壓縮空氣與節(jié)能

羅軍（新疆眾和股份有限公司　烏魯木齊 830013）

壓縮空氣與節(jié)能

羅軍
（新疆眾和股份有限公司烏魯木齊 830013）

壓縮空氣以其安全、環(huán)保、調(diào)節(jié)性能好、輸送方便、便于集中管理和應(yīng)用工作環(huán)境適用性好等特點，在工業(yè)領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。是工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的第四大能源，也是一種昂貴的能源，其能耗在大多數(shù)工廠中約占其全部能耗的10％-40％?，F(xiàn)代產(chǎn)業(yè)使用壓縮空氣時都有一整套設(shè)備、設(shè)施，我們把由生產(chǎn)、處理和儲存壓縮空氣的設(shè)備所組成的系統(tǒng)稱為氣源系統(tǒng)。典型的氣源系統(tǒng)由下列幾部分組成：空氣壓縮機、后部冷卻器、緩沖罐、過濾器（包括油水分離器、預(yù)過濾器、除油過濾器、除臭過濾器、滅菌過濾器等等）、干燥機（冷凍式或吸附式）、穩(wěn)壓儲氣罐、自動排水排污器及輸氣管道、管路閥件、儀表等。上述設(shè)備根據(jù)工藝流程的不同需要，組成完整的氣源系統(tǒng)。壓縮空氣有3種主要用途（1）動力用壓縮空氣作為能源完成做功；（2）工藝用壓縮空氣空氣成為工藝流程的—部分；（3）控制用儀表風(fēng)停止、啟動或調(diào)整機械設(shè)備的運行操作。

氣源系統(tǒng)比功率絕對壓力絕對濕度露點溫度

1　概述

我國政府己頒布的《節(jié)能中長期專項規(guī)劃》中明確了節(jié)能的目標和發(fā)展重點，并提出了到2020年用能產(chǎn)品和設(shè)備能效水平達到或超過國際先進水平的目標?？諌簷C是工業(yè)、礦產(chǎn)、建筑等領(lǐng)域中常用的耗電設(shè)備，由于使用量大、運行時間長，研究空壓機能效及空壓機系統(tǒng)的經(jīng)濟運行，對節(jié)約能源、保護環(huán)境有重要意義。

壓縮空氣系統(tǒng)能耗的96％為工業(yè)壓縮機的耗電。我國工業(yè)壓縮機的耗電量2006年為1800億度，2007年高達2000億度，約占全國總耗電量的6％。而GDP為我國1.6倍的日本的工業(yè)壓縮機耗電量僅為400億度。這說明我們在調(diào)整產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的同時，還需大力提高壓縮空氣系統(tǒng)的能源利用效率。

2　空壓機主機比功率的質(zhì)量等級劃分

上世紀九十年代以來，我國先后制訂了滑片、往復(fù)活塞、螺桿等空氣壓縮機的產(chǎn)品質(zhì)量井等標準，包括：JB/TQQ767-89《一般用噴油滑片空氣壓縮機產(chǎn)品質(zhì)量分等》、JE/T53054-1992《一般用往復(fù)活塞空氣壓縮機產(chǎn)品質(zhì)量分等》lB/TA30A6-1992《一般用噴油螺桿空氣壓縮機產(chǎn)品質(zhì)量分等》等。分等標準根據(jù)產(chǎn)品的比功率、油耗等指標，將產(chǎn)品劃分為合格品、一等品、優(yōu)等品3個等級。這給空壓機的制造、研究、評比，有差政策的制訂提供了參照和依據(jù)，對提高空壓機節(jié)能技術(shù)改造發(fā)揮了主要的指導(dǎo)作用。1999年又先后發(fā)布了修訂的質(zhì)量分等標準，包括：JE/ T53054-1999《一般用往復(fù)活塞空氣壓縮機產(chǎn)品質(zhì)量分等》、IE/T53056-1999《一般用噴油螺桿空氣壓縮機產(chǎn)品質(zhì)量分等》、JBT53225-1999《一般用噴油滑片空氣壓縮機產(chǎn)品質(zhì)量分等》、IE/T53250-1W9《罐車用風(fēng)降滑片空氣壓縮機產(chǎn)品質(zhì)量丹等》、IE/T53176-1999《中、高壓車裝風(fēng)摶往復(fù)活塞空氣壓縮機質(zhì)量丹級》等。

空壓機的能效考核指標實際上是基于“比功率”，比功率是每單位實際容積流量所需的軸功率。而軸功率指壓縮機主軸所需要的輸入功率。這也就是說，空壓機的效率僅局限于對壓縮機主機效率的考核。

空氣壓縮機能散評價體系即主要評定主機的比功率，這對控制空氣壓縮機主機的能耗，提高空氣壓縮機主機制做水平起到了積極作用。但此時能效評價體系未對空氣縮機整機的能效做出規(guī)定，即使空氣壓縮機主機比功率符臺要求，若管道、進氣消聲器、單向閥、冷卻器等阻力損失大，電機效率、傳動效率低，就會造成空氣壓縮機整機能效低，不能從根本意義上解決節(jié)能與能效評價的問題。從空氣壓縮機用戶角度來考慮，主機的先進性，并不是關(guān)注的重點，整機的能效及安生可靠性、整機的運行及維護費用才是核心問題。

3　壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能的技術(shù)路線

壓縮空氣的使用能耗E可以用氣動功率的積分表示。因此，如下圖所示，在壓縮空氣使用中，減少壓力、流量、時間任何一個變量，都可降低壓縮空氣能耗。

式中，P為壓縮空氣絕對壓力；Qa為換算到大氣狀態(tài)下的體積流量；t時間。

由以上論述可以看出，壓力、流量、時間是壓縮空氣節(jié)能的三要素。

4　當前壓縮空氣系統(tǒng)使用中存在的主要問題

4.1系統(tǒng)泄漏

當前我國氣動用戶的壓縮空氣系統(tǒng)中，能源浪費主要表現(xiàn)為泄漏偏大、壓縮機配置及運行僅以保壓為目的、供給壓力不合理、氣槍嘖嘴低效、設(shè)備用氣存在浪費、現(xiàn)場工人用氣成本意識淡薄使用隨意等。

根據(jù)美國壓縮空氣挑戰(zhàn)項目和中國機電機電系統(tǒng)節(jié)能項目的實施經(jīng)驗大多數(shù)壓縮空氣系統(tǒng)所消耗的能源明顯高于其實際消耗的能源量，泄漏、人為虛假用氣和不正確使用大約消耗了50％的壓縮空氣量，很多的系統(tǒng)通過壓縮空氣的優(yōu)化可達到20-50％的節(jié)能效果。其中，泄漏量的90％以上來自設(shè)備使用中的零部件老化或破損。而尤為嚴重的是，現(xiàn)場管理人員遠遠地低估了泄漏造成的損失。

表1

一個1mm的孔一年造成的電力浪費約2 400 kWh，因此，定期的檢漏、及時堵漏是十分重要的。

4.2系統(tǒng)壓力波動

壓縮機的合理配置及合理運行對節(jié)省用電非常重要。通常，為使輸出壓力波動小，很多壓縮機采用吸氣閥調(diào)節(jié)方式。這種方式在沒有供氣的情況下也仍需消耗70％額定功率的電力，浪費較嚴重。為此，導(dǎo)入變頻控制、采用壓縮機群專家控制系統(tǒng)等措施對節(jié)省電力十分有效。

由于管道壓力損失不確定，設(shè)備啟動存在流量高峰等原因，壓縮機的供氣壓力有時比現(xiàn)場要求壓力高出0.2～0.3 MPa，浪費嚴重。有時也會為了少數(shù)幾臺壓力要求高的設(shè)備，而整個調(diào)高供氣的壓力，這在能源使用配置上極其不合理。

壓縮空氣系統(tǒng)的能源消耗與系統(tǒng)的供氣壓力成正比例關(guān)系，系統(tǒng)供氣壓力越高，空壓機能耗越大，壓縮空氣供氣壓力每提高0.01 MPa，空壓機能耗增加約7％～8％。壓縮空氣系統(tǒng)壓力波動的最小值必須滿足系統(tǒng)最苛刻的壓力需求，也就是說，系統(tǒng)壓力波動的最小值要高于工藝需求壓力的最大值。

4.3系統(tǒng)壓力降

任何介質(zhì)的傳輸都存在著壓力降，合理地控制壓力降有利于節(jié)能降耗。當壓力降增加時為獲得所需要的工作壓力，空氣壓縮機就要多做功。壓力降每增加0.01 MPa時，功耗相應(yīng)增加0.3％～0.5％，對任何一臺空氣壓縮機，每年增加的功耗是很大的。油分離器、精密過濾器、干燥機是壓力降增加的主要部位，因此，適時地更換油分離器、精密過濾器，定期清洗干燥機空氣通道是降低壓力降的有效措施。延長空壓機油分離器、精密過濾器的使用時間，表面上節(jié)約維修成本，但并不能節(jié)約運行成本。不僅多消耗了電力，而且多耗的油進入后處理系統(tǒng)、管網(wǎng)系統(tǒng)會帶來意外事故。

壓縮空氣的壓力損失，壓力損耗取決于：橫截面積、流速、管道長度、管道內(nèi)表面粗糙度、管道的彎頭及變徑接頭數(shù)量。管徑選擇建議：空壓站房內(nèi)與空壓機相連的總管尺寸選擇時最好保證管道內(nèi)流速不超過6 m/s。離開空壓站到主管道尺寸選擇應(yīng)該保證其壓縮空氣流速不超過9 m/s。用氣點支管的管道尺寸選擇應(yīng)該保證其壓縮空氣流速不超過15 m/s。

4.4系統(tǒng)水分較大

無論哪種空壓機都吸入空氣中的雜質(zhì)并將它們濃縮數(shù)倍。吸入空氣的溫度、濕度都決定了壓縮空氣中的含水量。由于壓力的增加和氣體體積的縮小，從表面上看似乎含水能力將下降。但是，由于壓縮時溫度急劇上升，所以在壓縮時其含水能力是上升的，此時壓縮空氣并沒有進入過飽和狀態(tài)。只有當壓縮空氣經(jīng)過后冷卻器、冷凍式干燥機或者進入壓縮空氣管網(wǎng)時，由于自身溫度降低，從而使其含水能力下降，當壓縮空氣溫度低于壓力露點溫度時，水蒸氣便開始析出形成了冷凝液。由此可以看出，壓縮空氣中冷凝液的產(chǎn)生與空氣的相對濕度、壓縮空氣的溫度和壓力密切相關(guān)?？諝獾南鄬穸仍礁?，壓縮后越容易產(chǎn)生冷凝液；壓縮空氣的壓力越高，空氣壓縮后的體積越小，單位體積壓縮空氣的含水量上升，越容易產(chǎn)生冷凝液；壓縮空氣的溫度越低，其含有水蒸氣的能力下降，因而越容易產(chǎn)生冷凝液。

單位體積空氣中的所含水蒸氣的質(zhì)量稱為濕空氣的絕對濕度。在某濕度和壓力條件下，濕空氣絕對濕度與飽和絕對濕度之比，稱為該條件下的相對濕度。

衡量壓縮空氣中含水量的多少用壓力露點溫度來評估。大氣露點指在大氣壓力下的水分凝結(jié)溫度，不同露點溫度和相對的濕空氣飽和絕對濕度。濕空氣被壓縮后，水蒸氣密度增加，溫度也上升，壓縮空氣冷卻時，相對濕度便增加，當溫度繼續(xù)下降到相對濕度達100％時，便有水滴從壓縮空氣中析出，這時的濕度就是壓縮空氣的“壓力露點”。簡單的說就是在壓力狀態(tài)下，水蒸氣凝結(jié)成水時的溫度。

一臺排氣量為5 m3/min的空壓機，在空氣溫度20℃，相對濕度70％，排氣壓力0.1 MPa的情況下，運行8h，則輸送到主管內(nèi)的水約為30升。

5　節(jié)能的措施

（1）壓縮空氣的產(chǎn)生：壓縮機的合理配置與運行，供給壓力的降壓及運行模式優(yōu)化，壓縮機與空氣凈化設(shè)備狀態(tài)的日常管理等。杜絕無意識浪費在空氣壓縮機管理中我們要養(yǎng)成以下良好的習(xí)慣：空氣壓縮機停下后應(yīng)關(guān)閉電源、關(guān)閉隔離閥。不關(guān)隔離閥，有些控制用氣繼續(xù)消耗會造成浪費。

（2）壓縮空氣的傳送：泄漏的日常點檢與最小化，接頭處的壓損改進，管網(wǎng)節(jié)點配置的合理化，耗氣量分配的監(jiān)測與日常管理等。

（3）壓縮空氣的使用：氣力輸送中壓力及流量的合理化，機器非工作時供氣的停止，分壓供氣，氣缸驅(qū)動回路及驅(qū)機械工程公動速度的改進，測量管路的最短化等。

對系統(tǒng)用戶壓縮空氣使用合理調(diào)配，避免集中高峰用氣。系統(tǒng)壓力每增加0.014 MPa，系統(tǒng)將多消耗2％的壓縮空氣。增加空氣系統(tǒng)當中所存在的孔的壓力，那么就增大了通過系統(tǒng)的空氣的流速。泄漏和未調(diào)節(jié)用氣量都屬于人為假設(shè)用氣量的潛在構(gòu)成部分，不控制壓力而對泄漏進行維修是不會完全有效的。

根據(jù)季節(jié)的不同及時調(diào)節(jié)電磁排水閥的定時，減少空排時間，避免氣、電的浪費。

空氣壓縮機冷卻器的一個重要作用就是提高壓縮效率，就溫度而言，提高冷卻效率就是提高了壓縮效率，氣溫度每下降10°C，功耗也隨之降低3％。因此，控制好溫度不僅能穩(wěn)定空氣壓縮機的運行，而且還能降低油耗使系統(tǒng)正常運行，進一步降低功耗。油分離器只能分離液態(tài)油而不能分離氣態(tài)油，當溫度過高時易產(chǎn)生油氣隨壓縮空氣進入后處理設(shè)備，除增大油耗外，還會污染這些設(shè)備，或降低干燥效果，或增大阻力使功耗增大。因此，控制好溫度不僅能穩(wěn)定空氣壓縮機的運行，而且還能降低油耗使系統(tǒng)正常運行，進一步降低功耗。

6　結(jié)束語

節(jié)能措施的應(yīng)用，很大程度提高了空壓機本身的效率和壽命，避免了很多浪費現(xiàn)象。同時，在該系列措施使用后，壓縮空氣系統(tǒng)可以達到20％～50％的節(jié)能效果。壓縮空氣為三種工廠基本動力源（電、水和壓縮空氣）中最耗能的一種，約占工廠總耗能10％～20％，其中25％浪費于泄漏，15％的浪費于假性需求，真正與生產(chǎn)直接相關(guān)的通常不大于60％。然而，高效率的壓縮空氣系統(tǒng)是一項十分專業(yè)的氣壓技術(shù)和工程范疇，加上一般使用者因缺乏正確的使用觀念與管理數(shù)據(jù)，根本無從著手，只能坐失改善良機，極為可惜。然而，高效率的壓縮空氣系統(tǒng)是一項十分專業(yè)的氣壓技術(shù)和工程范疇，如果做好措施處理，可確保企業(yè)的最大效益。

［1］王革華，等.能源與可持續(xù)發(fā)展.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］黃素逸.能源與節(jié)能技術(shù)北京：中國電力出版社，2004.

［3］秦宏波.壓縮空氣系統(tǒng)動態(tài)特性分析.2006.

收稿：2016-07-01

10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.06.041