空壓機系統實際運行效率評價方法分析

劉洋博，何興靈，李曉翠，陳 艷

（紅塔煙草（集團）有限責任公司昭通卷煙廠，云南 昭通 657000）

空壓機作為卷煙廠重要設備之一，可為卷煙生產設備提供壓縮空氣，是卷煙生產的主要動力源之一，適用于卷煙機、制絲機、包裝機等設備中，為上述設備的氣動部件、工藝部件提供動力空氣，是卷煙生產高效、可靠運行的重要保障。

在工業生產階段，空壓機系統的耗電量在國內總用電量中的占比達到9.41%，雖然壓縮空氣屬于清潔能源，但如果空壓機耗能嚴重，則同樣會影響節能效果。對此，應采用多種評價方法，判斷空壓機系統運行效率是否滿足要求，并對影響其運行效率的因素進行有效管控，及時發覺并消除設備故障，從而減少能耗，促進系統能效提升。

1 空壓機系統的構成要素

1）空壓機。在生產設備系統運行中需要用到空壓機，將大氣吸入到內部壓縮部件中，通過增壓方式產生大量高壓空氣，對空壓機系統運行效率產生較大影響。根據運行原理的不同，可將空壓機分為兩種類型，即容積型空壓機與動力型空壓機。應用較為頻繁的螺桿式空壓機屬于前者，技術原理為陰陽轉子與星輪、配套機體構成的容積變化，產生吸氣、壓縮、排氣的持續工作過程。在運行效率評價方面，以比功率為評價依據，如果該項指標較低，則說明系統能效水平較高[1]。

2）干燥機和過濾機。該系統的后處理部分主要由干燥機和過濾機構成，其作用在于剔除壓縮空氣內的水、油等污染物。根據運行原理不同，可將干燥機分成冷凍式干燥機、吸附式干燥機兩種形式，在運行中會消耗一定量的壓縮空氣，冷凍式干燥機的消耗量為總處理量的12%~18%之間，吸附式干燥機的消耗量為總處理量的7%~10%之間，后者的消耗量低于前者，特別是在微熱再生吸附式干燥機應用中，消耗量為最低，這是通過減少空壓機非必要做功來實現的。

3）壓縮空氣管路。系統內各處壓縮空氣管路布置合理性以及連接點氣密性，對系統運行效率具有直接影響，還與壓縮空氣是否浪費息息相關。如果壓縮空氣管路布局合理，且各處連接點密封牢靠，則會有效降低壓縮空氣的浪費量，促進系統運行效率提升；如果出現壓縮空氣泄漏情況，則會降低系統壓力值，使企業被動提高空壓機的排氣壓力，致使設備供氣量與實際需求不相符。但是，部分企業對壓縮空氣泄漏問題的重視度不高，由此造成大量能源浪費。據調查，當供氣壓力為0.7 MPa時，直徑為1 mm的泄氣孔每年將會損失能源6 660 kWh，在無形中造成了資金浪費。

2 空壓機運行效率的評價方法

1）機型配置合理性評價。在空壓機系統配置中，機型選擇對系統能效具有直接影響：合理的機型可幫助系統能效提高到最大；反之，則會影響系統能效發揮，無法達成預期壓縮目標。在機型選擇時，不但要優先選擇比功率較低、節能性較強的空壓機，還應確保額定產氣量配置合理。在生產階段，受多種因素影響，存在許多不確定性，容易使壓縮空氣需求量發生改變。例如，某企業共配置5臺空壓機，1號為變頻型空壓機，其他均為定頻型空壓機，各臺空壓機具體的比功率參數為：1號為79 m3·min-1；2號和3號均為60 m3·min-1；4號為50 m3·min-1；5號為30 m3·min-1。在此條件下，如果需求量位于20~40 m3·min-1范圍內，則其中某臺空壓機的運行效率便會降低。因此，最好配置1臺10 m3·min-1和2臺15 m3·min-1的空氣壓縮設備，其中1臺15 m3·min-1的空氣壓縮設備為變頻型空壓機，適用于多個供氣范圍。以螺桿空壓機為例，變頻器在永磁電動機作用下可起到強大的節能效果，與常規型號相比節能超過30%，適用于企業生產階段多種工況下的壓縮空氣需求[2]。

2）運行效率的綜合性評價。空壓機系統的內部結構較為復雜，在運行效率評價中，不但要對核心設備單獨分析評價，還要進行綜合性評價。由于每個構件對系統能效產生的影響程度不同，因此可利用權重計算法進行綜合測評，首先要明確評價內容與標準，其次為每項內容賦予相應的分值和權重，最后根據得分情況對系統運行能力進行正確判斷，具體見表1。根據總分值情況進行綜合性評價，如果總分值超過80分，則說明系統能效較高；如果總分值在60~80分之間，則說明系統能效一般；如果總分值低于60分，則說明系統能效較低。

3）系統管理評價。通過科學高效的管理，能夠使空壓機系統長期穩定、高效運行，對于大多數企業而言，空壓機比功率較低、故障較少便可稱為高能效，這種說法實則有些片面。在系統全生命周期運行中，初始投資費用僅為總費用的10%，后期的運行與維護投資費用占總費用的90%，這意味著系統運維管理效果才是系統能效的主要評價依據。在實際管理中，不但要定期養護，還要詳細記錄系統使用期間產生的耗電量、產氣量、管網壓力波動情況、泄露情況等，將其與空壓機系統中的氣電比進行對比分析，采用同比、環比等多種方式，探究空壓機系統使用中能耗發生的改變，可及時掌握能耗異常情況，進而明確系統能效的影響因素與成因[3]。

4）系統運行可靠性評價。先在空壓機上設置多個監測點，主要設置在電機、空壓機主機上，將各點位的振動烈度與標準值進行對比，得出不同點位的線性可靠度，對于線性可靠度較低的區域，實施歸一化小波信息熵處理，并與頻譜相結合，與正常情況下同樣點位進行對比，得到空壓機的系統運行可靠性評價結果。本研究以振動速度信號有效值為特征，將線性可靠度與歸一化小波信息熵算法相結合，判斷系統運行效率是否退化。

一是設備狀態監測。以某車間的螺桿式空壓機為例，在設備狀態監測期間，發現5號設備的振動較大，剩余設備均無異常。對5號空壓機的振動狀態進行現場監測，利用DH5901采集儀獲取數據信息，并用MATLAB軟件進行故障診斷，在單通道下進行采樣，頻率為2 560 Hz，數據長度為4 096，靈敏度為20 mV/G。在5號空壓機上布置5個監測點，均采用Vibration技術進行振動烈度監測，其監測點的位置、方向、振動烈度見表2。根據表2可知，主機監測點的振動烈度相對較大。

表2 設備狀態監測結果

二是線性可靠度。在現場監測后，得出5個監測點的振動烈度值，為了使該項指標擁有可靠度數值依據，根據國際標準ISO 2372《設備振動標準》，對振動烈度值進行分段處理，與[0，1]可靠度范圍相對應，共分成4種類型，具體如下。第一類：功率低于15 kW，在常規情況下，可與整機相連的發動機。第二類：功率在15~75 kW范圍內，帶有專用尺寸的發動機與中等尺寸機器。第三類：功率超過300 kW，采用剛性連接的大型原動機。第四類：功率超過300 kW，采用柔性連接的大型原動機。

在監測點線性可靠度指標R（x）的分析中，如果該指標超過0.9，則意味著振動狀況良好；如果該指標在0.7~0.9之間，則意味著振動良好；如果該指標在0.5~0.7之間，則意味著振動中等，但有劣化的概率，應該密切監測；如果該指標低于0.5，則意味著設備正處于故障狀態，且情況危急，隨時有失效的危險，需要立即停機整修。在系統運行可靠性評價中，線性可靠度指標R（x）的計算公式為

式中：x為不同監測點的振動烈度值；x1為第一類設備的烈度值；x2為第二類設備的烈度值；x3為第三類設備的烈度值；x4為第四類設備的烈度值。評價對象的銘牌中標記，額定功率為300 kW，屬于第三類設備，將其數值代入式（1）中，可對各監測點的線性可靠度指標R（x）進行計算，見表3。發現主機內部存在明顯積炭情況，但陰陽轉子未有明顯的磨損，初步判斷是過濾器受損所致。在內腔清理干凈后，整體運行噪音明顯降低，相同監測點的振動值也有所改善。在檢修后，對3號監測點信號進行小波包3層分解，獲取8個頻帶相對能量分布情況；與檢修前相比，發現相對能量匯集到第一個頻帶上，意味著空壓機系統此時運行狀態較為單一，見表4。經過檢修后的信息熵值、可靠度均接近標準值，意味著空壓機系統此時運行狀態良好。

表3 評價對象各監測點線性可靠度

表4 檢修前后3號監測點指標對比

根據表3內容可知，該空壓機中電機位置沒有明顯的異常，但主機監測點顯示設備運行情況為“中等，具有惡化可能，應及時尋找振動過高的原因”，值得強調的是，本研究根據國際標準ISO 2372《設備振動標準》進行線性可靠度評價，不同振動等級的點位區間屬于線性函數，適用于烈度值在0~1之間的可靠度評價，且為定量評價。要想獲得更為準確的可靠度，則需要利用歸一化小波信息熵，并與頻譜分析相結合，對空壓機振動過大的成因進行深入剖析[4]。

三是歸一化小波信息熵與可靠度。指標公式為

3 結束語

綜上所述，在空壓機系統運行期間，為了避免造成不必要的能源資源浪費，除了優先選擇比功率較低的機組之外，還應注重各組成部分對系統整體能效產生的影響。對此，應開展機型選擇、系統管理、系統運行可靠性等一系列評價工作，明確評價內容、標準與權重分配，并根據得分情況，使系統能效得到客觀準確的評價，取得理想的應用效果。

式中：S為歸一化小波信息熵；Eli為相對能量。在頻帶中相對能量均一致的情況下，S取值為1；如果頻帶能量相對集中，則意味著某一監測點的振動狀態單一，此時S取值為0。在被測對象處于故障狀態時，頻帶內相對能量處于分散狀態，S取值接近于1，則該設備的可靠度接近于0，意味著系統運行可靠性較低。由技術人員將故障設備拆機后，