備，不需要大范圍預(yù)留用氣點(diǎn)的壓縮空氣系統(tǒng)，特別是就地設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)型空壓機(jī)組為特定用氣設(shè)備供氣的系統(tǒng)。環(huán)狀管網(wǎng)通常用于整個(gè)車間大范圍供氣，且需要大量預(yù)留壓縮空氣接點(diǎn)的系統(tǒng)。環(huán)狀管網(wǎng)可以有效的增加系統(tǒng)的壓縮空氣容量以減輕管網(wǎng)的壓力波動(dòng)。環(huán)狀管網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)雙向供氣，可減小主干管的尺寸，節(jié)省空間，并能提高為用氣點(diǎn)供氣的可靠性。

在管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，主干管的管徑宜比計(jì)算管徑大1～2號(hào)設(shè)計(jì)，這樣既可以增加管網(wǎng)的容氣量，也可以減小管道內(nèi)凝結(jié)水對(duì)管道供氣阻力的影響，同時(shí)可以減小整個(gè)管網(wǎng)的阻力，降低空壓機(jī)的產(chǎn)氣壓力，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行節(jié)能。

在管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，預(yù)留接口的設(shè)置數(shù)量要適度，在滿足用戶使用的前提下應(yīng)盡可能減少數(shù)量，因?yàn)槊恳粋€(gè)接口都可能成為一個(gè)泄漏點(diǎn)，接口數(shù)量越多，壓縮空氣的泄漏量就可能越大，會(huì)直接影響空壓機(jī)的開(kāi)啟時(shí)間，造成不必要的能源浪費(fèi)。壓縮空氣支管與干管的連接方式應(yīng)采用上出式，可有效減少進(jìn)入支管的水汽。

壓縮空氣管道的材質(zhì)應(yīng)根據(jù)壓縮空氣品質(zhì)確定，具體如下：

對(duì)于無(wú)干燥凈化要求的壓縮空氣系統(tǒng)可采用碳鋼管；

對(duì)于壓力露點(diǎn)低于等于10℃，高于-20℃或含塵粒徑小于等于40μm大于5μm的干燥和凈化壓縮空氣系統(tǒng)，可采用經(jīng)鈍化處理或熱鍍鋅的碳鋼管；

對(duì)于壓力露點(diǎn)低于等于-20℃，高于等于-40℃或含塵粒徑小于等于5μm，大于等于1μm的干燥和凈化壓縮空氣系統(tǒng)宜采用不銹鋼或銅管；

對(duì)于壓力露點(diǎn)低于-40℃或含塵粒徑小于1μm的干燥和凈化壓縮空氣系統(tǒng)應(yīng)采用不銹鋼或銅管。

在條件允許的情況下壓縮空氣管道應(yīng)設(shè)置坡度，并在低點(diǎn)設(shè)置自動(dòng)排水裝置，以利于管道內(nèi)凝結(jié)水的排出。

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