基于负荷变化的空气压缩系统节能优化

付杨　李志斌

摘 要：针对空气压缩系统能耗过大问题，基于分析空气压缩机、冷冻式干燥机、过滤器和输气管网特性的基础上，以某电厂的一套空气压缩系统为例，分析了负荷变化时引起的系统压力降改变导致的末端供气压力过高造成的能量浪费现象。提出在用气负荷变化时可以依照本文提出的系统模型进行定量计算，通过分析计算得到空气压缩机排气压力可以降低的理论值，从而得出当负荷降低到30%时系统可以实现6.678%的节能效果，对提高相关企业工厂的经济效益具有一定的指导意义。

关键词：空气压缩系统；节能优化；变负荷；节能率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.045

0 前言

空气压缩系统因其元器件造价低廉、系统易维护等特点，从20世纪70年代开始在工业自动化领域的应用渐渐扩大。本文对空气压缩系统节能优化的研究主要涉及到四个部分，空气压缩机、冷冻式干燥机、过滤器、输气管网。其中空气压缩机和冷冻式干燥机是耗能设备，而过滤器和输气管网本身并不耗能，但是由于其本身特性当压缩空气经过时会产生一定的压力降。由于压力降的原因，末端压缩空气压力始终会低于空气压缩机的排气压力，当末端压力无法满足用户需求时，就需要空气压缩机提供更高的排气压力，由空气压缩机的特性可以知道提高排气压力会增加空气压缩机的能耗。相反当末端压缩空气压力超过用户的使用压力时，多出的压力就会浪费掉，从而浪费大量的能量。如果降低空气压缩机的排气压力的同时可以满足用户的需求就会节约大量的能量。空气压缩系统的设计或设备选型一般都遵循最大负荷条件（即100%负荷）原则，但是实际使用中，通常都不会满负荷运行的[1]，当负荷发生变化时，不仅需要空压机功率与之匹配而且会引起过滤器和输气管网的压力降变化。本文通过建立空气压缩系统模型，把压缩空气的流量当作系统负荷，研究负荷变化对空气压缩机功率的直接影响，以及基于负荷变化引起的压力变化对空气压缩机功率的间接影响。通过分析负荷变化对空气压缩机的影响，可以得到在不同的负荷下系统的节能率和节能量。

1 空气压缩系统的构成

本文研究的空气压缩系统主要由空气压缩机、储气罐、冷冻式干燥机、过滤器、输气管网组成，如图1所示。

其中空气压缩机和干燥机是耗能设备，过滤器和输气管网由于其本身特性当压缩空气通过时会产生一定的压力降。空气压缩系统中压缩机的耗电量约占总耗电量的96%，冷干机等空气净化设备约占总耗电量的3%，电磁阀等控制元器件占总耗电量不足1%[2]。

2 空气压缩机的特性[3]

本文选用的空气压缩机为小型两级活塞式空气压缩机，额定排气流量为10m3/min，额定排气压力为700kpa，其中空气压缩机的功率P空可由下式确定：

（1）

式中，n为中间冷却器个数，k为等墒指数，pa为大气的绝对压力，pc为空压机的排气压力，kpa；qc为空压机的吸气流量，m3/min（ANR）；其中空气压缩机的排气压力pc可由下式确定：

pc=p末端+∑Δp （2）

式中p末端为末端气动执行元件最高用气压力，∑Δp 为空气压缩系统总压力降，∑Δp 可由下式确定：

∑Δp =Δp过滤器+Δp管网 （3）

式中Δp过滤器、Δp管网分别为过滤器压力降和输气管网压力降。

3 冷冻式干燥机的特性分析

冷冻式干燥机通常由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、预冷器等设备及部件组成，压缩空气的热力变化在h-d图上的变化如图2所示。因为从C至D状态为显热过程，虽然相对湿度变小，但是含湿量未变化，所以C状态到D状态为等湿加热过程即dC=dD[4]。

当压缩空气流经冷干机各设备及部件时产生的压力降对于整个空气压缩系统而言很小，可以忽略不计。但是制冷压缩机和冷凝器中的冷凝风扇作为耗能设备在工作时会耗电，冷凝风扇的输入功率P风扇通过计算其取值大概为0.3～0.5kw，本文取0.5kw[5]，制冷压缩机的输入功率P冷压（kw）可由下式确定：

（4）

式中q空为压缩空气的体积流量，ρ=1.293kg/m3；机械效率η1一般为 0.75-0.85，电动机效率η2一般为0.65-0.85，h1、h4分别为R22制冷剂蒸发温度为0℃时对应的蒸汽状态焓值和冷凝温度为30℃时对应的液体状态焓值，hB、hC分别对应图中A、B点的状态焓值。

冷干机的输入功率P冷干可由下式求得：

P冷干=P风扇+P冷压 （5）

4 过滤器的流量特性分析

不同型号的空气过滤器有不同的流量特性，其流量特性由厂家提供，本文选用的是494系列中494.49压缩空气过滤器其最大工作压力为1.0MPa[6]。对厂家提供的流量特性曲线进行拟合。通过比较二次多项式表现较好，所以选用二次多项式，Δp过滤1、Δp过滤2、Δp过滤3分别为进气压力为0.3MPa、0.5MPa、0.7Mpa时的压力降，分别用（6）、（7）、（8）式表示：

（6）

（7）

（8）

5 管路压力损失模型[7]

压缩空气在管路中传输时，由于气体流经阀门、接头、冷却器等元件是会产生流动阻力，管路的中阻力Δp管网由沿程阻力和局部阻力组成。本文针对特定的简化模型进行建模，其中沿程阻力Δp沿程可由下式求得：

（9）

式中λf为沿程压力损失系数，无因次量；L为管路长度，m；d为管路内径，m；ρ平均为压缩空气平均密度；m为标准状态下空气的质量流量。当雷诺数Re在105—108之间时，λf仅与管道内壁的粗糙度有关，而与Re无关，通过计算Re刚好在这个范围内。

当气流经过弯头、三通、变径管、阀门等构建时，流动状态会发生急剧改变时造成的压力损失为局部损失，局部损失Δp局部可由下式求得[8]：

（10）

式中ξ为局部结构形式相关系数，G为空气质量流量。

6 基于负荷变化空气压缩机节能优化

空气流动时，空气流束所含的有效能表现为动力形式，称之为气动功率。由气动功率的概念，使用压缩空气的能耗可以表示为：；式中t为使用压缩空气的时间，由此可以看出，只要降低流量q空、压力pc、时间t中的任何一个值，都可以降低压缩空气的能耗[9]。本文主要研究当系统负荷变化时引起供气压力的改变，从而通过降低排气压力达到节能的目的。

某空气压缩机厂生产的小型活塞式空气压缩机100%负荷时排气压力为0.7MPa，排气流量为10m3/min，空压机功率为53.7488kw，利用已建立的模型求出冷干机功率为0.83W，过滤器和管网的压力降之和为84.77kpa，最终用气压力为615.23kpa，而用户端需求压力设为611kpa。规定0.5kpa≤p末端1-p末端2≤5kpa时系统是节能的，其中p末端1为系统末端供气压力，p末端2为末端用户需求压力。当负荷改变时，利用已经建立的系统模型并依照0.5kpa≤p末端1-p末端2≤5kpa原则对空气压缩机排气压力和功率进行优化。优化前不同负荷下空压机的功率及末端供气压力如表1所示。

表2中P`空、P`冷干、Δp`过滤、Δp`管网、p`末端1分别为对应表一中优化后的参数，p`c为优化后的空压机排气压力，Δpc为空压机排气压力优化量，ΔP空空压机功率优化量，θ优化后空压机的节能率，优化后空压机的功率和排气压力等参数如表2所示。

本文选取表2所示参数进行研究，由图3可以看出随着负荷的降低空气压缩机节能率增大，当负荷降低到30%可以取得6.678%的节能效果。

某工厂有10台此类的空气压缩机，一年工作300天、白天在负荷80%状态下工作12小时，夜间在50%负荷下工作8小时，采用此优化方法每年可以节约76292kw·h电量，如果当地的电费为0.6元/kw·h，每年可以省45777.6元钱。

7 结论

对比表1和表2，当系统压力降低时，冷干机的功率增大了，可以看出负荷降低时冷干机并没有节能的空间，并且相比空气压缩机冷干机的耗能很少，所以空压机才是重点的节能对象。

对于可变频空气压缩机当系统负荷降低时通过变频等手段改变空压机的排气压力以可适应系统压力变化可以节约大量的能量，当负荷越低时节能率越高，节能效果越明显。对于定频系统可以增加储气罐，使压缩空气压力波动稳定的同时减少空气压缩机的工作时间，从而达到节能效果。本文提出的研究方法同样适用于其他空气压缩系统系统，只是不同的空气压缩系统具体的设备特性会发生一定的变化，只需针对不同的设备对模型进行相应的改变。

参考文献：

[1]蔡茂林.压缩空气系统的节能技术[J].流体传动与控制，2012（06）：1-5.

[2]蔡茂林.气动系统的节能[J].液压与气动，2013（08）：1-8.

[3]SMC（中国）有线公司.现代实用气动技术[M].北京：机械工业出版社，2003：67-71.

[4]魏艳萍，于振生，马启明.冷冻式压缩空气干燥机系统的热工计算[J].河北煤炭建筑工程学院学报，1995（02）：38-42.

[5]苏许辉.压缩空气冷冻干燥机系统的优化研究[D].浙江大学，2005：69-71.

[6]北方工业大学流体传动与控制教研室，济南华能气动元器件公司. 气动元件及系统设计[M].北京：机械工业出版社，1996：7-10.

[7]王旭.船舶压缩空气系统动态建模与仿真[D].大连海事大学，2013：27-29.

[8]盖玉收，石岩，蔡茂林.多源多出复杂压缩空气管网建模及能效分析[J].北京航空航天大学学报，2013，39（09）：1243-1248.

[9]蔡茂林.第四讲：压缩空气的能量[J].液压气动与密封，2007，27（05）：54-59.

作者简介：付杨（1989-），男，安徽宿州人，硕士研究生，主要研究方向为检测技术与自动化装置，节能技术。