文_胥觀豪 劉志均

1 深圳市恒力奇能源科技有限公司 2青島馥豪塑業(yè)有限公司

壓縮空氣廣泛地應(yīng)用于工業(yè)制造中，規(guī)模大小不同的制造企業(yè)都在或多或少地使用。企業(yè)一般選擇螺桿式空壓機或者螺桿空壓機加離心式空壓機為主要設(shè)備，輔之以儲氣罐、干燥裝置與管道組成壓縮空氣系統(tǒng)，為工藝、儀器與設(shè)備的控制等提供5～8bar的壓縮空氣。市場上實際使用空壓機的名義效率多數(shù)在為10.91m3/kWh左右，實際監(jiān)測表明多數(shù)壓縮空氣系統(tǒng)（包含干燥裝置等在內(nèi)）能效只有4～5m3/kWh,能效達(dá)6～8m3/kWh的鳳毛麟角。壓縮空氣消耗電能一般占企業(yè)的10%～50%，企業(yè)越大，空壓機越多，能源消耗越多。因此，壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能具有非常重要的意義，應(yīng)專業(yè)地剖析壓縮空氣系統(tǒng)，才能更好地選擇節(jié)能方法。

1 準(zhǔn)確識別壓力的需求

制造企業(yè)末端設(shè)備的供氣壓力一般為5～6bar，實際輸送壓力多為7～8bar，高出實際需求2～3bar。其原因包括：①壓縮空氣輸送管道過長及彎頭曲率半徑過小，大型企業(yè)管道長度普遍達(dá)2km以上，管道架設(shè)路線復(fù)雜、頻繁換向且彎頭選擇錯誤，造成壓降過大；②泄露點過多或泄露源口徑過大，造成壓力降低；③管道及儲氣罐儲氣能力差，氣壓波動較大。解決方案為客觀調(diào)查壓縮空氣壓力及盡量需求、有效治理壓縮空氣泄露、改善管道等輔助設(shè)施、空壓站集中布局改分散布局、實現(xiàn)管網(wǎng)互聯(lián)互通。

2 有效治理跑氣漏氣

據(jù)統(tǒng)計，多數(shù)企業(yè)壓縮空氣泄露率占比約為30%，管理較好的企業(yè)可將泄漏率控制在10%以下，但泄漏率控制在10%以下的企業(yè)幾乎沒有。泄露普遍存在，原因在兩個方面，即習(xí)慣成自和企業(yè)核算沒有納入壓縮空氣生產(chǎn)所消耗的成本。泄露的治理，需要檢測工具和方法。超聲波泄漏檢測儀可以檢測弱小的泄露，還可以結(jié)合紅外線探明復(fù)雜環(huán)境中的泄漏源；最常見的末端泄露是管道與工具之間的連接頭，質(zhì)量差的連接頭一般使用壽命只有一周時間，質(zhì)量好的鏈接頭可連續(xù)使用一年的時間。

3 輔助設(shè)施的優(yōu)化

離心空壓機能耗：

式中ρ-標(biāo)態(tài)下空氣密度=1.293kg/m3；Vk-空壓機的排氣量，m3/h,R’氣體常數(shù)=0.278 kJ/(kg.k)；T-環(huán)境溫度，K；P2-排氣壓力（實際上指壓強），MPa；P1-進(jìn)氣壓力（實際上指壓強），MPa；T-空壓機的等溫效率；M-空壓機的機械效率。

根據(jù)式（1），排氣壓力P2越小，則能耗越小。如果企業(yè)供氣為8bar(0.8MPa),假設(shè)降低1bar供氣,節(jié)能率計算結(jié)果為5.36%。即每降低1bar可實現(xiàn)5.36%的節(jié)能率。在節(jié)能實踐中，由于泄露（壓力大泄露量更大）等因素，每降低1bar壓力節(jié)能率可達(dá)到8%～12%。因此壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能的先決任務(wù)是降低壓力。

壓縮空氣系統(tǒng)組成包括空壓機、干燥用的冷干機和或吸干機、小型的除油器以及除水器、緩沖及儲氣作用的儲氣罐、輸送氣體的管道及控制閥門等?？諌簷C雖是生產(chǎn)壓縮空氣的關(guān)鍵設(shè)備，但由于壓縮空氣不是生產(chǎn)后立即進(jìn)入使用端，需要經(jīng)過干燥除油除水，并經(jīng)過管道等輔助設(shè)施輸送到各個車間或工序，即輔助設(shè)施完成壓縮空氣的再處理和輸送，輔助設(shè)施對能耗和能效也有重要影響。節(jié)能改造實踐表明，只有全面系統(tǒng)地優(yōu)化輔助設(shè)施，結(jié)合高效的空壓機，壓縮空氣系統(tǒng)能效才能提高到理想的水平。

3.1 冷干機

冷干機中制冷介質(zhì)與壓縮空氣隔離，不消耗壓縮空氣。冷干機的目的是更好地冷卻壓縮空氣，但市面上的冷干機進(jìn)出口的管徑設(shè)計的較小，一進(jìn)一出需要縮小和放大管徑，導(dǎo)致冷干機極易影響壓縮空氣流動，產(chǎn)生壓力損失。實踐發(fā)現(xiàn)，壓縮空氣系統(tǒng)中一臺冷干機及其輔助的除油除水器一般會導(dǎo)致0.1～0.3bar壓力降?；诶涓蓹C相比空壓機的功率較小，正確的做法是選擇處理能力大一個或兩個等級的冷干機，不僅增強冷干機的除水能力，而且減少壓力損失。

3.2 吸干機

吸附式干燥機一般簡稱吸干機，吸干機分普通吸干機和鼓風(fēng)再生式吸干機。普通吸干機是通過變壓吸附原理來達(dá)到干燥效果，在干燥、脫水及排水過程中會消耗工作環(huán)境中的壓縮空氣，且運轉(zhuǎn)時會間隔性對外排水并伴隨排氣，因此產(chǎn)生氣損。普通吸干機對壓縮空氣的損耗較大，一般氣損率介于10%～15%。鼓風(fēng)再生吸干機的吸附原理與普通吸干機有所區(qū)別，氣損率可以控制在1%～2%。通過設(shè)備成本及其能耗對比分析，鼓風(fēng)再生式干燥機明顯優(yōu)于普通吸干機。基于實踐經(jīng)驗和吸干機干燥原理，吸干機不適宜單獨安裝，安裝吸干機前必須先安裝冷干機才能保證干燥效果。輸送壓縮空氣的管道是地下敷設(shè)或管道較長（一般200m以上）時，建議在使用車間或距離車間最近的位置安裝吸干機。

3.3 除油、除水、除粉器

除油、除水及除粉裝置常與干燥設(shè)備配搭使用，目的在于消除壓縮空氣中較多的油脂、水份和粉塵。詬病在于其出入口管徑較小而造成壓力損失，同時這類設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)氣油、氣水、氣粉同排的現(xiàn)象。減少這類設(shè)備的壓力及流量損失，方法仍然可選擇處理能力大的裝置來減少壓力降，同時加強檢查并及時更換過濾閥減少流量損失。

3.4 儲氣罐

儲氣罐是壓縮空氣的緩沖器也是儲存器。一般空壓機廠商都推薦用戶安裝儲氣罐，并且建議儲氣罐容積以空壓機每分鐘產(chǎn)氣量的20%左右配置。節(jié)能改造的實踐表明，增加儲氣罐的容積可以有效地起到節(jié)能作用。儲氣罐儲氣越充分，氣壓就越穩(wěn)定，大儲氣罐能減少空壓機頻繁加載。工頻空壓機卸載耗電功率約為加載時的40%～50%，增加空壓機卸載時間能實現(xiàn)節(jié)能；如若是變頻空壓機，則節(jié)能效果更加明顯。儲氣罐與管道均有儲氣和平衡壓力的作用，合宜的搭配對節(jié)能更有幫助。

3.5 管道

管道是壓縮空氣系統(tǒng)重要組成部分。壓縮空氣系統(tǒng)中壓力降或壓力損失主要源于管道直徑的大小、表面粗糙度、三通以及彎頭等。壓縮空氣管道管徑選擇比較雜亂。用戶多數(shù)情況下按空壓機廠商提供的參數(shù)或者自行設(shè)計配置。在節(jié)能減排改造項目和能源管理咨詢中發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)工廠，空壓機排氣壓力與生產(chǎn)車間或者使用端的壓力差/壓力降都接近于或高于2bar；根據(jù)前述離心空壓機能耗原理，空壓機耗能與排氣壓力的自然對數(shù)稱正比，即就是排氣壓力越高，空壓機的能耗就越高。很多節(jié)能改造項目都不清楚管道對降低壓力的作用，導(dǎo)致即使使用最新、最高效的空壓機，也無法減少系統(tǒng)能耗。正確的節(jié)能方法是加粗管道。相關(guān)節(jié)能改造項目實踐表明，6.5bar壓力需求的車間，儲氣罐和管道設(shè)計得當(dāng)，空壓機供氣壓力僅僅需要6.8bar,也就是壓縮空氣全過程壓力損失僅僅0.3bar。

3.6 彎頭

各種連接管道及設(shè)備的彎頭對壓力損失負(fù)有較大的責(zé)任。實踐中發(fā)現(xiàn)一個彎頭可能產(chǎn)生的壓力降為0.005～0.01bar的壓力降。正確的做法是，選用或改用大曲率半徑的彎頭。

3.7 閥門

閥門是壓縮空氣系統(tǒng)中最常見的設(shè)備，基于維修所需濫用閥門的現(xiàn)象非常嚴(yán)重，而且選用的閥門多數(shù)是不正確的。實踐發(fā)現(xiàn)每個截止閥可能產(chǎn)生0.005～0.01bar壓力降。壓縮空氣管道中的閥門應(yīng)該優(yōu)先使用球閥；合理設(shè)計壓縮空氣系統(tǒng)，可以大幅減少閥門的使用。

3.8 旁通

壓縮空氣系統(tǒng)中有許多旁通，旁通的目的是檢修。一般企業(yè)習(xí)慣將除水器、除油器、冷干機、吸干機甚至儲氣罐等裝置均安裝旁通，但絕大多數(shù)的旁通均設(shè)計錯誤，不僅造成材料的浪費，也增加了壓縮空氣的壓力損失。正確的做法是，以互聯(lián)互通的思路設(shè)計旁通。

3.9 壓縮空氣分級使用

工業(yè)制造中設(shè)備對壓縮空氣的壓力和質(zhì)量要求不同，壓縮空氣應(yīng)分級使用。例如，對于壓力高流量需求大的工藝或系列設(shè)備，應(yīng)單獨供應(yīng)較高壓力的壓縮空氣；對于僅個別壓力需求高的設(shè)備，空壓站應(yīng)以低壓供氣，特殊設(shè)備加裝局部增壓裝置；壓縮空氣應(yīng)盡力避免用于吹掃作業(yè)，如果確實需要，則應(yīng)該加裝減壓裝置；類似污水處理中曝氣對壓縮空氣壓力及質(zhì)量需求均較低，應(yīng)采用羅茨風(fēng)機；羅茨風(fēng)機產(chǎn)氣壓力小，但產(chǎn)氣量大，更重要的是能耗較低。

3.10 小結(jié)

空壓站輔助設(shè)施的設(shè)計或改造，應(yīng)著力于減少流量損失、降低壓力損失，實現(xiàn)互聯(lián)互通，才能有效地節(jié)約能源。

4 空壓站的熱及熱回收

炎熱夏季，多數(shù)空壓站站內(nèi)可以達(dá)到50℃高溫或者更高?？諌赫镜臒嶂饕獊碓从谠O(shè)備的發(fā)熱以及風(fēng)冷式干燥機的散熱。離心空壓機能耗公式表明，空壓機能耗與吸氣溫度成正比例。螺桿式空壓機沒有進(jìn)氣口，根據(jù)波馬定律PV=nRT表明，空氣經(jīng)壓縮后體積變小，必然會造成氣壓或溫度的升高。因此，降低螺桿式空壓機的吸氣溫度同樣可以減少能源的消耗。

降低空壓站內(nèi)的溫度通常是采用吸風(fēng)機將站內(nèi)的熱量外排，如果是新建工廠的空壓站，則首先選擇南北向的廠房來建設(shè)空壓站，因為太陽輻射熱量于南北向建筑比東西向較少。同時，壓縮空氣過程會產(chǎn)生較大熱量，散熱的溫度高達(dá)110～120℃，如果對余熱回收，可將常溫水加熱到60℃左右，用于員工淋浴、食堂清洗、生產(chǎn)工藝中清洗（噴涂、電鍍等表面處理工藝中的酸洗、酯洗）、材料預(yù)熱（如注塑料）等，余熱價值得到有效利用。如果余熱無法利用，則建議將風(fēng)冷式空壓機改造為水冷空壓機，或直接購買水冷的空壓機。

5 空壓機變頻以及永磁空壓機

空壓機本身的改造或替換包括變頻技術(shù)和永磁技術(shù)兩個方面。

5.1 變頻空壓機

空壓機變頻是針對負(fù)荷不足時電機降低頻率減慢速度，減少能源消耗，因此空壓機有卸載才有變頻。一般空壓站由多臺空壓機組成系統(tǒng)供氣，應(yīng)選擇一臺變頻機或者改造一臺工頻機為變頻機。工頻機與變頻機的區(qū)別僅僅在于，變頻機降低頻率仍能產(chǎn)氣，而工頻機卸載不能產(chǎn)氣。變頻機補充供氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)氣壓平衡，節(jié)能作用明顯。

5.2 永磁空壓機

永磁空壓機是永磁電動機與變頻為一體的空壓機。永磁空壓機壓縮空氣的原理與普通空壓機相同，節(jié)能的核心控制是變頻器控制，同時電機的運轉(zhuǎn)比普通電機少了軸承摩擦，減少了摩擦所需的能耗。實際測量顯示，永磁空壓機相對于變頻空壓機可以多出5%左右的節(jié)能率。

6 集中控制

工業(yè)4.0推動了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，能管中心和集中控制系統(tǒng)優(yōu)先覆蓋了壓縮空氣系統(tǒng)管理。集中控制（包括遠(yuǎn)程、自動）很好地響應(yīng)了企業(yè)需求，但集中控制本質(zhì)上是不能節(jié)能的。如，泄露率較大的企業(yè)，即使在工廠休息（就餐、周末等）的時候，其自動控制系統(tǒng)因為壓力仍會開一定數(shù)量空壓機去滿足漏氣需求，而人工則不會犯這樣的錯誤；控制系統(tǒng)的壓力參數(shù)如果來自空壓站以外的壓力管道，還可能因為除油除水等設(shè)備堵塞造成空壓機加載而產(chǎn)生危險。集中控制優(yōu)點很多，可以很好地實現(xiàn)無人管理,可以通過數(shù)據(jù)監(jiān)測評估空壓機能效,可以通過報警及時處理隱患以及維護(hù)保養(yǎng),可以幫助分析各個生產(chǎn)工藝流量需求以及綜合能耗等，對企業(yè)的綜合管理水平提升有很大幫助。

7 結(jié)語

壓縮空氣系統(tǒng)因為能源消耗不在生產(chǎn)制造的現(xiàn)場而常常被忽視。壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)該立足于自身的實際情況，通過測量實際需求、治理泄露、儲氣罐及管道等輔助設(shè)施優(yōu)化、散熱及余熱回收、變頻及永磁電機改造利用、集中控制等，客觀分析現(xiàn)狀，以降低壓力和減少流量為基本出發(fā)點，系統(tǒng)地解決供求矛盾，能很好地實現(xiàn)節(jié)能減碳的根本目標(biāo)。