壓縮空氣系統節能改善理論與實踐

韓泰輪胎有限公司 吉小亮，石初，楊開九，楊春江

壓縮空氣是工廠運營過程中最貴的能源，空壓機電能轉換過程中做功90%是熱能消耗，只有10%左右轉換為空氣動能，工廠對空壓機的管理尤為重要。對于壓縮空氣系統的節能，我們可以從以下幾個方面著手：（1）泄露管理，（2）空壓機優化，（3）空壓機群控，（4）后處理優化，（5）管道優化，（6）熱回收等等。

一、壓縮空氣系統的問題

（一）產氣端

在氣體生產的過程中，各設備按排氣口的壓力運行，協調度低，大功率設備加載率低，造成設備性能浪費。

另外，如果站房通風不暢，造成負壓，進氣量會減少；如果設備的維護保養做得不到位，空濾積灰，也會造成進氣量減少，相應的產氣量也會減少。

（二）輸氣端

在氣體運輸的過程中，管道漏氣是造成浪費的罪魁禍首。而因為管道摩擦、拐彎、管道變徑等設計不合理而造成的氣體壓力下降，屬于隱形的浪費，不通過壓力變送器等儀器儀表的監測，根本不知道浪費有多嚴重。

（三）用氣端

原本是間歇性的工藝卻一直在連續用氣；加下班后工人用壓縮空氣吹頭發和身上的灰塵；不同用氣點壓力需求不一樣，在實際過程中卻高低壓混用。這些用氣端的浪費，日積月累下來，造成的損失驚人。

二、壓縮空氣系統的節能機會

（一）壓縮空氣的泄漏治理

在泄漏問題上，我國工廠中的泄漏量通常占供氣量的20-40%，而管理不善的工廠甚至可能高達50%。在工廠，完全堵死泄漏不現實，即使采取大規模的堵漏運動，半年后泄漏仍會重新出現。所以，對企業而言，堵漏工作應該常態化，必須將其作為一項日常工作來實施，這樣才能將泄漏現象動態地控制在最低水平。

根據相關資料計算，在7公斤壓力、RMB0.15/M3壓縮空氣的條件下，一個直徑為1mm的泄漏點，每年的泄漏量為38500M3，成本為5770元；一個直徑為4mm的泄漏點，每年的泄漏量達到54660M3，成本為82000元。檢測到泄露并不能實現節能，只有在最短的時間內修復泄露才能節能！

泄露管理的工作流程：前期測量監控，泄漏水平初步摸底→現場診斷調查，實際泄漏情況系統登錄→根據泄漏水平制定修復計劃→修復物料及修理人員準備→現場修復→后期測量反饋，整理效果報告→持續運營。

（二）空壓機優化

比功率（電氣比）：是空壓機耗電量與空壓機產氣量的比值，是設備運行的能效指標，可用來判斷空壓機性能變化情況?？諌簷C比功率越低，供氣越經濟，反之越高，用能越浪費，計算空壓機比功率需要在空壓機出口安裝壓縮空氣流量計，安裝電表，通過相應系統的自動采集及計算，生成空壓機比功率的變化曲線，來評價空壓機的運行效率，同時，可以將空壓機的比功率進行對標，判定空壓機目前的效率水平，參照標準：GB19153-2019容積式空氣壓縮機能效限定值及節能評價（見圖1）。

圖1 某工廠空壓機效率智能監控系統

空壓機效率優化方案：（1）根據對標淘汰落后高耗能空壓機；（2）空壓機進行變頻改造，可以達到理想的節電效果；（3）空壓機永磁電機改造；（4）按照周期定期進行維護保養，保證空壓機效率最大化運行；（5）空壓機合理配置選型，根據用氣量及用氣波動情況合理地搭配離心機與螺桿機。

（三）多臺空壓機的集中控制優化

按照用氣量需求，智能地選擇最優的機器組合控制方案，使能源得到最優化控制，實現最大節能，為保證正常生產，安全供氣。若沒有集中控制系統，通常采取人工控制，根據壓力進行空壓機的啟停機、加卸載的控制，有時會導致空壓站的出口壓力設定偏高，總管的壓力波動范圍也會比較大。多臺空壓機的自動集中控制一般通過以下四部實現；第一步、采集空壓站房內所有設備的數據，給設備安裝數據采集節點，將采集到的設備數據，傳輸到安裝在站房內的邊緣服務器，然后將邊緣服務器的指令，傳輸到設備上，實現對設備的控制。第二步、精準智控。在站房內安裝一臺邊緣服務器，根據節點實時收集來的數據，針對站房排氣壓力、流量、耗電量等多個參數，采用多約束條件控制算法，進行計算和決策，并將指令下發到節點上，智能控制主設備、后處理設備及其他輔助設備。它也會通過4G網絡將數據上傳到云端，獲得更強大的算力支持。第三步、穩壓供氣。通過窄帶恒壓技術，以用氣末端的壓力和流量為調控依據，縮窄壓力波動范圍30-70%，解決傳統站房“層疊式寬壓力帶”的高耗能運行問題。并能根據不斷變化的用氣需求，實時調配不同的供氣流量及壓力，保證供氣穩定。第四步、云端加持。云端服務器會對邊緣服務器傳過來的數據進行分析、存儲、診斷，并通過強大的AI算法能力分析站房能效等級，根據系統收益、單位能耗、累計用氣、用氣波動等參數，在云端支持站房內邊緣服務器的計算和控制能力。

（四）壓縮空氣輸送中的節能優化

壓縮空氣在輸送過程中也會形成大量的冷凝水，若冷凝水不被及時去除，可能造成嚴重的設備故障。具體來說即滲透至設備各輔助部件的冷凝水可能導致嚴重問題，如生產線停產和產品缺陷。

冷凝水排放的三種方式：

①閥門直排：人工定期排水/長時間直排（最常用及投入最小的方式，稍稍打開閥門即可，但是會造成巨大的空氣損失）。

②時間控制電磁閥自動排放：利用電磁閥設定時間定期排水，如時間設定不合理，會導致水排不干凈或者額外排掉壓縮空氣，造成浪費。

③疏水閥/零氣耗自動排水閥：自動排水，只排水，不排氣，是目前最能避免壓縮空氣浪費的方式。

空氣疏水器與蒸汽疏水器的工作原理及結構大同小異，僅在對空氣的處理有所不同。它屬于機械式疏水器，基于浮子重力和凝結水浮力動態平衡的原理進行工作，它不會使空氣通過而只能排出凝結水。為了防止“空氣綁”空氣疏水器閥蓋上設有一個平衡管接口與儲氣罐或干管相連接。（見圖2）

圖2 壓縮空氣儲氣罐的自動排水改造

（五）管道優化

（1）主管路配管時，管路須有1°至2°之傾斜度，以利管路中的冷凝水排出。配管管路之壓力降不得超過壓縮機設定壓力之5%，故配管時最好選用較大的管徑。

（2）支線管路必須從主管路的頂端接出，避免主管路中的凝結水下流至工作機器中，壓縮機空氣出口管路最好應有單向閥。

（3）應在主管路末端加裝球閥或自動疏水閥，以利于冷凝排放。

（4）主管路不要任意縮小，如果必須縮小時須使用漸縮管，否則在接頭處會有混流情況發生，導致大的壓力損失，也影響管路的使用壽命。

（5）壓縮機之后如果有儲氣罐及干燥器等緩沖凈化設施，理想之配管應是壓縮機+氣水分離器+儲氣罐+前過濾器+干燥機+后過濾器+精過濾器。如此，儲氣罐可將部分的冷凝水濾除，同時儲氣罐亦有降低壓縮空氣溫度的功能,可減輕干燥機或過濾器的負荷。

（6）若系統之空氣用量很大且時間很短，瞬時用氣量很大，宜加裝一儲氣罐作為緩沖之用（其容量應大于或等于最大瞬時氣量的20%），這樣可以減少壓縮機組頻繁加載卸荷的次數，減少控制元件動作次數，對保持壓縮機的運行可靠性有很大的益處。一般情況下，可選擇容量為排氣量20%的儲氣罐。

（7）管路中盡量減少使用彎頭及各類閥門，以減少壓力損失。

（8）建議采用全封閉環形主管路，這樣能保證氣壓平衡。

（9）綜合成本及使用工況考慮使用不銹鋼管道及不銹鋼過濾器等，包括新型鋁合金管道等。

（10）在主管路上分段分區設置控制閥，便于分段維修。

（11）各車間可安裝流量計、完善壓力表。

（12）如有多種壓力需求，應當區分供氣，避免減壓浪費。

（六）空壓機余熱回收

大多數企業壓縮空氣的使用現狀：主產品：熱量，副產品：壓縮空氣，目前的狀況是利用副產品，浪費主產品，并且還要通過冷卻風機，冷卻塔，冷卻水泵，冷凍水等方式和設備來幫助空壓機散熱，確保壓縮機的正常運行。（見圖3）

圖3 改變空壓機的認識：熱能回收前后對比

空壓機熱能回收可用于如下應用：

冬季取暖（熱水空調、暖氣片取暖）、夏季溴化鋰制冷，生活用水（洗澡、洗手、食堂）、生產用水加熱、鍋爐水預熱、原水加熱、純水加熱、工藝水加熱、除濕、工件清洗等。

夏季制冷：按照1500kW的裝機功率，可用于制冷的熱功率為630kw,現使用的低溫型溴化鋰機組的COP在0.7左右，則實際的制冷量為630*0.7=441kw，按照夏季南方地區冷指標160w/㎡計算，可提供的制冷面積為441*1000/160=2750㎡

三、結語

壓縮空氣系統的節能是一個長期持續改善的過程，針對具體個案，從各方面考慮，制定綜合方案，并加強對能耗指標的統計與考核，以取得切實的節能效果。