壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能方法研究

文_胥觀豪 劉志均

1 深圳市恒力奇能源科技有限公司 2青島馥豪塑業(yè)有限公司

壓縮空氣廣泛地應(yīng)用于工業(yè)制造中，規(guī)模大小不同的制造企業(yè)都在或多或少地使用。企業(yè)一般選擇螺桿式空壓機(jī)或者螺桿空壓機(jī)加離心式空壓機(jī)為主要設(shè)備，輔之以儲(chǔ)氣罐、干燥裝置與管道組成壓縮空氣系統(tǒng)，為工藝、儀器與設(shè)備的控制等提供5～8bar的壓縮空氣。市場(chǎng)上實(shí)際使用空壓機(jī)的名義效率多數(shù)在為10.91m3/kWh左右，實(shí)際監(jiān)測(cè)表明多數(shù)壓縮空氣系統(tǒng)（包含干燥裝置等在內(nèi)）能效只有4～5m3/kWh,能效達(dá)6～8m3/kWh的鳳毛麟角。壓縮空氣消耗電能一般占企業(yè)的10%～50%，企業(yè)越大，空壓機(jī)越多，能源消耗越多。因此，壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能具有非常重要的意義，應(yīng)專業(yè)地剖析壓縮空氣系統(tǒng)，才能更好地選擇節(jié)能方法。

1 準(zhǔn)確識(shí)別壓力的需求

制造企業(yè)末端設(shè)備的供氣壓力一般為5～6bar，實(shí)際輸送壓力多為7～8bar，高出實(shí)際需求2～3bar。其原因包括：①壓縮空氣輸送管道過(guò)長(zhǎng)及彎頭曲率半徑過(guò)小，大型企業(yè)管道長(zhǎng)度普遍達(dá)2km以上，管道架設(shè)路線復(fù)雜、頻繁換向且彎頭選擇錯(cuò)誤，造成壓降過(guò)大；②泄露點(diǎn)過(guò)多或泄露源口徑過(guò)大，造成壓力降低；③管道及儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)氣能力差，氣壓波動(dòng)較大。解決方案為客觀調(diào)查壓縮空氣壓力及盡量需求、有效治理壓縮空氣泄露、改善管道等輔助設(shè)施、空壓站集中布局改分散布局、實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)互聯(lián)互通。

2 有效治理跑氣漏氣

據(jù)統(tǒng)計(jì)，多數(shù)企業(yè)壓縮空氣泄露率占比約為30%，管理較好的企業(yè)可將泄漏率控制在10%以下，但泄漏率控制在10%以下的企業(yè)幾乎沒(méi)有。泄露普遍存在，原因在兩個(gè)方面，即習(xí)慣成自和企業(yè)核算沒(méi)有納入壓縮空氣生產(chǎn)所消耗的成本。泄露的治理，需要檢測(cè)工具和方法。超聲波泄漏檢測(cè)儀可以檢測(cè)弱小的泄露，還可以結(jié)合紅外線探明復(fù)雜環(huán)境中的泄漏源；最常見(jiàn)的末端泄露是管道與工具之間的連接頭，質(zhì)量差的連接頭一般使用壽命只有一周時(shí)間，質(zhì)量好的鏈接頭可連續(xù)使用一年的時(shí)間。

3 輔助設(shè)施的優(yōu)化

離心空壓機(jī)能耗：

式中ρ-標(biāo)態(tài)下空氣密度=1.293kg/m3；Vk-空壓機(jī)的排氣量，m3/h,R’氣體常數(shù)=0.278 kJ/(kg.k)；T-環(huán)境溫度，K；P2-排氣壓力（實(shí)際上指壓強(qiáng)），MPa；P1-進(jìn)氣壓力（實(shí)際上指壓強(qiáng)），MPa；T-空壓機(jī)的等溫效率；M-空壓機(jī)的機(jī)械效率。

根據(jù)式（1），排氣壓力P2越小，則能耗越小。如果企業(yè)供氣為8bar(0.8MPa),假設(shè)降低1bar供氣,節(jié)能率計(jì)算結(jié)果為5.36%。即每降低1bar可實(shí)現(xiàn)5.36%的節(jié)能率。在節(jié)能實(shí)踐中，由于泄露（壓力大泄露量更大）等因素，每降低1bar壓力節(jié)能率可達(dá)到8%～12%。因此壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能的先決任務(wù)是降低壓力。

壓縮空氣系統(tǒng)組成包括空壓機(jī)、干燥用的冷干機(jī)和或吸干機(jī)、小型的除油器以及除水器、緩沖及儲(chǔ)氣作用的儲(chǔ)氣罐、輸送氣體的管道及控制閥門等?？諌簷C(jī)雖是生產(chǎn)壓縮空氣的關(guān)鍵設(shè)備，但由于壓縮空氣不是生產(chǎn)后立即進(jìn)入使用端，需要經(jīng)過(guò)干燥除油除水，并經(jīng)過(guò)管道等輔助設(shè)施輸送到各個(gè)車間或工序，即輔助設(shè)施完成壓縮空氣的再處理和輸送，輔助設(shè)施對(duì)能耗和能效也有重要影響。節(jié)能改造實(shí)踐表明，只有全面系統(tǒng)地優(yōu)化輔助設(shè)施，結(jié)合高效的空壓機(jī)，壓縮空氣系統(tǒng)能效才能提高到理想的水平。

3.1 冷干機(jī)

冷干機(jī)中制冷介質(zhì)與壓縮空氣隔離，不消耗壓縮空氣。冷干機(jī)的目的是更好地冷卻壓縮空氣，但市面上的冷干機(jī)進(jìn)出口的管徑設(shè)計(jì)的較小，一進(jìn)一出需要縮小和放大管徑，導(dǎo)致冷干機(jī)極易影響壓縮空氣流動(dòng)，產(chǎn)生壓力損失。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，壓縮空氣系統(tǒng)中一臺(tái)冷干機(jī)及其輔助的除油除水器一般會(huì)導(dǎo)致0.1～0.3bar壓力降。基于冷干機(jī)相比空壓機(jī)的功率較小，正確的做法是選擇處理能力大一個(gè)或兩個(gè)等級(jí)的冷干機(jī)，不僅增強(qiáng)冷干機(jī)的除水能力，而且減少壓力損失。

3.2 吸干機(jī)

吸附式干燥機(jī)一般簡(jiǎn)稱吸干機(jī)，吸干機(jī)分普通吸干機(jī)和鼓風(fēng)再生式吸干機(jī)。普通吸干機(jī)是通過(guò)變壓吸附原理來(lái)達(dá)到干燥效果，在干燥、脫水及排水過(guò)程中會(huì)消耗工作環(huán)境中的壓縮空氣，且運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)間隔性對(duì)外排水并伴隨排氣，因此產(chǎn)生氣損。普通吸干機(jī)對(duì)壓縮空氣的損耗較大，一般氣損率介于10%～15%。鼓風(fēng)再生吸干機(jī)的吸附原理與普通吸干機(jī)有所區(qū)別，氣損率可以控制在1%～2%。通過(guò)設(shè)備成本及其能耗對(duì)比分析，鼓風(fēng)再生式干燥機(jī)明顯優(yōu)于普通吸干機(jī)。基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和吸干機(jī)干燥原理，吸干機(jī)不適宜單獨(dú)安裝，安裝吸干機(jī)前必須先安裝冷干機(jī)才能保證干燥效果。輸送壓縮空氣的管道是地下敷設(shè)或管道較長(zhǎng)（一般200m以上）時(shí)，建議在使用車間或距離車間最近的位置安裝吸干機(jī)。

3.3 除油、除水、除粉器

除油、除水及除粉裝置常與干燥設(shè)備配搭使用，目的在于消除壓縮空氣中較多的油脂、水份和粉塵。詬病在于其出入口管徑較小而造成壓力損失，同時(shí)這類設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)氣油、氣水、氣粉同排的現(xiàn)象。減少這類設(shè)備的壓力及流量損失，方法仍然可選擇處理能力大的裝置來(lái)減少壓力降，同時(shí)加強(qiáng)檢查并及時(shí)更換過(guò)濾閥減少流量損失。

3.4 儲(chǔ)氣罐

儲(chǔ)氣罐是壓縮空氣的緩沖器也是儲(chǔ)存器。一般空壓機(jī)廠商都推薦用戶安裝儲(chǔ)氣罐，并且建議儲(chǔ)氣罐容積以空壓機(jī)每分鐘產(chǎn)氣量的20%左右配置。節(jié)能改造的實(shí)踐表明，增加儲(chǔ)氣罐的容積可以有效地起到節(jié)能作用。儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)氣越充分，氣壓就越穩(wěn)定，大儲(chǔ)氣罐能減少空壓機(jī)頻繁加載。工頻空壓機(jī)卸載耗電功率約為加載時(shí)的40%～50%，增加空壓機(jī)卸載時(shí)間能實(shí)現(xiàn)節(jié)能；如若是變頻空壓機(jī)，則節(jié)能效果更加明顯。儲(chǔ)氣罐與管道均有儲(chǔ)氣和平衡壓力的作用，合宜的搭配對(duì)節(jié)能更有幫助。

3.5 管道

管道是壓縮空氣系統(tǒng)重要組成部分。壓縮空氣系統(tǒng)中壓力降或壓力損失主要源于管道直徑的大小、表面粗糙度、三通以及彎頭等。壓縮空氣管道管徑選擇比較雜亂。用戶多數(shù)情況下按空壓機(jī)廠商提供的參數(shù)或者自行設(shè)計(jì)配置。在節(jié)能減排改造項(xiàng)目和能源管理咨詢中發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)工廠，空壓機(jī)排氣壓力與生產(chǎn)車間或者使用端的壓力差/壓力降都接近于或高于2bar；根據(jù)前述離心空壓機(jī)能耗原理，空壓機(jī)耗能與排氣壓力的自然對(duì)數(shù)稱正比，即就是排氣壓力越高，空壓機(jī)的能耗就越高。很多節(jié)能改造項(xiàng)目都不清楚管道對(duì)降低壓力的作用，導(dǎo)致即使使用最新、最高效的空壓機(jī)，也無(wú)法減少系統(tǒng)能耗。正確的節(jié)能方法是加粗管道。相關(guān)節(jié)能改造項(xiàng)目實(shí)踐表明，6.5bar壓力需求的車間，儲(chǔ)氣罐和管道設(shè)計(jì)得當(dāng)，空壓機(jī)供氣壓力僅僅需要6.8bar,也就是壓縮空氣全過(guò)程壓力損失僅僅0.3bar。

3.6 彎頭

各種連接管道及設(shè)備的彎頭對(duì)壓力損失負(fù)有較大的責(zé)任。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)一個(gè)彎頭可能產(chǎn)生的壓力降為0.005～0.01bar的壓力降。正確的做法是，選用或改用大曲率半徑的彎頭。

3.7 閥門

閥門是壓縮空氣系統(tǒng)中最常見(jiàn)的設(shè)備，基于維修所需濫用閥門的現(xiàn)象非常嚴(yán)重，而且選用的閥門多數(shù)是不正確的。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)每個(gè)截止閥可能產(chǎn)生0.005～0.01bar壓力降。壓縮空氣管道中的閥門應(yīng)該優(yōu)先使用球閥；合理設(shè)計(jì)壓縮空氣系統(tǒng)，可以大幅減少閥門的使用。

3.8 旁通

壓縮空氣系統(tǒng)中有許多旁通，旁通的目的是檢修。一般企業(yè)習(xí)慣將除水器、除油器、冷干機(jī)、吸干機(jī)甚至儲(chǔ)氣罐等裝置均安裝旁通，但絕大多數(shù)的旁通均設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，不僅造成材料的浪費(fèi)，也增加了壓縮空氣的壓力損失。正確的做法是，以互聯(lián)互通的思路設(shè)計(jì)旁通。

3.9 壓縮空氣分級(jí)使用

工業(yè)制造中設(shè)備對(duì)壓縮空氣的壓力和質(zhì)量要求不同，壓縮空氣應(yīng)分級(jí)使用。例如，對(duì)于壓力高流量需求大的工藝或系列設(shè)備，應(yīng)單獨(dú)供應(yīng)較高壓力的壓縮空氣；對(duì)于僅個(gè)別壓力需求高的設(shè)備，空壓站應(yīng)以低壓供氣，特殊設(shè)備加裝局部增壓裝置；壓縮空氣應(yīng)盡力避免用于吹掃作業(yè)，如果確實(shí)需要，則應(yīng)該加裝減壓裝置；類似污水處理中曝氣對(duì)壓縮空氣壓力及質(zhì)量需求均較低，應(yīng)采用羅茨風(fēng)機(jī)；羅茨風(fēng)機(jī)產(chǎn)氣壓力小，但產(chǎn)氣量大，更重要的是能耗較低。

3.10 小結(jié)

空壓站輔助設(shè)施的設(shè)計(jì)或改造，應(yīng)著力于減少流量損失、降低壓力損失，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，才能有效地節(jié)約能源。

4 空壓站的熱及熱回收

炎熱夏季，多數(shù)空壓站站內(nèi)可以達(dá)到50℃高溫或者更高?？諌赫镜臒嶂饕獊?lái)源于設(shè)備的發(fā)熱以及風(fēng)冷式干燥機(jī)的散熱。離心空壓機(jī)能耗公式表明，空壓機(jī)能耗與吸氣溫度成正比例。螺桿式空壓機(jī)沒(méi)有進(jìn)氣口，根據(jù)波馬定律PV=nRT表明，空氣經(jīng)壓縮后體積變小，必然會(huì)造成氣壓或溫度的升高。因此，降低螺桿式空壓機(jī)的吸氣溫度同樣可以減少能源的消耗。

降低空壓站內(nèi)的溫度通常是采用吸風(fēng)機(jī)將站內(nèi)的熱量外排，如果是新建工廠的空壓站，則首先選擇南北向的廠房來(lái)建設(shè)空壓站，因?yàn)樘?yáng)輻射熱量于南北向建筑比東西向較少。同時(shí)，壓縮空氣過(guò)程會(huì)產(chǎn)生較大熱量，散熱的溫度高達(dá)110～120℃，如果對(duì)余熱回收，可將常溫水加熱到60℃左右，用于員工淋浴、食堂清洗、生產(chǎn)工藝中清洗（噴涂、電鍍等表面處理工藝中的酸洗、酯洗）、材料預(yù)熱（如注塑料）等，余熱價(jià)值得到有效利用。如果余熱無(wú)法利用，則建議將風(fēng)冷式空壓機(jī)改造為水冷空壓機(jī)，或直接購(gòu)買水冷的空壓機(jī)。

5 空壓機(jī)變頻以及永磁空壓機(jī)

空壓機(jī)本身的改造或替換包括變頻技術(shù)和永磁技術(shù)兩個(gè)方面。

5.1 變頻空壓機(jī)

空壓機(jī)變頻是針對(duì)負(fù)荷不足時(shí)電機(jī)降低頻率減慢速度，減少能源消耗，因此空壓機(jī)有卸載才有變頻。一般空壓站由多臺(tái)空壓機(jī)組成系統(tǒng)供氣，應(yīng)選擇一臺(tái)變頻機(jī)或者改造一臺(tái)工頻機(jī)為變頻機(jī)。工頻機(jī)與變頻機(jī)的區(qū)別僅僅在于，變頻機(jī)降低頻率仍能產(chǎn)氣，而工頻機(jī)卸載不能產(chǎn)氣。變頻機(jī)補(bǔ)充供氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)氣壓平衡，節(jié)能作用明顯。

5.2 永磁空壓機(jī)

永磁空壓機(jī)是永磁電動(dòng)機(jī)與變頻為一體的空壓機(jī)。永磁空壓機(jī)壓縮空氣的原理與普通空壓機(jī)相同，節(jié)能的核心控制是變頻器控制，同時(shí)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)比普通電機(jī)少了軸承摩擦，減少了摩擦所需的能耗。實(shí)際測(cè)量顯示，永磁空壓機(jī)相對(duì)于變頻空壓機(jī)可以多出5%左右的節(jié)能率。

6 集中控制

工業(yè)4.0推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，能管中心和集中控制系統(tǒng)優(yōu)先覆蓋了壓縮空氣系統(tǒng)管理。集中控制（包括遠(yuǎn)程、自動(dòng)）很好地響應(yīng)了企業(yè)需求，但集中控制本質(zhì)上是不能節(jié)能的。如，泄露率較大的企業(yè)，即使在工廠休息（就餐、周末等）的時(shí)候，其自動(dòng)控制系統(tǒng)因?yàn)閴毫θ詴?huì)開(kāi)一定數(shù)量空壓機(jī)去滿足漏氣需求，而人工則不會(huì)犯這樣的錯(cuò)誤；控制系統(tǒng)的壓力參數(shù)如果來(lái)自空壓站以外的壓力管道，還可能因?yàn)槌统仍O(shè)備堵塞造成空壓機(jī)加載而產(chǎn)生危險(xiǎn)。集中控制優(yōu)點(diǎn)很多，可以很好地實(shí)現(xiàn)無(wú)人管理,可以通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)評(píng)估空壓機(jī)能效,可以通過(guò)報(bào)警及時(shí)處理隱患以及維護(hù)保養(yǎng),可以幫助分析各個(gè)生產(chǎn)工藝流量需求以及綜合能耗等，對(duì)企業(yè)的綜合管理水平提升有很大幫助。

7 結(jié)語(yǔ)

壓縮空氣系統(tǒng)因?yàn)槟茉聪牟辉谏a(chǎn)制造的現(xiàn)場(chǎng)而常常被忽視。壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)該立足于自身的實(shí)際情況，通過(guò)測(cè)量實(shí)際需求、治理泄露、儲(chǔ)氣罐及管道等輔助設(shè)施優(yōu)化、散熱及余熱回收、變頻及永磁電機(jī)改造利用、集中控制等，客觀分析現(xiàn)狀，以降低壓力和減少流量為基本出發(fā)點(diǎn)，系統(tǒng)地解決供求矛盾，能很好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減碳的根本目標(biāo)。