空氣壓縮機設備節能措施

李陽

（新鄉航空工業（集團）有限公司 河南新鄉 453000）

1 空氣壓縮機介紹

目前主流空氣壓縮機主要有3 種：離心式空壓機、螺桿式空壓機、活塞式空壓機。

1.1 離心式空壓機

離心式空壓機是由葉輪帶動氣體做高速旋轉， 使空氣產生離心力，由于空氣經過葉輪的加壓作用，從而使空氣的流速和壓力得到提高，連續地生產出壓縮空氣。

離心式空氣壓縮機特點有：①設備運行平衡，運轉率高，操作可靠，無摩擦件，后期維護費用少。 ②離心式壓縮機可實現完全無油壓縮。 ③設備產氣量大，結構緊湊，質量輕，占地面積小。 ④離心式壓縮機不適用于氣量小場合，壓比也不能太高。⑤離心式壓縮機的穩定運行工況比較窄， 且氣量的調節不經濟。

1.2 螺桿式空壓機

螺桿式空壓機機頭核心部件是成對的互相嚙合的陰陽轉子，每對轉子互相反向旋轉，達到壓縮空氣的效果。

螺桿式空壓機的特點是：①操作簡便。 螺桿式空壓機自動化程度高，對操作者要求不高，易實現遠程操作和無人值守運轉。②運行可靠。螺桿式空壓機零部件少，維護簡單，沒有易損部件，運轉可靠，使用壽命長。③適用性強。螺桿式空壓機是強制輸氣，因此容積流量不受排氣壓力影響，能夠適用各種不同的工況，并保持高效運行。 ④動平衡好。 螺桿式空壓機無不平衡慣性力，設備高速運行平穩，對設備基礎要求不高。

1.3 活塞式壓縮機

活塞式壓縮機的核心部件是由氣缸、 進排氣閥以及在氣缸中重復運動的活塞構成的。 曲軸旋轉帶動活塞在氣缸內往復工作，完成吸氣、壓縮和排氣的過程。

活塞式壓縮機的優點：①適用壓力范圍廣，活塞式壓縮機可設計成不同壓力下工作， 特別在高壓或者超高壓范圍內是其他壓縮機無法取代的。 ②壓縮效率較高，活塞式壓縮機壓縮氣體的過程屬封閉系統，其壓縮效率較高。 ③適應性強，活塞式壓縮機排氣量范圍較廣， 而且氣體密度對壓縮機性能的影響不如速度式壓縮機那樣顯著， 同一規格的活塞式壓縮機往往只要稍加改造就可以適用于壓縮其他的氣體介質。 ④氣體帶油污，尤其對于有油潤滑更為顯著。 ⑤排氣不連續，氣體壓力有波動，有可能造成氣流脈動共振。 ⑥易損件較多，維修量較大。

2 壓縮空氣需求分析

壓縮空氣需求牽扯多方面因素， 如何高效合理滿足生產需求，這里主要從流量、壓力和濕度等方面進行分析。

2.1 流量

理想的運行情況，生產與消耗相互匹配，壓縮空氣量既滿足需要，又不產生浪費。 但實際運行中，為了滿足生產運行波動情況，壓縮機流量會過大，用戶無法使用過量的壓縮空氣，設備進行減荷運行，此時設備為空載或半空載，能量被直接消耗，做無用功。

2.2 壓力

空氣壓縮機的排氣壓力每增減0.1 MPa 會使能耗增減6%。 為此，排氣壓力一定要根據實際需要合理選擇，不能留出太多的壓損余量。 另外，氣動設備的壓縮空氣消耗量與壓力高低也成正比關系， 合理地降低壓力能減少不必要的壓縮空氣消耗。

2.3 濕度

由于大多數的設備對壓縮空氣中的含水量有要求， 壓縮空氣一般都會進行干燥處理去除冷凝水。 壓縮空氣的干燥程度通常用壓力露點溫度衡量， 壓力露點溫度越低說明壓縮空氣越干燥，相應的也會消耗更多的能源。 冷凍式干燥機壓力露點溫度一般為2 ℃～5 ℃， 消耗的能耗大約是空氣壓縮機的1.5%。 吸附式干燥機的壓力露點溫度可以達到-50 ℃，消耗的能耗相應的高達空壓機的10%～15%。

2.4 潤滑

空氣壓縮機在工作的過程中， 以空氣是否與潤滑油的混合來分類，可分成有油式和無油式2 大類。 潤滑油的參與顯著提升空壓機的容積效率。 因此，從節能的角度分析，有油式空壓機的能效大大高于無油式空壓機。 而更重要的是，無油機整機價格上比油潤滑設備貴1 倍。 除氧壓機等特殊要求的工作情況，壓縮機選擇均應選擇有油潤滑設備，匹配相應的后處理設備，來滿足氣源用戶的需要。

3 空氣壓縮機及后處理設備選型

3.1 壓縮機類型選擇

低壓壓縮空氣（1.6 MPa 以下）的生產：當壓縮空氣使用量穩定且≥100 m3/min 時，建議使用離心壓縮機，當壓縮空氣量不是持續供應或者壓縮空氣使用量＜100 m3/min 時， 建議使用螺桿式壓縮機。 原因是離心壓縮機大流量穩定運行，能耗低，維護簡單。 但是如果用戶能耗變化時，離心壓縮機容易發生喘震及氣窒現象，影響設備正常工作。 啟停機復雜，不能滿足使用。 而螺桿壓縮機便于進行自動調節，更加靈活。

中壓壓縮機，選擇比較多樣。 由于技術的不斷進步，螺桿壓縮機已經能達到4 MPa， 因此在中壓領域1.6 MPa～4 MPa，可以根據需要選用螺桿壓縮機、活塞式壓縮機，以及螺桿—活塞組合壓縮機。 根據實際經驗，建議優先選擇螺桿壓縮機，從而降低運行成本。

高壓壓縮空氣（4 MPa 以上）的生產應采用活塞式壓縮機進行。 建議使用低壓螺桿機生產低壓空氣，進行活塞機二次加壓，得到高壓壓縮空氣，從而降低活塞機備件成本。

3.2 后處理類型選擇

干燥機選擇：冷干機能夠使壓力露點達到3 ℃～5 ℃，滿足一般性需求。 優點是能耗低，處理后壓縮空氣潔凈度高。 吸附式干燥機能使壓力露點達到-40 ℃甚至更低，滿足更苛刻的干燥需要，但是相應的能耗高。 由于干燥劑的原因，潔凈度受到影響。 需要指出的是， 吸附式干燥機需要消耗部分壓縮空氣（無熱吸干機的再生耗氣量高達12% ～15%之間， 即便是微熱吸干機再生耗氣量也高達7% ～8%）， 因此選擇吸附式干燥機的用戶，壓縮機選型應留出相應的余量。

3.3 儲氣罐選擇

儲氣罐一般放在壓縮機與干燥器之間，其作用為：①使空氣得到預先冷卻，粗分離壓縮空氣中水分和雜質，減輕后處理設備的工作負荷，提高設備能效，達到節能作用。 ②消弱活塞式空壓機往復的脈沖氣流，使氣壓穩定，保障供應的壓縮空氣平穩且連續。 ③儲氣調節，平衡系統內短時間內出現的耗氣量與供氣量之間的不均衡當空壓機意外停機時， 儲氣罐能夠作短時間的應急氣源。 ④提供一個較大的系統容量，防止壓縮機設備頻發加卸載，提高設備壽命。

根據壓縮空氣用量，如果用氣量與壓縮機產出匹配時，儲氣罐選擇可以小些；如果壓縮空氣用量與生產不匹配，儲氣罐應選的大些，滿足波動時用戶需求。

儲氣罐容積選擇經驗公式：

V=10NQ/P

式中：V 為儲氣罐容積，m3；Q 為空氣壓縮機流量，m3/min；P 為儲氣罐儲氣壓力（絕對壓力），MPa；N 為冗余系數，用氣平穩取值1， 波動頻繁但幅度不大取值2～3， 波動頻繁幅度大取值4以上。

4 節能措施

針對大用風量用戶，建設大型空氣壓縮站，滿足大規模空氣類試驗的要求， 精準供給。 對不同用途的壓縮空氣進行分類，旨在滿足用戶的需求又不過分消耗能源。 對于分布偏遠或者特殊需要的壓縮空氣 （如加工中心等精密設備需要的壓縮空氣壓力低，流量小，潔凈度高），如果從空壓站引出管道進行專項輸送，造價高，壓降大，耗能多。 因此針對此類設備的低壓氣源供應，宜在設備就近安裝空氣壓縮機及后處理設備，減少沿程損耗，滿足少量壓縮空氣的需要。

4.1 通信設施

針對用氣單位與空壓站距離遠， 生產與消耗無法很好地協調匹配，因此在建設期應建設完善的通信設備，協調匹配動能生產與用戶需求，包括：流量，壓力，濕度等信息，做到最大限度的精準匹配，依需定支出，達到節能效果。 用戶與空壓站建設信號調控及反饋信息，及時控制生產運行情況。 目前壓縮空氣生產與用戶之間通過簡單的調度，例如某天9 時～12 時用壓縮空氣，用戶試驗如果在11 時完成，空壓站未收到反饋的情況下，會持續運行30 min 才逐步停機，此間造成能源的浪費以一臺300 kW 設備為例，每次多消耗150 kWh 電能。

4.2 設備選型

壓縮機設備選型的原則， 應在能夠滿足用戶參數需求的基礎上，盡量達到工頻負荷，減少因壓縮機空載后處理設備過度凈化等造成的能源浪費。 例如3 ℃和10 ℃的露點溫度極可能在使用上并沒有明顯的差異。 但兩者的能耗卻相差10 倍，干燥機的選擇一定要根據實際情況選用， 不必刻意強求過低的壓力露點溫度，因此針對用戶試驗需求，匹配合適的壓力及干燥設備，并根據需求合理的進行供給才能最大程度的節能。

結合工業企業用能生產波動較大的實際情況， 在壓縮機設備選型時，多臺同類設備并聯運行中，宜用1 臺變頻壓縮機進行負荷調節，保證負荷變化時也能讓能源得到的高效利用。其余壓縮機設備在工頻情況下工作達到最節能運行效果，用變頻進行波動調節滿足生產與用戶之間的匹配問題。

4.3 熱能回收

壓縮機在運行過程中會產生大量的熱能， 壓縮空氣在進行試驗過程中，也經常會被加熱處理。 這就使壓縮空氣不僅攜帶壓力勢能， 也攜帶大量熱能。 但是在目前新航的生產工藝中，壓縮空氣附帶的熱能是被直接排放的。 而這部分熱能的回收有很多現實的應用，例如：冬季采暖需要，熱表處理中清洗加熱等。

4.4 能源外包模式

探索能源外包的運行方式， 在精準統計動能使用量的情況下，尋找整體外包的可能性，從而達到減少運行成本、節約人力的作用。 由于各單位情況不同，各類產品生產用能參差不齊，因此，在能源外包探索中應因地制宜尋找合適本單位的能源外包模式。