空壓機能耗檢測分析

董旭慧

（山西科林礦山檢測技術有限公司，山西陽泉 045000）

1 空壓機及能耗的概述

空壓機，即空氣壓縮機，是利用電能做功壓縮空氣產生高壓來驅動其他機械裝置運行的設備，是構成氣源裝置的核心部件[1]。空壓機依據其工作原理可分為：容積式、動力式。容積式壓縮機提高空氣壓力是依靠活塞在汽缸內作往復運動，將氣體的體積壓縮，從而提高單位體積內的分子密度，其根據結構以及活塞運動方式的不同可分為：往復式與回轉式。動力式壓縮機提高空氣壓力是通過葉輪高速旋轉，增加氣體分子動能，然后將其轉化為氣體的壓力能，廣泛使用的主要有4種類型：離心式壓縮機、軸流式壓縮機、混流式壓縮機、旋渦式壓縮機[2]。

空壓機雖然應用于各行各業，尤其在工業中占據不可取代的位置，其優點也顯而易見，但是由于需要消耗電能做功增壓，其能耗問題一直以來是一個棘手的問題。據調研，在全國發電總量中，空壓機耗電量便占到9%～10%，在企業總耗電量中，更是高達15%～35%，年耗電成本在整個運行成本中更是一直居高不下，高達到80%[3]。然而如此迫在眉睫的能耗問題，卻很少有企業會去做定性、定量的能耗檢測與分析，所以針對目前空壓機能耗存在的浪費現象，本論文將對空壓機能耗問題的檢測與分析進行一個詳盡的論述。

2 空壓機的工作原理

空壓機是能量轉換裝置，以空氣為原料，通過壓縮作用改變空氣分子密度的原理使得被壓縮空氣超過大氣壓力，將電動機的機械能轉換成氣體壓力能[4]。

2.1 單螺桿式空壓機的工作原理

單螺桿空壓機的工作原理是依靠兩個對稱配置的星輪將壓縮空間分為兩個，其中兩個空間內的平衡力對稱，這兩個星輪交互轉動，分別壓縮各自空間內的氣體產生高壓空氣[5]。由于星輪的制作材料為塑料，在與螺桿高速高溫的相對運動中，會加速星輪的快速磨損，造成產生的壓縮氣體總量快速下降，所以該問題是現制造行業亟待解決的問題之一。

2.2 活塞式空壓機的工作原理

活塞式空壓機內有一套改變運動方式的裝置——曲柄連桿機構，可以將電動機的旋轉運動轉變為活塞的直線往復運動，其中通過進氣閥、排氣閥循環地自動打開與閉合完成吸氣、壓縮和排氣過程[6]。它是空壓機最早采用的方式，技術手段相對比較落后，而且由于氣與油沒有明顯分開，導致氣體中含有一定量的機油，故此種空壓機只能用于精度要求不是很高的行業，同時還存在一些不可避免的缺點：主機壽命短、噪音大，氣體脈沖現象嚴重等。

2.3 滑片式空壓機的工作原理

滑片式空壓機的主要結構是轉子，在其長度方向有一定數量切割的槽，槽內涂有油膜，油膜上嵌有滑片，滑片在油膜的作用下可以在槽內滑動。其具體的工作原理是轉子在氣缸內的定子中旋轉，由于旋轉作用產生離心力，滑片受到離心力的作用脫離滑槽，形成數個密閉的壓縮室，隨著旋轉，壓縮室的體積逐漸減小，達到增大空氣壓力的目的。滑片式壓縮機與活塞式壓縮機類似，應用比較早，方式落后，油氣難以分離，需采用油氣分離器進行分離，同樣不可應用于精度要求很高的制造行業。

2.4 離心式空壓機原理

離心式空壓機的主要結構是葉輪，進入壓縮機的空氣會隨著葉輪急速旋轉，氣體便會被壓入擴壓器，葉輪繼續旋轉，空氣被逐步加壓。該種空壓機避免了油氣難以分離的缺點，實現了無油壓縮，能耗低，維修方便，排氣量大。

3 空壓機能耗的影響因素

對于電動機驅動的空壓機而言，能耗便可以認為是電耗，電耗一般與兩類條件有關：可控因素與不可控因素，可控因素包括：進氣壓力、氣泵的等溫效率、排氣壓力、排氣量；不可控因素包括：環境溫度、空壓機的機械效率。

（1）環境溫度降低以降低電耗。環境溫度人為很難控制，在能耗研究方面，不是主要的研究因素。

（2）進氣壓力提高以降低電耗。進氣壓力主要由自然因素與非自然因素兩方面控制，自然因素便是當地的大氣壓，非自然條件便是吸氣系統阻力，主要由過濾器的阻力決定，所以在使用過程中，需要定期清潔過濾器，使得阻力不至于過高而造成電能不必要的浪費。

（3）氣泵的等溫效率提高以降低電耗。空壓機的等溫效率是指在氣體壓縮過程中，盡量使得氣體在相同的溫度下壓縮，而等溫壓縮與使用方式密不可分。所以在使用過程中，著重注意氣體在各級冷卻器中的冷卻效果，改善空壓機等溫效率，節能減耗。

（4）空壓機的機械效率提高以降低電耗。空壓機一旦被制造并投入生產后，該因素便成為不可人為控制的因素，因為它是空壓機的一個固有屬性，決定于它的制造過程，在正常運行過程中，該參數基本沒有變化。

（5）排氣壓力降低以降低電耗。基于空壓機特性曲線：排氣壓力降低，排氣量會增加，不僅可以降低電耗而且可以增加排量。

（6）空壓機排氣量降低以降低電耗。當壓縮空氣壓力過剩，用氣設備應降低負荷工作，可以通過調節空壓機的導葉部件減少空氣流量，從而降低電耗。

4 空壓機能耗分析

壓縮空氣系統的流程如下：空壓機→管網→用氣設備，故主要從這3個系統進行能耗分析。

4.1 空壓機

空壓機是能量轉換設備，將電能轉化為空氣壓力能，在其連續工作過程中，空壓機效率直接影響能量的轉換率，即電能的利用率。

以螺桿式空壓機為例，其主要結構是螺桿轉子，在工作一段時間后，螺桿轉子勢必有一定程度的磨損，單位時間內排氣量降低。依據此問題，考慮更換一個新的轉子，經過一年的時間運行，對更換轉子的空壓機進行能耗以及排氣量的測量，對比先前未更換轉子一年內的能耗與排氣量，可以發現，由于空壓機效率的降低，更換轉子前后年耗電量成本的差值按現有電價計算高達十幾萬元，接近一個新的轉子價格。

4.2 壓縮空氣管網

壓縮后的高壓空氣需要輸送到用氣設備，這就需要用到管網，它對整個空氣系統有著不可替代的作用，管網需要有效地降低壓力的損耗。在確保用氣設備氣壓不改變的條件下，管網的壓力損耗越小，空壓機的出口壓力就越高。由于電動機消耗的能量轉換為壓縮空氣的壓力與流量，管網的壓力損耗越小，相同流量的條件下，電動機消耗的能量便越小。所以在管網管理中，要盡可能找到管網的瓶頸部位，即管徑最細的部位，在該部位流量較大時會產生較大的壓降，增加能耗，這就需要工廠管理者解決好這一管道問題，以便節能減耗。

4.3 用氣設備

通過對主要用氣設備的了解，明確了其對空氣壓力的具體要求。為保證實際生產的連續不間斷以及安全的前提下，管網中的空氣壓力需要高于實際所需的壓力，因為用氣量會不斷變化，同時引起的空氣壓力變化，用氣設備仍需維持其最低需求。由于該用氣壓力的限制，雖確保了用氣設備的最低壓力，但是不可避免地造成了壓力過剩，勢必導致能耗增加。

5 空壓機能耗檢測方法

通過上一節對能耗的定性分析，那么運用指標比功率(kW·h)∕m3可以定量地檢測能耗水平，其計算公式為[7]：

比功率=空壓機輸出功率（kW）∕空壓機排氣量（m3h）

可以借助于流量計檢測空壓機性能，通過比功率與實際電耗計算空壓機效率，空壓機效率越高，說明能量損耗越小，電能所做的有用功越多，該空壓機性能越好，同時可以通過對檢測結果分析，科學地使用、維護、管理以及更換空壓機。

6 總結

在全球能源嚴重供不應求的惡劣形勢下，能耗問題已然成為企業極為突出的問題，目前多數企業已經開始關注這一問題并不斷尋求能源浪費的主要原因，力求在保證生產的前提下，降低能耗。據調研，空壓機耗電量占總耗電量的比例：在部分行業竟高達70%，而在整個行業內平均耗電量仍不低于30%。所以，對于企業而言，空壓機能耗檢測與分析勢在必行，通過檢測與分析，以尋求節能的空間。