壓縮空氣與節能

羅軍（新疆眾和股份有限公司　烏魯木齊 830013）

壓縮空氣與節能

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、環保、調節性能好、輸送方便、便于集中管理和應用工作環境適用性好等特點，在工業領域得以廣泛應用。是工業領域中應用最為廣泛的第四大能源，也是一種昂貴的能源，其能耗在大多數工廠中約占其全部能耗的10％-40％?，F代產業使用壓縮空氣時都有一整套設備、設施，我們把由生產、處理和儲存壓縮空氣的設備所組成的系統稱為氣源系統。典型的氣源系統由下列幾部分組成：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。上述設備根據工藝流程的不同需要，組成完整的氣源系統。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）控制用儀表風停止、啟動或調整機械設備的運行操作。

氣源系統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《節能中長期專項規劃》中明確了節能的目標和發展重點，并提出了到2020年用能產品和設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、礦產、建筑等領域中常用的耗電設備，由于使用量大、運行時間長，研究空壓機能效及空壓機系統的經濟運行，對節約能源、保護環境有重要意義。

壓縮空氣系統能耗的96％為工業壓縮機的耗電。我國工業壓縮機的耗電量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倍的日本的工業壓縮機耗電量僅為400億度。這說明我們在調整產業經濟結構的同時，還需大力提高壓縮空氣系統的能源利用效率。

2　空壓機主機比功率的質量等級劃分

上世紀九十年代以來，我國先后制訂了滑片、往復活塞、螺桿等空氣壓縮機的產品質量井等標準，包括：JB/TQQ767-89《一般用噴油滑片空氣壓縮機產品質量分等》、JE/T53054-1992《一般用往復活塞空氣壓縮機產品質量分等》lB/TA30A6-1992《一般用噴油螺桿空氣壓縮機產品質量分等》等。分等標準根據產品的比功率、油耗等指標，將產品劃分為合格品、一等品、優等品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，對提高空壓機節能技術改造發揮了主要的指導作用。1999年又先后發布了修訂的質量分等標準，包括：JE/ T53054-1999《一般用往復活塞空氣壓縮機產品質量分等》、IE/T53056-1999《一般用噴油螺桿空氣壓縮機產品質量分等》、JBT53225-1999《一般用噴油滑片空氣壓縮機產品質量分等》、IE/T53250-1W9《罐車用風降滑片空氣壓縮機產品質量丹等》、IE/T53176-1999《中、高壓車裝風摶往復活塞空氣壓縮機質量丹級》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　壓縮空氣系統節能的技術路線

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、時間是壓縮空氣節能的三要素。

4　當前壓縮空氣系統使用中存在的主要問題

4.1系統泄漏

當前我國氣動用戶的壓縮空氣系統中，能源浪費主要表現為泄漏偏大、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、設備用氣存在浪費、現場工人用氣成本意識淡薄使用隨意等。

根據美國壓縮空氣挑戰項目和中國機電機電系統節能項目的實施經驗大多數壓縮空氣系統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，很多的系統通過壓縮空氣的優化可達到20-50％的節能效果。其中，泄漏量的90％以上來自設備使用中的零部件老化或破損。而尤為嚴重的是，現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系統壓力波動

壓縮機的合理配置及合理運行對節省用電非常重要。通常，為使輸出壓力波動小，很多壓縮機采用吸氣閥調節方式。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，導入變頻控制、采用壓縮機群專家控制系統等措施對節省電力十分有效。

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

壓縮空氣系統的能源消耗與系統的供氣壓力成正比例關系，系統供氣壓力越高，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％。壓縮空氣系統壓力波動的最小值必須滿足系統最苛刻的壓力需求，也就是說，系統壓力波動的最小值要高于工藝需求壓力的最大值。

4.3系統壓力降

任何介質的傳輸都存在著壓力降，合理地控制壓力降有利于節能降耗。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，表面上節約維修成本，但并不能節約運行成本。不僅多消耗了電力，而且多耗的油進入后處理系統、管網系統會帶來意外事故。

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、管道內表面粗糙度、管道的彎頭及變徑接頭數量。管徑選擇建議：空壓站房內與空壓機相連的總管尺寸選擇時最好保證管道內流速不超過6 m/s。離開空壓站到主管道尺寸選擇應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該保證其壓縮空氣流速不超過15 m/s。

4.4系統水分較大

無論哪種空壓機都吸入空氣中的雜質并將它們濃縮數倍。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。只有當壓縮空氣經過后冷卻器、冷凍式干燥機或者進入壓縮空氣管網時，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生與空氣的相對濕度、壓縮空氣的溫度和壓力密切相關。空氣的相對濕度越高，壓縮后越容易產生冷凝液；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，因而越容易產生冷凝液。

單位體積空氣中的所含水蒸氣的質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下，水蒸氣凝結成水時的溫度。

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，則輸送到主管內的水約為30升。

5　節能的措施

（1）壓縮空氣的產生：壓縮機的合理配置與運行，供給壓力的降壓及運行模式優化，壓縮機與空氣凈化設備狀態的日常管理等。杜絕無意識浪費在空氣壓縮機管理中我們要養成以下良好的習慣：空氣壓縮機停下后應關閉電源、關閉隔離閥。不關隔離閥，有些控制用氣繼續消耗會造成浪費。

（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，管網節點配置的合理化，耗氣量分配的監測與日常管理等。

（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，氣缸驅動回路及驅機械工程公動速度的改進，測量管路的最短化等。

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

根據季節的不同及時調節電磁排水閥的定時，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定空氣壓縮機的運行，而且還能降低油耗使系統正常運行，進一步降低功耗。油分離器只能分離液態油而不能分離氣態油，當溫度過高時易產生油氣隨壓縮空氣進入后處理設備，除增大油耗外，還會污染這些設備，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定空氣壓縮機的運行，而且還能降低油耗使系統正常運行，進一步降低功耗。

6　結束語

節能措施的應用，很大程度提高了空壓機本身的效率和壽命，避免了很多浪費現象。同時，在該系列措施使用后，壓縮空氣系統可以達到20％～50％的節能效果。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，真正與生產直接相關的通常不大于60％。然而，高效率的壓縮空氣系統是一項十分專業的氣壓技術和工程范疇，加上一般使用者因缺乏正確的使用觀念與管理數據，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是一項十分專業的氣壓技術和工程范疇，如果做好措施處理，可確保企業的最大效益。

［1］王革華，等.能源與可持續發展.北京：化學工業出版社，2005.

［2］黃素逸.能源與節能技術北京：中國電力出版社，2004.

［3］秦宏波.壓縮空氣系統動態特性分析.2006.

收稿：2016-07-01

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