基于負(fù)荷變化的空氣壓縮系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化

付楊　李志斌

摘 要：針對(duì)空氣壓縮系統(tǒng)能耗過大問題，基于分析空氣壓縮機(jī)、冷凍式干燥機(jī)、過濾器和輸氣管網(wǎng)特性的基礎(chǔ)上，以某電廠的一套空氣壓縮系統(tǒng)為例，分析了負(fù)荷變化時(shí)引起的系統(tǒng)壓力降改變導(dǎo)致的末端供氣壓力過高造成的能量浪費(fèi)現(xiàn)象。提出在用氣負(fù)荷變化時(shí)可以依照本文提出的系統(tǒng)模型進(jìn)行定量計(jì)算，通過分析計(jì)算得到空氣壓縮機(jī)排氣壓力可以降低的理論值，從而得出當(dāng)負(fù)荷降低到30%時(shí)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)6.678%的節(jié)能效果，對(duì)提高相關(guān)企業(yè)工廠的經(jīng)濟(jì)效益具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：空氣壓縮系統(tǒng)；節(jié)能優(yōu)化；變負(fù)荷；節(jié)能率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.045

0 前言

空氣壓縮系統(tǒng)因其元器件造價(jià)低廉、系統(tǒng)易維護(hù)等特點(diǎn)，從20世紀(jì)70年代開始在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用漸漸擴(kuò)大。本文對(duì)空氣壓縮系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化的研究主要涉及到四個(gè)部分，空氣壓縮機(jī)、冷凍式干燥機(jī)、過濾器、輸氣管網(wǎng)。其中空氣壓縮機(jī)和冷凍式干燥機(jī)是耗能設(shè)備，而過濾器和輸氣管網(wǎng)本身并不耗能，但是由于其本身特性當(dāng)壓縮空氣經(jīng)過時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的壓力降。由于壓力降的原因，末端壓縮空氣壓力始終會(huì)低于空氣壓縮機(jī)的排氣壓力，當(dāng)末端壓力無(wú)法滿足用戶需求時(shí)，就需要空氣壓縮機(jī)提供更高的排氣壓力，由空氣壓縮機(jī)的特性可以知道提高排氣壓力會(huì)增加空氣壓縮機(jī)的能耗。相反當(dāng)末端壓縮空氣壓力超過用戶的使用壓力時(shí)，多出的壓力就會(huì)浪費(fèi)掉，從而浪費(fèi)大量的能量。如果降低空氣壓縮機(jī)的排氣壓力的同時(shí)可以滿足用戶的需求就會(huì)節(jié)約大量的能量?？諝鈮嚎s系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或設(shè)備選型一般都遵循最大負(fù)荷條件（即100%負(fù)荷）原則，但是實(shí)際使用中，通常都不會(huì)滿負(fù)荷運(yùn)行的[1]，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，不僅需要空壓機(jī)功率與之匹配而且會(huì)引起過濾器和輸氣管網(wǎng)的壓力降變化。本文通過建立空氣壓縮系統(tǒng)模型，把壓縮空氣的流量當(dāng)作系統(tǒng)負(fù)荷，研究負(fù)荷變化對(duì)空氣壓縮機(jī)功率的直接影響，以及基于負(fù)荷變化引起的壓力變化對(duì)空氣壓縮機(jī)功率的間接影響。通過分析負(fù)荷變化對(duì)空氣壓縮機(jī)的影響，可以得到在不同的負(fù)荷下系統(tǒng)的節(jié)能率和節(jié)能量。

1 空氣壓縮系統(tǒng)的構(gòu)成

本文研究的空氣壓縮系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、冷凍式干燥機(jī)、過濾器、輸氣管網(wǎng)組成，如圖1所示。

其中空氣壓縮機(jī)和干燥機(jī)是耗能設(shè)備，過濾器和輸氣管網(wǎng)由于其本身特性當(dāng)壓縮空氣通過時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的壓力降。空氣壓縮系統(tǒng)中壓縮機(jī)的耗電量約占總耗電量的96%，冷干機(jī)等空氣凈化設(shè)備約占總耗電量的3%，電磁閥等控制元器件占總耗電量不足1%[2]。

2 空氣壓縮機(jī)的特性[3]

本文選用的空氣壓縮機(jī)為小型兩級(jí)活塞式空氣壓縮機(jī)，額定排氣流量為10m3/min，額定排氣壓力為700kpa，其中空氣壓縮機(jī)的功率P空可由下式確定：

（1）

式中，n為中間冷卻器個(gè)數(shù)，k為等墑指數(shù)，pa為大氣的絕對(duì)壓力，pc為空壓機(jī)的排氣壓力，kpa；qc為空壓機(jī)的吸氣流量，m3/min（ANR）；其中空氣壓縮機(jī)的排氣壓力pc可由下式確定：

pc=p末端+∑Δp （2）

式中p末端為末端氣動(dòng)執(zhí)行元件最高用氣壓力，∑Δp 為空氣壓縮系統(tǒng)總壓力降，∑Δp 可由下式確定：

∑Δp =Δp過濾器+Δp管網(wǎng) （3）

式中Δp過濾器、Δp管網(wǎng)分別為過濾器壓力降和輸氣管網(wǎng)壓力降。

3 冷凍式干燥機(jī)的特性分析

冷凍式干燥機(jī)通常由制冷壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、預(yù)冷器等設(shè)備及部件組成，壓縮空氣的熱力變化在h-d圖上的變化如圖2所示。因?yàn)閺腃至D狀態(tài)為顯熱過程，雖然相對(duì)濕度變小，但是含濕量未變化，所以C狀態(tài)到D狀態(tài)為等濕加熱過程即dC=dD[4]。

當(dāng)壓縮空氣流經(jīng)冷干機(jī)各設(shè)備及部件時(shí)產(chǎn)生的壓力降對(duì)于整個(gè)空氣壓縮系統(tǒng)而言很小，可以忽略不計(jì)。但是制冷壓縮機(jī)和冷凝器中的冷凝風(fēng)扇作為耗能設(shè)備在工作時(shí)會(huì)耗電，冷凝風(fēng)扇的輸入功率P風(fēng)扇通過計(jì)算其取值大概為0.3～0.5kw，本文取0.5kw[5]，制冷壓縮機(jī)的輸入功率P冷壓（kw）可由下式確定：

（4）

式中q空為壓縮空氣的體積流量，ρ=1.293kg/m3；機(jī)械效率η1一般為 0.75-0.85，電動(dòng)機(jī)效率η2一般為0.65-0.85，h1、h4分別為R22制冷劑蒸發(fā)溫度為0℃時(shí)對(duì)應(yīng)的蒸汽狀態(tài)焓值和冷凝溫度為30℃時(shí)對(duì)應(yīng)的液體狀態(tài)焓值，hB、hC分別對(duì)應(yīng)圖中A、B點(diǎn)的狀態(tài)焓值。

冷干機(jī)的輸入功率P冷干可由下式求得：

P冷干=P風(fēng)扇+P冷壓 （5）

4 過濾器的流量特性分析

不同型號(hào)的空氣過濾器有不同的流量特性，其流量特性由廠家提供，本文選用的是494系列中494.49壓縮空氣過濾器其最大工作壓力為1.0MPa[6]。對(duì)廠家提供的流量特性曲線進(jìn)行擬合。通過比較二次多項(xiàng)式表現(xiàn)較好，所以選用二次多項(xiàng)式，Δp過濾1、Δp過濾2、Δp過濾3分別為進(jìn)氣壓力為0.3MPa、0.5MPa、0.7Mpa時(shí)的壓力降，分別用（6）、（7）、（8）式表示：

（6）

（7）

（8）

5 管路壓力損失模型[7]

壓縮空氣在管路中傳輸時(shí)，由于氣體流經(jīng)閥門、接頭、冷卻器等元件是會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)阻力，管路的中阻力Δp管網(wǎng)由沿程阻力和局部阻力組成。本文針對(duì)特定的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行建模，其中沿程阻力Δp沿程可由下式求得：

（9）

式中λf為沿程壓力損失系數(shù)，無(wú)因次量；L為管路長(zhǎng)度，m；d為管路內(nèi)徑，m；ρ平均為壓縮空氣平均密度；m為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的質(zhì)量流量。當(dāng)雷諾數(shù)Re在105—108之間時(shí)，λf僅與管道內(nèi)壁的粗糙度有關(guān)，而與Re無(wú)關(guān)，通過計(jì)算Re剛好在這個(gè)范圍內(nèi)。

當(dāng)氣流經(jīng)過彎頭、三通、變徑管、閥門等構(gòu)建時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生急劇改變時(shí)造成的壓力損失為局部損失，局部損失Δp局部可由下式求得[8]：

（10）

式中ξ為局部結(jié)構(gòu)形式相關(guān)系數(shù)，G為空氣質(zhì)量流量。

6 基于負(fù)荷變化空氣壓縮機(jī)節(jié)能優(yōu)化

空氣流動(dòng)時(shí)，空氣流束所含的有效能表現(xiàn)為動(dòng)力形式，稱之為氣動(dòng)功率。由氣動(dòng)功率的概念，使用壓縮空氣的能耗可以表示為：；式中t為使用壓縮空氣的時(shí)間，由此可以看出，只要降低流量q空、壓力pc、時(shí)間t中的任何一個(gè)值，都可以降低壓縮空氣的能耗[9]。本文主要研究當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷變化時(shí)引起供氣壓力的改變，從而通過降低排氣壓力達(dá)到節(jié)能的目的。

某空氣壓縮機(jī)廠生產(chǎn)的小型活塞式空氣壓縮機(jī)100%負(fù)荷時(shí)排氣壓力為0.7MPa，排氣流量為10m3/min，空壓機(jī)功率為53.7488kw，利用已建立的模型求出冷干機(jī)功率為0.83W，過濾器和管網(wǎng)的壓力降之和為84.77kpa，最終用氣壓力為615.23kpa，而用戶端需求壓力設(shè)為611kpa。規(guī)定0.5kpa≤p末端1-p末端2≤5kpa時(shí)系統(tǒng)是節(jié)能的，其中p末端1為系統(tǒng)末端供氣壓力，p末端2為末端用戶需求壓力。當(dāng)負(fù)荷改變時(shí)，利用已經(jīng)建立的系統(tǒng)模型并依照0.5kpa≤p末端1-p末端2≤5kpa原則對(duì)空氣壓縮機(jī)排氣壓力和功率進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化前不同負(fù)荷下空壓機(jī)的功率及末端供氣壓力如表1所示。

表2中P`空、P`冷干、Δp`過濾、Δp`管網(wǎng)、p`末端1分別為對(duì)應(yīng)表一中優(yōu)化后的參數(shù)，p`c為優(yōu)化后的空壓機(jī)排氣壓力，Δpc為空壓機(jī)排氣壓力優(yōu)化量，ΔP空空壓機(jī)功率優(yōu)化量，θ優(yōu)化后空壓機(jī)的節(jié)能率，優(yōu)化后空壓機(jī)的功率和排氣壓力等參數(shù)如表2所示。

本文選取表2所示參數(shù)進(jìn)行研究，由圖3可以看出隨著負(fù)荷的降低空氣壓縮機(jī)節(jié)能率增大，當(dāng)負(fù)荷降低到30%可以取得6.678%的節(jié)能效果。

某工廠有10臺(tái)此類的空氣壓縮機(jī)，一年工作300天、白天在負(fù)荷80%狀態(tài)下工作12小時(shí)，夜間在50%負(fù)荷下工作8小時(shí)，采用此優(yōu)化方法每年可以節(jié)約76292kw·h電量，如果當(dāng)?shù)氐碾娰M(fèi)為0.6元/kw·h，每年可以省45777.6元錢。

7 結(jié)論

對(duì)比表1和表2，當(dāng)系統(tǒng)壓力降低時(shí)，冷干機(jī)的功率增大了，可以看出負(fù)荷降低時(shí)冷干機(jī)并沒有節(jié)能的空間，并且相比空氣壓縮機(jī)冷干機(jī)的耗能很少，所以空壓機(jī)才是重點(diǎn)的節(jié)能對(duì)象。

對(duì)于可變頻空氣壓縮機(jī)當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷降低時(shí)通過變頻等手段改變空壓機(jī)的排氣壓力以可適應(yīng)系統(tǒng)壓力變化可以節(jié)約大量的能量，當(dāng)負(fù)荷越低時(shí)節(jié)能率越高，節(jié)能效果越明顯。對(duì)于定頻系統(tǒng)可以增加儲(chǔ)氣罐，使壓縮空氣壓力波動(dòng)穩(wěn)定的同時(shí)減少空氣壓縮機(jī)的工作時(shí)間，從而達(dá)到節(jié)能效果。本文提出的研究方法同樣適用于其他空氣壓縮系統(tǒng)系統(tǒng)，只是不同的空氣壓縮系統(tǒng)具體的設(shè)備特性會(huì)發(fā)生一定的變化，只需針對(duì)不同的設(shè)備對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的改變。

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作者簡(jiǎn)介：付楊（1989-），男，安徽宿州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置，節(jié)能技術(shù)。