空壓機系統(tǒng)實際運行效率評價方法分析

劉洋博，何興靈，李曉翠，陳 艷

（紅塔煙草（集團）有限責(zé)任公司昭通卷煙廠，云南 昭通 657000）

空壓機作為卷煙廠重要設(shè)備之一，可為卷煙生產(chǎn)設(shè)備提供壓縮空氣，是卷煙生產(chǎn)的主要動力源之一，適用于卷煙機、制絲機、包裝機等設(shè)備中，為上述設(shè)備的氣動部件、工藝部件提供動力空氣，是卷煙生產(chǎn)高效、可靠運行的重要保障。

在工業(yè)生產(chǎn)階段，空壓機系統(tǒng)的耗電量在國內(nèi)總用電量中的占比達到9.41%，雖然壓縮空氣屬于清潔能源，但如果空壓機耗能嚴(yán)重，則同樣會影響節(jié)能效果。對此，應(yīng)采用多種評價方法，判斷空壓機系統(tǒng)運行效率是否滿足要求，并對影響其運行效率的因素進行有效管控，及時發(fā)覺并消除設(shè)備故障，從而減少能耗，促進系統(tǒng)能效提升。

1 空壓機系統(tǒng)的構(gòu)成要素

1）空壓機。在生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)運行中需要用到空壓機，將大氣吸入到內(nèi)部壓縮部件中，通過增壓方式產(chǎn)生大量高壓空氣，對空壓機系統(tǒng)運行效率產(chǎn)生較大影響。根據(jù)運行原理的不同，可將空壓機分為兩種類型，即容積型空壓機與動力型空壓機。應(yīng)用較為頻繁的螺桿式空壓機屬于前者，技術(shù)原理為陰陽轉(zhuǎn)子與星輪、配套機體構(gòu)成的容積變化，產(chǎn)生吸氣、壓縮、排氣的持續(xù)工作過程。在運行效率評價方面，以比功率為評價依據(jù)，如果該項指標(biāo)較低，則說明系統(tǒng)能效水平較高[1]。

2）干燥機和過濾機。該系統(tǒng)的后處理部分主要由干燥機和過濾機構(gòu)成，其作用在于剔除壓縮空氣內(nèi)的水、油等污染物。根據(jù)運行原理不同，可將干燥機分成冷凍式干燥機、吸附式干燥機兩種形式，在運行中會消耗一定量的壓縮空氣，冷凍式干燥機的消耗量為總處理量的12%~18%之間，吸附式干燥機的消耗量為總處理量的7%~10%之間，后者的消耗量低于前者，特別是在微熱再生吸附式干燥機應(yīng)用中，消耗量為最低，這是通過減少空壓機非必要做功來實現(xiàn)的。

3）壓縮空氣管路。系統(tǒng)內(nèi)各處壓縮空氣管路布置合理性以及連接點氣密性，對系統(tǒng)運行效率具有直接影響，還與壓縮空氣是否浪費息息相關(guān)。如果壓縮空氣管路布局合理，且各處連接點密封牢靠，則會有效降低壓縮空氣的浪費量，促進系統(tǒng)運行效率提升；如果出現(xiàn)壓縮空氣泄漏情況，則會降低系統(tǒng)壓力值，使企業(yè)被動提高空壓機的排氣壓力，致使設(shè)備供氣量與實際需求不相符。但是，部分企業(yè)對壓縮空氣泄漏問題的重視度不高，由此造成大量能源浪費。據(jù)調(diào)查，當(dāng)供氣壓力為0.7 MPa時，直徑為1 mm的泄氣孔每年將會損失能源6 660 kWh，在無形中造成了資金浪費。

2 空壓機運行效率的評價方法

1）機型配置合理性評價。在空壓機系統(tǒng)配置中，機型選擇對系統(tǒng)能效具有直接影響：合理的機型可幫助系統(tǒng)能效提高到最大；反之，則會影響系統(tǒng)能效發(fā)揮，無法達成預(yù)期壓縮目標(biāo)。在機型選擇時，不但要優(yōu)先選擇比功率較低、節(jié)能性較強的空壓機，還應(yīng)確保額定產(chǎn)氣量配置合理。在生產(chǎn)階段，受多種因素影響，存在許多不確定性，容易使壓縮空氣需求量發(fā)生改變。例如，某企業(yè)共配置5臺空壓機，1號為變頻型空壓機，其他均為定頻型空壓機，各臺空壓機具體的比功率參數(shù)為：1號為79 m3·min-1；2號和3號均為60 m3·min-1；4號為50 m3·min-1；5號為30 m3·min-1。在此條件下，如果需求量位于20~40 m3·min-1范圍內(nèi)，則其中某臺空壓機的運行效率便會降低。因此，最好配置1臺10 m3·min-1和2臺15 m3·min-1的空氣壓縮設(shè)備，其中1臺15 m3·min-1的空氣壓縮設(shè)備為變頻型空壓機，適用于多個供氣范圍。以螺桿空壓機為例，變頻器在永磁電動機作用下可起到強大的節(jié)能效果，與常規(guī)型號相比節(jié)能超過30%，適用于企業(yè)生產(chǎn)階段多種工況下的壓縮空氣需求[2]。

2）運行效率的綜合性評價。空壓機系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在運行效率評價中，不但要對核心設(shè)備單獨分析評價，還要進行綜合性評價。由于每個構(gòu)件對系統(tǒng)能效產(chǎn)生的影響程度不同，因此可利用權(quán)重計算法進行綜合測評，首先要明確評價內(nèi)容與標(biāo)準(zhǔn)，其次為每項內(nèi)容賦予相應(yīng)的分值和權(quán)重，最后根據(jù)得分情況對系統(tǒng)運行能力進行正確判斷，具體見表1。根據(jù)總分值情況進行綜合性評價，如果總分值超過80分，則說明系統(tǒng)能效較高；如果總分值在60~80分之間，則說明系統(tǒng)能效一般；如果總分值低于60分，則說明系統(tǒng)能效較低。

3）系統(tǒng)管理評價。通過科學(xué)高效的管理，能夠使空壓機系統(tǒng)長期穩(wěn)定、高效運行，對于大多數(shù)企業(yè)而言，空壓機比功率較低、故障較少便可稱為高能效，這種說法實則有些片面。在系統(tǒng)全生命周期運行中，初始投資費用僅為總費用的10%，后期的運行與維護投資費用占總費用的90%，這意味著系統(tǒng)運維管理效果才是系統(tǒng)能效的主要評價依據(jù)。在實際管理中，不但要定期養(yǎng)護，還要詳細記錄系統(tǒng)使用期間產(chǎn)生的耗電量、產(chǎn)氣量、管網(wǎng)壓力波動情況、泄露情況等，將其與空壓機系統(tǒng)中的氣電比進行對比分析，采用同比、環(huán)比等多種方式，探究空壓機系統(tǒng)使用中能耗發(fā)生的改變，可及時掌握能耗異常情況，進而明確系統(tǒng)能效的影響因素與成因[3]。

4）系統(tǒng)運行可靠性評價。先在空壓機上設(shè)置多個監(jiān)測點，主要設(shè)置在電機、空壓機主機上，將各點位的振動烈度與標(biāo)準(zhǔn)值進行對比，得出不同點位的線性可靠度，對于線性可靠度較低的區(qū)域，實施歸一化小波信息熵處理，并與頻譜相結(jié)合，與正常情況下同樣點位進行對比，得到空壓機的系統(tǒng)運行可靠性評價結(jié)果。本研究以振動速度信號有效值為特征，將線性可靠度與歸一化小波信息熵算法相結(jié)合，判斷系統(tǒng)運行效率是否退化。

一是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。以某車間的螺桿式空壓機為例，在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測期間，發(fā)現(xiàn)5號設(shè)備的振動較大，剩余設(shè)備均無異常。對5號空壓機的振動狀態(tài)進行現(xiàn)場監(jiān)測，利用DH5901采集儀獲取數(shù)據(jù)信息，并用MATLAB軟件進行故障診斷，在單通道下進行采樣，頻率為2 560 Hz，數(shù)據(jù)長度為4 096，靈敏度為20 mV/G。在5號空壓機上布置5個監(jiān)測點，均采用Vibration技術(shù)進行振動烈度監(jiān)測，其監(jiān)測點的位置、方向、振動烈度見表2。根據(jù)表2可知，主機監(jiān)測點的振動烈度相對較大。

表2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果

二是線性可靠度。在現(xiàn)場監(jiān)測后，得出5個監(jiān)測點的振動烈度值，為了使該項指標(biāo)擁有可靠度數(shù)值依據(jù)，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2372《設(shè)備振動標(biāo)準(zhǔn)》，對振動烈度值進行分段處理，與[0，1]可靠度范圍相對應(yīng)，共分成4種類型，具體如下。第一類：功率低于15 kW，在常規(guī)情況下，可與整機相連的發(fā)動機。第二類：功率在15~75 kW范圍內(nèi)，帶有專用尺寸的發(fā)動機與中等尺寸機器。第三類：功率超過300 kW，采用剛性連接的大型原動機。第四類：功率超過300 kW，采用柔性連接的大型原動機。

在監(jiān)測點線性可靠度指標(biāo)R（x）的分析中，如果該指標(biāo)超過0.9，則意味著振動狀況良好；如果該指標(biāo)在0.7~0.9之間，則意味著振動良好；如果該指標(biāo)在0.5~0.7之間，則意味著振動中等，但有劣化的概率，應(yīng)該密切監(jiān)測；如果該指標(biāo)低于0.5，則意味著設(shè)備正處于故障狀態(tài)，且情況危急，隨時有失效的危險，需要立即停機整修。在系統(tǒng)運行可靠性評價中，線性可靠度指標(biāo)R（x）的計算公式為

式中：x為不同監(jiān)測點的振動烈度值；x1為第一類設(shè)備的烈度值；x2為第二類設(shè)備的烈度值；x3為第三類設(shè)備的烈度值；x4為第四類設(shè)備的烈度值。評價對象的銘牌中標(biāo)記，額定功率為300 kW，屬于第三類設(shè)備，將其數(shù)值代入式（1）中，可對各監(jiān)測點的線性可靠度指標(biāo)R（x）進行計算，見表3。發(fā)現(xiàn)主機內(nèi)部存在明顯積炭情況，但陰陽轉(zhuǎn)子未有明顯的磨損，初步判斷是過濾器受損所致。在內(nèi)腔清理干凈后，整體運行噪音明顯降低，相同監(jiān)測點的振動值也有所改善。在檢修后，對3號監(jiān)測點信號進行小波包3層分解，獲取8個頻帶相對能量分布情況；與檢修前相比，發(fā)現(xiàn)相對能量匯集到第一個頻帶上，意味著空壓機系統(tǒng)此時運行狀態(tài)較為單一，見表4。經(jīng)過檢修后的信息熵值、可靠度均接近標(biāo)準(zhǔn)值，意味著空壓機系統(tǒng)此時運行狀態(tài)良好。

表3 評價對象各監(jiān)測點線性可靠度

表4 檢修前后3號監(jiān)測點指標(biāo)對比

根據(jù)表3內(nèi)容可知，該空壓機中電機位置沒有明顯的異常，但主機監(jiān)測點顯示設(shè)備運行情況為“中等，具有惡化可能，應(yīng)及時尋找振動過高的原因”，值得強調(diào)的是，本研究根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2372《設(shè)備振動標(biāo)準(zhǔn)》進行線性可靠度評價，不同振動等級的點位區(qū)間屬于線性函數(shù)，適用于烈度值在0~1之間的可靠度評價，且為定量評價。要想獲得更為準(zhǔn)確的可靠度，則需要利用歸一化小波信息熵，并與頻譜分析相結(jié)合，對空壓機振動過大的成因進行深入剖析[4]。

三是歸一化小波信息熵與可靠度。指標(biāo)公式為

3 結(jié)束語

綜上所述，在空壓機系統(tǒng)運行期間，為了避免造成不必要的能源資源浪費，除了優(yōu)先選擇比功率較低的機組之外，還應(yīng)注重各組成部分對系統(tǒng)整體能效產(chǎn)生的影響。對此，應(yīng)開展機型選擇、系統(tǒng)管理、系統(tǒng)運行可靠性等一系列評價工作，明確評價內(nèi)容、標(biāo)準(zhǔn)與權(quán)重分配，并根據(jù)得分情況，使系統(tǒng)能效得到客觀準(zhǔn)確的評價，取得理想的應(yīng)用效果。

式中：S為歸一化小波信息熵；Eli為相對能量。在頻帶中相對能量均一致的情況下，S取值為1；如果頻帶能量相對集中，則意味著某一監(jiān)測點的振動狀態(tài)單一，此時S取值為0。在被測對象處于故障狀態(tài)時，頻帶內(nèi)相對能量處于分散狀態(tài)，S取值接近于1，則該設(shè)備的可靠度接近于0，意味著系統(tǒng)運行可靠性較低。由技術(shù)人員將故障設(shè)備拆機后，