基于電器實(shí)驗(yàn)室用氣特點(diǎn)的壓縮空氣動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能改造分析*

丁錦華，苗本健，李賽賽※，趙 婧，周小猛，胥嘉良，郭向榮

（1.廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，廣州 510330；2.廣東省標(biāo)準(zhǔn)化研究院，廣州 510220；3.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055）

0 引言

壓縮空氣作為工業(yè)領(lǐng)域里一種安全環(huán)保的動(dòng)力源，具有清潔、易調(diào)節(jié)、輸送便捷的特點(diǎn)，被廣泛用于電力、化工、制藥、電子、機(jī)械制造等領(lǐng)域。以壓縮空氣為動(dòng)力的氣動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)相對(duì)于通用的電動(dòng)或手動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、開(kāi)合力矩大、電氣隔離和抗干擾性能強(qiáng)、操作維護(hù)簡(jiǎn)便等突出的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電器實(shí)驗(yàn)室中。

壓縮空氣系統(tǒng)雖然優(yōu)點(diǎn)較多，但其能耗問(wèn)題也一直較為突出。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)壓縮空氣系統(tǒng)的耗電量占全國(guó)發(fā)電量的9.5%～10%，在工業(yè)領(lǐng)域占用企業(yè)總耗電量的15%～35%不等［1］。當(dāng)前我國(guó)用戶(hù)的壓縮空氣系統(tǒng)中，能源浪費(fèi)主要表現(xiàn)為泄漏偏多、壓縮機(jī)配置及運(yùn)行僅以保壓為目的、供給壓力不合理、噴嘴低效、設(shè)備用氣存在浪費(fèi)、現(xiàn)場(chǎng)工人用氣成本意識(shí)淡薄等問(wèn)題。在泄漏問(wèn)題上，工廠中的泄漏量通常占供氣量的10%～30%，而管理不善的工廠甚至可能高達(dá)50%［2］。

隨著我國(guó)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的提出，節(jié)能減排已經(jīng)越來(lái)越受到政府及企業(yè)的重視。對(duì)于存在很大節(jié)能潛力壓縮空氣系統(tǒng)，其節(jié)能所能創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益愈發(fā)顯著［3］。因此，對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)及節(jié)能改造措施進(jìn)行研究，是十分必要的。

本文簡(jiǎn)要介紹電器實(shí)驗(yàn)室壓縮空氣動(dòng)力系統(tǒng)的組成、運(yùn)行特點(diǎn)及已實(shí)施的節(jié)能措施，并根據(jù)實(shí)際情況，分析電器實(shí)驗(yàn)室存在的壓縮空氣泄露問(wèn)題，制定相應(yīng)的節(jié)能改造措施，改造后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作、供氣壓力穩(wěn)定、系統(tǒng)冗余度高，且改造成本低，取得了較好的效果。

1 現(xiàn)有系統(tǒng)泄漏問(wèn)題分析

電器實(shí)驗(yàn)室壓縮空氣動(dòng)力系統(tǒng)按照用氣設(shè)備最大負(fù)荷的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)，在實(shí)際使用中，用氣設(shè)備的間歇性、低頻次使用，造成用氣端負(fù)荷變化較大，低壓空壓機(jī)長(zhǎng)期處于加卸載的循環(huán)運(yùn)行方式，不但造成了能源浪費(fèi)，而且導(dǎo)致供氣管路壓力波動(dòng)大。為解決這個(gè)問(wèn)題，電器實(shí)驗(yàn)室壓縮空氣動(dòng)力系統(tǒng)已進(jìn)行過(guò)一次節(jié)能改造，現(xiàn)有壓縮空氣動(dòng)力系統(tǒng)采用高低壓聯(lián)機(jī)運(yùn)行的方式［2］，即低壓供氣＋高壓穩(wěn)壓，如圖1 所示。低壓空壓機(jī)可在200 s左右使管路氣壓達(dá)到0.7 MPa以上，而高壓空壓機(jī)最大流量只有1.5 m3／min，即使不向低壓管路輸氣，開(kāi)機(jī)后也要20 min 才能使高壓儲(chǔ)氣罐、高壓管路氣壓達(dá)到1.0 MPa以上，此后壓力開(kāi)關(guān)控制電動(dòng)閥門(mén)打開(kāi)，高壓開(kāi)始向低壓管路補(bǔ)氣，雖具有一定的滯后性，但在一定程度上避免了上述問(wèn)題。

圖1 空氣動(dòng)力系統(tǒng)主設(shè)備

近幾年來(lái)，隨著電器實(shí)驗(yàn)室用氣設(shè)備的增加，以及氣體泄漏問(wèn)題日益嚴(yán)重［4］，當(dāng)?shù)蛪嚎諌簷C(jī)卸載運(yùn)行時(shí)，由于系統(tǒng)用氣量、漏氣量大于高壓空壓機(jī)最大供氣量，管路壓力將持續(xù)下降到低壓空壓機(jī)最低閾值，低壓空壓機(jī)將進(jìn)入加卸載的循環(huán)運(yùn)行方式，加載時(shí)間短、卸載時(shí)間長(zhǎng)，原本的高低壓聯(lián)機(jī)運(yùn)行方式已無(wú)法發(fā)揮理想的效果。通過(guò)調(diào)取低壓空壓機(jī)的近一年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，其年運(yùn)行800 h，加載時(shí)間只有128 h，負(fù)荷率只有16%，即空壓機(jī)在其余84%的時(shí)間里以卸載方式運(yùn)行，與中國(guó)空壓機(jī)設(shè)備負(fù)荷率66%的平均水平相比，相差甚遠(yuǎn)，其數(shù)據(jù)對(duì)比如表1 所示。由表可見(jiàn)，從全國(guó)平均水平來(lái)看，當(dāng)負(fù)荷率為66%時(shí)，其能耗和電費(fèi)為滿(mǎn)載時(shí)的78%，能耗浪費(fèi)比例占實(shí)際能耗的15%。此電器實(shí)驗(yàn)室負(fù)荷率為16%，其能耗和電費(fèi)只占滿(mǎn)載時(shí)的45.5%，而能耗浪費(fèi)比例高達(dá)實(shí)際能耗的64.6%，存在嚴(yán)重的能源浪費(fèi)情況［5］。雖然負(fù)荷率高時(shí)電費(fèi)、設(shè)備損耗、維護(hù)成本會(huì)增加，但從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度考慮，負(fù)荷率越高，設(shè)備的利用程度越高，相應(yīng)的能耗浪費(fèi)也就越小，用電越經(jīng)濟(jì)。

表1 空壓機(jī)負(fù)荷率對(duì)比

為更準(zhǔn)確地分析造成如此高能耗的原因以及壓縮空氣供需關(guān)系，實(shí)際測(cè)量了壓縮空氣動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行情況，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 壓縮空氣動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)

假設(shè)儲(chǔ)氣罐和管路總?cè)莘e為V，漏氣量為Q1，由表1 可得：

式中：V為儲(chǔ)氣罐和管路總?cè)莘e；P1為管路壓力上限設(shè)定值；P2為管路壓力下限設(shè)定值；Q0為低壓空壓機(jī)供氣量；Q1為氣動(dòng)管路總漏氣量；T2為管路壓力由P1降到P2時(shí)間；T4為管路壓力由P2升到P1時(shí)間。

低壓空壓機(jī)供氣量Q0＝20 m3／min，管路壓力上下限設(shè)定值P1＝0.81 MPa、P2＝0.70 MPa 時(shí)，由式（1）、（2）可得出氣動(dòng)回路總?cè)莘eV ＝4.76 m3，漏氣量Q1＝8.6 m3／min。漏氣量占空壓機(jī)供氣量的43%，存在嚴(yán)重的壓縮空氣泄漏情況，經(jīng)過(guò)對(duì)管路回路的排查，漏氣現(xiàn)象主要為氣管破裂漏氣、氣管接頭處漏氣等。氣管破裂情況會(huì)出現(xiàn)在氣管彎曲處、陽(yáng)關(guān)照射部分、氣管與設(shè)備被金屬外殼接觸部分，破裂口長(zhǎng)度一般3 cm左右，壓縮空氣在破裂口大量泄漏，持續(xù)而又響亮的聲音在30 m外都可以聽(tīng)到，如圖2（a）所示。氣管接頭包括氣管三通接頭、氣缸氣管接頭、機(jī)械閥氣管接頭，接頭處漏氣較小，聲音比較微弱，距離漏氣點(diǎn)5 m 內(nèi)才能觀察到，雖然每個(gè)接頭處漏氣量有限，但數(shù)千個(gè)接頭造成了的漏氣量非常大，如圖2（b）、（c）、（d）所示。

圖2 出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象的節(jié)點(diǎn)

圖3 管路增加閥門(mén)示意圖

除了漏氣問(wèn)題，低壓空壓機(jī)采用工頻啟動(dòng)方式，沖擊電流大，通?？蛇_(dá)到額定電流的5 ～7倍，對(duì)其他設(shè)備電源產(chǎn)生電磁干擾，已經(jīng)造成多個(gè)控制器損壞［6］。隨著壓縮空氣動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命逐年增加，出現(xiàn)故障的幾率也在日益增加，當(dāng)空壓機(jī)出現(xiàn)故障無(wú)法供氣時(shí)，管路氣壓無(wú)法保證用氣設(shè)備的壓力要求，進(jìn)而出現(xiàn)嚴(yán)重后果。而且，如果低壓空壓機(jī)維修周期過(guò)長(zhǎng)，勢(shì)必將影響電器實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)營(yíng)，所帶來(lái)的損失遠(yuǎn)大于設(shè)備本身的價(jià)值，因此壓縮空氣動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)能改造及制定應(yīng)急方案勢(shì)在必行。

2 節(jié)能改造方案

通過(guò)對(duì)電器實(shí)驗(yàn)室壓縮空氣動(dòng)力系統(tǒng)存在問(wèn)題的分析，節(jié)能研究應(yīng)在降低漏氣量、穩(wěn)定管路壓力、增加備用空壓機(jī)3 個(gè)方面進(jìn)行，使管路壓力穩(wěn)定在0.7 MPa 左右、漏氣量降到2 m3／min以?xún)?nèi)。

2.1 管路增加閥門(mén)

由于氣動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)等用氣設(shè)備分布于A、B兩棟樓，A樓分兩層，B樓分三層，所以氣動(dòng)管路也相應(yīng)的分為A管、B管，其中B 管又根據(jù)用氣設(shè)備的不同分為B1 和B2 管。B1管所接的設(shè)備用氣壓力要求是0.6 ～0.8 MPa，B2管所接用氣設(shè)備壓力要求是0.7 ～0.8 MPa。為避免設(shè)備不用氣時(shí)的浪費(fèi)情況，在空壓機(jī)房增加球閥QA、QB，在B2 管上增加電動(dòng)閥門(mén)QM。使用人員可根據(jù)不同樓設(shè)備用氣需求，手動(dòng)開(kāi)啟／關(guān)閉球閥QA、QB，當(dāng)需要使用設(shè)備組B2 時(shí)，可在控制室通過(guò)MODBUS通信方式更改管路壓力上下限設(shè)定值，通過(guò)PLC遠(yuǎn)程控制電動(dòng)閥門(mén)QM開(kāi)啟／關(guān)閉［7］。

2.2 降低管路壓力

管路氣流量公式：

式中：P為管路內(nèi)氣體壓力；V為管路體積；R為氣體常數(shù)；T為溫度?？梢酝茰y(cè)，當(dāng)降低管路壓力時(shí)，可減少壓縮空氣泄漏速度［8-9］。

管路壓力上下限設(shè)定值改為P1＝0.75 MPa，P2＝0.65 MPa時(shí)，理論漏氣量會(huì)降到Q1＝7.8 m3／min。

2.3 更換軟管和氣管接頭

氣動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)等用氣設(shè)備使用PU軟管供氣，PU 軟管為聚亞安酯材料，優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、耐化學(xué)腐蝕、耐高壓、強(qiáng)度韌性高，缺點(diǎn)是易老化，特別是有陽(yáng)光照射的部分，環(huán)境溫度高，在使用一定年限后會(huì)變脆、龜裂，易出現(xiàn)破裂情況［10］。氣管接頭為卡套式塑料氣管接頭，具有結(jié)構(gòu)先進(jìn)、性能良好、使用方便、不用焊接、不必將配管擴(kuò)口等一系列優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是強(qiáng)度不夠高，最高耐壓只有1 MPa，伴隨著氣缸的擺動(dòng)，卡套彈性會(huì)下降，密封性降低，出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象［11］。

針對(duì)以上問(wèn)題，更換老舊PU 軟管，受太陽(yáng)照射的部分和跟設(shè)備外殼有接觸部分使用耐高壓防爆的PU塑筋增強(qiáng)軟管。漏氣的氣管接頭更換為彈性和耐久性更強(qiáng)的卡套式氣管接頭，在氣缸擺動(dòng)幅度大的位置使用金屬接頭，其制作工藝復(fù)雜，使用材料要求高、耐壓、耐高溫。

2.4 增加變頻低壓空壓機(jī)

空氣動(dòng)力系統(tǒng)最大的用氣設(shè)備氣墊車(chē)耗氣量為18 m3／min，低壓空壓機(jī)是按照氣墊車(chē)用氣要求配置的，由于其使用頻率很低，每次使用時(shí)間短，低壓空壓機(jī)的加載運(yùn)行時(shí)間也就短，頻繁起停造成空壓機(jī)壽命縮短，效率不高，停機(jī)后排氣造成壓縮空氣嚴(yán)重浪費(fèi)，而其他用氣設(shè)備的最大用氣量在0.564 m3／min［2］，所以低壓空壓機(jī)的作用基本上是為了彌補(bǔ)管路壓縮氣體泄漏，維持管路氣壓，長(zhǎng)期處于卸載運(yùn)行狀態(tài)［12］。為解決這種情況，增加一臺(tái)功率22 kW、供氣量為3.6 m3／min 的變頻式低壓空壓機(jī)，通過(guò)變頻器改變電源的頻率來(lái)改變空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得空壓機(jī)的供氣量發(fā)生變化，從而解決普通空壓機(jī)由于頻繁加卸載而運(yùn)行不穩(wěn)定、波動(dòng)較大和浪費(fèi)過(guò)多功率的問(wèn)題［13-14］。變頻空壓機(jī)使用永磁電動(dòng)機(jī)，利用永磁體來(lái)產(chǎn)生電機(jī)的磁場(chǎng)，無(wú)需勵(lì)磁線圈也無(wú)需勵(lì)磁電流，從而降低電流消耗、提高電動(dòng)機(jī)的效率［15］。利用壓力變送器將儲(chǔ)氣罐氣體壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，輸入到變頻空壓機(jī)自帶的控制器內(nèi)，利用控制器內(nèi)的PID控制算法算出實(shí)際用氣量，并根據(jù)實(shí)際用氣量調(diào)整變頻器供電的頻率和幅值，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)供氣量和相對(duì)于用氣量的平衡與實(shí)時(shí)控制［14］，其控制原理如圖4 所示。增加變頻低壓空壓機(jī)另一主要作用是在低壓空壓機(jī)出現(xiàn)故障需要維修時(shí)，特別是維修周期較長(zhǎng)時(shí)，可以作為主要供氣設(shè)備，維持氣墊車(chē)以外設(shè)備的用氣需求，保證公司正常的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)。

圖4 空壓機(jī)變頻控制技術(shù)原理

3 改造后運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

在經(jīng)過(guò)2. 1 節(jié)的改造措施后，實(shí)際測(cè)量值Q1＝7. 9 m3／min，理論推算值與實(shí)際測(cè)量值相近，符合預(yù)期。在經(jīng)過(guò)2. 3 節(jié)的改進(jìn)措施后，當(dāng)管路壓力上下限設(shè)定值P1＝0.75 MPa、P2＝0.65 MPa時(shí)，T2＝2 min 46 s，由公式（1）～（2）可得出漏氣量Q1＝1.7 m3／min，與改造前的8.6 m3／min 相比，壓縮空氣泄漏量減少了80%。在經(jīng)過(guò)2.4 節(jié)的改進(jìn)措施后，模擬低壓空壓機(jī)故障，只使用變頻式低壓空壓機(jī)供氣時(shí)，可以在18 min 內(nèi)使管路壓力由0 升壓到0.70 MPa，在滿(mǎn)足用氣需求和彌補(bǔ)漏氣的同時(shí)，可以使管路氣壓穩(wěn)定在0.7 ～0.01 MPa，由于使用PID 變頻控制的方式，穩(wěn)壓的同時(shí)減少了功耗，僅低壓空壓機(jī)的功耗就由改造前的約50 kW／h 降低到現(xiàn)在的每小時(shí)15 kW／h，節(jié)能70%。以每年工作800 h為例，節(jié)能改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比如表3 所示。

表3 節(jié)能改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)電器實(shí)驗(yàn)室壓縮空氣動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和供需關(guān)系的研究，分析出空壓機(jī)負(fù)荷率只有16%的原因是氣體泄漏量大、空壓機(jī)與用氣設(shè)備供需不匹配，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的排查發(fā)現(xiàn)氣體泄漏的主要原因是管路壓力波動(dòng)大、軟管老化、氣管接頭質(zhì)量參差不齊，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的電磁干擾、設(shè)備老化故障率增加等問(wèn)題。結(jié)合電器實(shí)驗(yàn)室壓縮空氣動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)，實(shí)施了穩(wěn)定管路壓力、更換軟管和氣管接頭、增加備用變頻低壓空壓機(jī)等節(jié)能改造措施，使系統(tǒng)總漏氣量降低到改造前的20%，系統(tǒng)總功耗降低到改造前的43%，滿(mǎn)足節(jié)能改造的預(yù)期和正常生產(chǎn)的需求，同時(shí)新增一臺(tái)變頻式低壓空壓機(jī)，增加了空氣動(dòng)力系統(tǒng)的冗余。