壓縮空氣能源的正確使用

吳廣忠, 董雪蓮,霍振軍

(1.青島高測科技股份有限公司，山東 青島 266100;2.思高特自動(dòng)化設(shè)備(青島)有限公司，山東 青島 266100;3.青島建誠偉業(yè)機(jī)械制造有限公司，山東 青島 266100)

0 引言

當(dāng)前我國在氣動(dòng)系統(tǒng)上每年的耗電量高達(dá)2 000億度以上，企業(yè)在氣動(dòng)技術(shù)使用中普遍存在著效率偏低、浪費(fèi)嚴(yán)重、節(jié)能意識(shí)淡薄等問題，超過90% 的氣動(dòng)系統(tǒng)都有20%以上可節(jié)能的空間。

氣動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能要從壓縮氣體的產(chǎn)生、傳輸和使用三個(gè)環(huán)節(jié)入手。按照用最少投資獲取最大效果的原則，節(jié)能的三個(gè)環(huán)節(jié)排序?yàn)椋孩佻F(xiàn)場用氣的合理性(使用)；②壓縮空氣管理(傳輸)；③空壓機(jī)優(yōu)化(產(chǎn)生)。其中現(xiàn)場用氣的合理性是節(jié)能的關(guān)鍵。

1 壓縮空氣的成本計(jì)算

壓縮空氣的成本主要是電費(fèi)成本，大體的估算公式為：

(1)

通常電費(fèi)為0.7元，效率系數(shù)取0.8，以額定功率250 kW、額定排氣量40 m3的空壓機(jī)為例，其單位能耗=(250×0.7)/(40×60×0.8)=0.09 元/m3。

一般企業(yè)的壓縮空氣綜合成本在0.1元/m3(ANR)以上。空壓機(jī)輸出壓力與運(yùn)行電費(fèi)是有一定關(guān)系的，對于螺桿式、活塞式空壓機(jī)而言，通常降低0.1 MPa輸出壓力，可以使空壓機(jī)的用電量節(jié)省7%～10%。

2 現(xiàn)場用氣的合理性

一般使用壓縮氣體的場合普遍存在幾種現(xiàn)象：①泄漏；②吹氣；③壓力損失；④低壓化；⑤間歇控制。

2.1 泄漏

工業(yè)中不應(yīng)該流出或漏出的物質(zhì)或流體流出或漏出機(jī)械設(shè)備以外，造成損失，稱之為泄漏。泄漏處的孔徑d2與泄漏量Q之間有一個(gè)對應(yīng)數(shù)據(jù)關(guān)系，其計(jì)算依據(jù)是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，即：

Q=83×d2×(P+0.101 3).

(2)

其中：P為噴嘴壓力。

公式(2)是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的估算，還可以使用一些精確的測量泄漏量的儀器，如表1所示。

表1 流量測試儀器

造成泄漏的原因主要有兩方面：①由于機(jī)械加工的結(jié)果，機(jī)械產(chǎn)品的表面必然存在各種缺陷和形狀及尺寸偏差，因此，在機(jī)械零件連接處不可避免地會(huì)產(chǎn)生間隙；②密封兩側(cè)存在壓力差，工作介質(zhì)就會(huì)通過間隙而泄漏。消除或減少任一因素都可以阻止或減少泄漏。就一般設(shè)備而言，減小或消除間隙是阻止泄漏的主要途徑。

2.2 吹氣

吹氣是指的一種動(dòng)作，泛指將管路內(nèi)的氣體排放到外界。吹氣的主要功能有：①除塵、除水、干燥、降溫；②分離；③吹出；④貼附，噴涂。吹氣存在3個(gè)問題：噴嘴末端的壓力損失高、吹氣供給壓力選擇不當(dāng)和無工件時(shí)仍然吹氣。

2.2.1 噴嘴末端的壓力損失高

噴嘴末端壓力損失大導(dǎo)致供氣壓力高，供氣壓力高導(dǎo)致耗氣量大，耗氣量大導(dǎo)致耗能多。改善這個(gè)問題的對策如下：

(1)通過加裝噴嘴，減少下游有效截面積，降低流量，提高噴出的氣體壓力。其原理類似于我們張大嘴去吹氣和收攏嘴去吹氣的差異。噴嘴口徑和流量的關(guān)系如表2所示，在距工件距離不變、噴出壓力不變的前提下，通過更改噴嘴的口徑，對應(yīng)噴出的氣體流量需求。

表2 噴嘴口徑和流量的關(guān)系

(2)通過采用低壓損元件增大上游有效截面積。按照1 min吹氣一次，每次20 s，工作時(shí)間8 h/d×300天計(jì)算得出的噴嘴形式與年耗氣量的關(guān)系如表3所示。通過表3中的數(shù)據(jù)可以直觀地看出,采用氣槍配長噴嘴年耗氣量明顯降低，間接地表征出供給壓力有所降低。

表3 噴嘴形式與年耗氣量的關(guān)系

2.2.2 吹氣供給壓力選擇不當(dāng)

不是說供給的氣壓越高越好，吹擊力是與噴嘴的直徑和距工件的距離相關(guān)的。此問題的改善建議是：按照功能需求合理供壓。

2.2.3 無工件時(shí)仍然吹氣

大多企業(yè)都不太在意吹氣的休息問題，沒有工件時(shí)是需要休息的，哪怕是僅僅1 s、2 s，但是日積月累就多了。此問題的改善建議是：使用合適的機(jī)械閥、電控閥、氣控閥，使得無工件時(shí)停止耗氣。

2.3 壓力損失

壓力損失顧名思義就是氣體壓力沒有被用于有益的工作，而是無端地?fù)p失浪費(fèi)了。導(dǎo)致壓力損失的兩個(gè)主要原因是：①主管路管徑小導(dǎo)致的壓力損失，如圖1所示；②過濾器濾芯阻塞導(dǎo)致壓力損失，壓縮空氣過濾器濾芯會(huì)隨著使用時(shí)間增長而慢慢堵塞，導(dǎo)致進(jìn)出口壓力差增大，空壓機(jī)需要更多工作來彌補(bǔ)此部分壓力損失，花掉更多的電費(fèi)。

圖1 管子直徑與壓力損失的關(guān)系

2.4 低壓化

低壓化是指氣源的輸出端和主管路應(yīng)采用低壓傳輸?shù)脑瓌t，它和常規(guī)意識(shí)的高壓輸出可以抵消壓降的思路是完全相反的。其實(shí)在整個(gè)氣路中需要達(dá)到高壓的位置并不是很多，大多低壓就可以滿足。所以，可以使用整體低壓、局部增加的策略來滿足不同位置的要求。僅少量位置需要高壓，可以降低空壓機(jī)輸出的壓力，有效降低空壓機(jī)運(yùn)行電費(fèi)。另外，減壓閥的穩(wěn)壓功能也同樣不可忽視，同樣流量下，穩(wěn)壓特性越好，對上游壓力的需求越低。

2.5 間歇控制

間歇控制是指氣路系統(tǒng)該休息時(shí)就得休息，和無工件時(shí)仍然吹氣所表達(dá)的意思有些相近。另一方面，間歇控制還闡述了一個(gè)停止的概念，引申為截止，阻斷氣路氣體的傳輸，例如當(dāng)管路出現(xiàn)泄漏點(diǎn)時(shí)，要么及時(shí)處理好泄漏的位置，要么設(shè)備停機(jī)直接截止氣路，同樣可以起到節(jié)約能源的作用。有些時(shí)候，由于手動(dòng)氣源開關(guān)位置偏僻，容易被忽略且操作不便，可以引進(jìn)一種可與電源開關(guān)聯(lián)動(dòng)的截止閥。

在常規(guī)的氣路中耗氣量最大的是真空元件，真空發(fā)生器在工作時(shí)是持續(xù)耗氣的。以某企業(yè)的一套真空裝置為例，說明采用間歇控制前、后的節(jié)能效果。采用雙級噴嘴技術(shù)，可以提高真空效率，需要真空時(shí)才給真空發(fā)生器供氣,真空壓力達(dá)到時(shí)便自動(dòng)停止。按照每天工作24 h，每年工作300 d，電費(fèi)成本0.1元/m3來計(jì)算。有無采用間歇控制經(jīng)濟(jì)效益比較見表4。

表4 有無采用間歇控制經(jīng)濟(jì)效益比較

由表4可以看出：采用間歇控制后發(fā)生器每年節(jié)省成本2 328.2元，壓縮空氣運(yùn)行成本消減88%。

3 結(jié)語

通過本文的分析，了解了如何正確合理地利用壓縮空氣能源，即減少流量和壓力損失、利用正確的氣路控制元件、控制氣體合理輸出，節(jié)能空間大，成本投入小，經(jīng)濟(jì)效益可觀。