工業(yè)廠房壓縮空氣站的節(jié)能設(shè)計思路探索

李平

摘? 要：在工業(yè)廠房中，壓縮空氣站作為能耗大戶，具有較強的節(jié)能潛力，為了積極響應(yīng)國家節(jié)能減排目標(biāo)，本文主要以工業(yè)類廠房壓縮空氣站作為研究對象，從設(shè)備選型、空氣壓縮機余熱回收及再利用設(shè)計等方面入手，具體分析了如何進行節(jié)能，希望能夠為工業(yè)廠房壓縮空氣站的節(jié)能設(shè)計提供有價值的參考，有效實現(xiàn)節(jié)能減排，推動工業(yè)廠房綠色發(fā)展。

關(guān)鍵詞：空氣壓縮機;壓縮空氣站設(shè)計;空壓機余熱;公用系統(tǒng)節(jié)能

引言：

工業(yè)廠房中的壓縮空氣站，耗電量巨大，在各類工業(yè)廠房建設(shè)中占比非常大。從國內(nèi)工程機械、汽摩、電子、食品、化工等行業(yè)工廠看，針對壓縮空氣站采取的節(jié)能設(shè)計非常少，即便是部分工廠采取了節(jié)能措施，也僅僅是停留在表面，未能充分結(jié)合工業(yè)廠房實際情況和需求進行合理設(shè)計。究其原因，主要是因為傳統(tǒng)設(shè)計中缺乏對壓縮空氣站節(jié)能設(shè)計的全面描述，與此同時，多數(shù)工作人員也沒有充分認識到壓縮空氣站節(jié)能設(shè)計技術(shù)可行性，缺乏對其可觀經(jīng)濟效益的綜合考量。針對此，本文深入分析，探討出行之有效的壓縮空氣站節(jié)能設(shè)計思路。

一、設(shè)備選型

壓縮空氣站內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)備，涉及到了空壓機及后處理設(shè)備?？諌簷C不同，對應(yīng)的排氣溫度以及含油量存在較大差異性，同時，后處理工藝也不盡相同。而空壓機、干燥器作為壓縮空氣系統(tǒng)核心設(shè)備，優(yōu)化設(shè)備選型，能夠進一步提升整個系統(tǒng)節(jié)能減排效果。

（一）空壓機選型

在主流空壓機中，涉及到了噴油螺桿空壓機、離心式空壓機。如圖1、2所示。一般壓縮空氣系統(tǒng)主要以主流的噴油螺桿空壓機為主，而離心式空壓機的應(yīng)用，通常只有系統(tǒng)流量提出明確要求，單臺空壓機排氣量超過100 m3/min時才會選擇?，F(xiàn)階段，很多用戶都更加傾向于無油螺桿機，主要是因為多數(shù)人誤認為無油螺桿機不噴油，所以后處理設(shè)備需要配置不同的高效除油器，試圖通過此降低企業(yè)設(shè)備運營成本，但事實并非如此，因為無油螺桿機并沒有實現(xiàn)對冷卻液的冷卻、密封，所以會直接影響到單級壓縮比，使其降低，進而導(dǎo)致排氣溫度不穩(wěn)定，致使內(nèi)泄漏系數(shù)增大，縮短設(shè)備壽命，因此，在食品處理、軍工、極寒等特殊條件下才較為適用。此外，若是用戶對含油量提出特殊要求，則在排氣量合適情況下可以考慮選擇離心式空壓機。

（二）干燥器選型

目前，主流干燥器主要包含了兩種，即冷凍式干燥器、吸附式干燥器。其中冷凍式干燥器主要以熱交換器為載體，而后在制冷技術(shù)的作用下，實現(xiàn)對壓縮空氣強制制冷，使得露點溫度達到3-10℃，此條件下排出的為飽和壓縮空氣;相比之下，吸附式干燥器主要工作原理是變壓吸附，在干燥劑作用下，將壓縮空氣內(nèi)的水分進行有效吸附，并采取降低壓力的方式將排干燥劑內(nèi)水分有效排除，進而達到低于0℃的露點溫度[1]。進一步劃分吸附式干燥器，可以分為內(nèi)熱吸附、無熱吸附、外熱吸附等多種。對于干燥器的選型，需要結(jié)合用戶對壓縮空氣品質(zhì)的要求而定，事實上，對于設(shè)備所需的壓縮空氣流量及品質(zhì)，即便是設(shè)備方也很難準(zhǔn)確掌握，所以對壓縮空氣提出過高品質(zhì)要求，會導(dǎo)致很難把握好壓縮空氣流量要求，在選型過程中只參考設(shè)備方提出的壓縮空氣要求缺乏足夠的科學(xué)性。

（三）過濾器選型

在空氣壓縮站中，還包含了其他凈化設(shè)備，過濾器可以按照精度要求劃分為不同等級。對比干燥器選型，二者存在一些相似性，由于過度凈化會增加系統(tǒng)壓力損耗，耗費大量的元件，從而增加企業(yè)生產(chǎn)運行成本。實際上，以往凈化系統(tǒng)中2級品質(zhì)及以下的凈化設(shè)備，一般都配置在壓縮空氣站內(nèi)，所以不管是否達到用戶點后品質(zhì)是否能夠如一，弱化管道輸送中的污染物，都無法完全達到設(shè)計目的。按照新國標(biāo)要求，明確提出2級以上的供氣，應(yīng)當(dāng)在用戶點之前設(shè)置精密過濾器，做好基礎(chǔ)保障。

二、空氣壓縮機余熱回收回用設(shè)計

（一）熱回收能力

現(xiàn)階段，噴油螺桿式空氣壓縮機較為常見，在應(yīng)用過程中，風(fēng)冷、水冷的產(chǎn)生，對應(yīng)機組產(chǎn)生的廢熱最終都會進入大氣，這樣不僅資源浪費，同時，也會直接污染環(huán)境，因此，可以根據(jù)此情況采取有效措施進行節(jié)能。

根據(jù)噴油螺桿式空氣壓縮機數(shù)據(jù)分析可知，空壓機在消耗電能過程中，按照100W電能，其消耗形式主要表現(xiàn)為：1、其中75%的電能會向熱能轉(zhuǎn)化，而后依托冷卻油，借助冷卻器通過冷卻消耗;2、還有10%的電能在轉(zhuǎn)化為熱能后，一種會發(fā)生輻射，另一種會通過不可控的壓縮內(nèi)耗損;3、當(dāng)中10%的電能在轉(zhuǎn)化為熱能后，會借助壓縮空氣在冷卻器作用下，完成冷卻后消耗;4、當(dāng)中還有5%的電能會向電機熱轉(zhuǎn)化，最終損失耗盡。

從100W電能損耗情況看，噴油螺桿式空氣壓縮機約75%的能源主要耗費在冷卻油循環(huán)中，如果能夠?qū)⒋瞬糠譄崂醚h(huán)熱水形式進行回收再利用，能夠?qū)崿F(xiàn)對空壓機余熱的回收。從目前市場常見空壓機熱回收設(shè)備看，將回收能力折合成空壓機軸功率，一般在40%-50%[2]。分析空壓機熱回收設(shè)備，其作用原理就是換熱器，其中冷卻油是換熱器的一次側(cè)熱源，空壓機出口油溫80-90℃，循環(huán)熱水是二次側(cè)熱源，并且循環(huán)水最高溫度可達60℃。

（二）確定合適的用戶

保證空壓機具備一定熱回收能力后，需要進一步明確熱水用戶，目的在于促使回收的空壓機余熱可以充分應(yīng)用于有熱源需求的用戶，從而保證整個系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，這種情況下的系統(tǒng)可以達到最優(yōu)節(jié)能狀態(tài)。下文主要以某工廠為例，通過分析公用系統(tǒng)熱回收用戶，簡單介紹其特點，僅供參考。

1、浴室生活熱水系統(tǒng)

浴室生活熱水系統(tǒng)的應(yīng)用最大優(yōu)點就是沒有高水溫要求，一般情況下，40℃水溫便可滿足工廠日常職工用水需求，但缺點也較為明顯，因此是集中供應(yīng)，所以，廠區(qū)職工只能在下班后1小時內(nèi)使用。因此，為了更好的將空壓機余熱回收利用到生活熱水中，在設(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮這一點，從浴室淋浴頭個數(shù)入手，按照滿足一定容積的蓄熱水箱進行設(shè)計。與此同時，還需要設(shè)計好合理水溫自動控制功能，若是生活熱水消耗小時，水溫會逐漸升高，并且循環(huán)生活熱水無法冷卻空壓機冷卻油，會造成空壓機冷卻油溫急劇升高，導(dǎo)致空壓機運行受嚴(yán)重影響，此時需要及時切換主空壓機本身風(fēng)冷或者水冷系統(tǒng)。當(dāng)中冷卻系統(tǒng)切換的信號，主要就是來自冷卻油系統(tǒng)溫度信號，因此，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)在設(shè)計時，明確要求設(shè)備廠家按照此要求生產(chǎn)。此外，設(shè)計人員還需要做好前期思考，即保證浴室和空壓站余熱回收系統(tǒng)位置不能過遠，應(yīng)當(dāng)盡量靠近，避免距離過遠損失熱能。

2、工業(yè)氣站氣化系統(tǒng)

從一般規(guī)模焊接工段工廠看，絕大部分都會設(shè)置集中氣體站，主要就是滿足焊接用混合氣供應(yīng)需求。在混合氣內(nèi)，包含了二氧化碳和氬氣，二者按照一定比例混合，從兩種氣體性質(zhì)看，主要是以低溫高壓的液態(tài)形式儲存在真空絕熱貯槽而后在空溫氣化器、強制加熱裝置作用下，實現(xiàn)氣化最終為車間供應(yīng)。液態(tài)二氧化碳本身沸點非常低，并且在氣化過程中會吸收大量的熱，如果只是運用空溫氣化器并不能達到要求，特別是我國北方地區(qū)的冬季，天氣非常寒冷，需要增設(shè)強制加熱氣化器[3]。在實際操作過程中，可以運用電加熱水浴式氣化器，其缺點就是能耗較大。若在條件允許下，可以引入空壓機余熱回收循環(huán)熱水，這樣可以節(jié)省這部分電能，并且氣化器運行更加穩(wěn)定，可以最大限度上保證和空壓站運行時間同步。

3、辦公用房中央空調(diào)系統(tǒng)

辦公用房中央空調(diào)系統(tǒng)的實現(xiàn)，一次側(cè)熱源可以利用空壓機余熱回收熱水，二次側(cè)冬季采暖熱源主要是空調(diào)水系統(tǒng)，利用空壓機余熱回收再利用，滿足建筑物冬季采暖需求。由于這兩種水系統(tǒng)處于完全獨立狀態(tài)，若想實現(xiàn)熱量交換，需要依靠換熱器實現(xiàn)。如果冬季環(huán)境溫度超出0℃，可以使得室溫達到20℃左右，為工廠辦公用房提供良好采暖。在此采暖系統(tǒng)作用下，可以很好的節(jié)省鍋爐房循環(huán)熱水系統(tǒng)天然氣的消耗，或者利用VRV多聯(lián)機系統(tǒng)引發(fā)的大量電耗，能夠獲得較為明顯的經(jīng)濟效益。

綜合來看，空壓機余熱采暖系統(tǒng)的應(yīng)用，最大的優(yōu)點就是采暖季能夠保持穩(wěn)定運行狀態(tài)，不僅滿足工廠辦公用房采暖需求，同時，也能獲得良好的節(jié)能減排效果。但從該系統(tǒng)實際應(yīng)用效果看，其缺點也非常明顯，由于使用兩套換熱器回收空壓機余熱，在這一過程中會出現(xiàn)非常高的熱損耗。該系統(tǒng)雖然可以獲得一定采暖效果，但綜合采暖能力有限，只能應(yīng)用到一定規(guī)模的空氣站采暖面積，并且，只適用于冬季，若是在其他季節(jié)，還需要更換熱回收系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)更加復(fù)雜，同時也涉及到了一定維護費。

三、其他節(jié)能措施

（一）做好空氣站的通風(fēng)工作

如果空壓站室溫過高，會直接引發(fā)機組運行工況出現(xiàn)惡化，直接影響到空壓機正常運行，最終導(dǎo)致電耗上升，壽命縮短。因此，為防止出現(xiàn)這種情況，需要做好空壓站室內(nèi)通風(fēng)工作，充分利用站房自然通風(fēng)條件，也可考慮增設(shè)機械通風(fēng)裝置。

（二）引入鼓風(fēng)外加熱或壓縮熱再生型吸附式干燥器

壓縮空氣干燥器的工作原理，包括吸附式、冷凍式。根據(jù)相關(guān)檢測數(shù)據(jù)看，將干燥器折合為壓縮機耗能比例，其中冷凍式電耗大約為3%-5%，而加熱再生吸附式大約為8%-10%，而無熱、微熱再生式大約為18%。因此，在設(shè)計選型干燥器時，若是選擇冷凍式干燥器，就避免再用吸附式干燥器，若是選用吸附式干燥器，應(yīng)當(dāng)選擇有熱再生式干燥器。

（三）設(shè)計合理的壓縮空氣管路

應(yīng)當(dāng)結(jié)合用戶的最大耗量選擇適宜的管徑，同時，也要保證管路系統(tǒng)短直，保證車間管道按照首尾相通的環(huán)路布置，借此降低管路系統(tǒng)壓力損失，最終達到節(jié)能降耗的目的。

結(jié)束語：

總之，通過本文介紹的工業(yè)廠房壓縮空氣站的節(jié)能設(shè)計思路，希望能夠真正意義上將空壓機余熱回收在公用系統(tǒng)，實現(xiàn)空壓站節(jié)能設(shè)計目標(biāo)，為業(yè)內(nèi)人士提供合理參考。

參考文獻：

[1]劉睿超，優(yōu)質(zhì)本體著色玻璃與壓縮空氣站管網(wǎng)互通控制技術(shù). 浙江省，長興旗濱玻璃有限公司，2020-04-25.

[2]高應(yīng)超.離心式空氣壓縮機在燒結(jié)工程中的運用研究[J].燒結(jié)球團，2015，40（06）：8-10+39.

[3]彭恒，李紅梅.新版《壓縮空氣站設(shè)計規(guī)范》中節(jié)能、安全和環(huán)保條文分析[J].流體機械，2014，42（02）：33-36.