压缩空气系统的节能方法研究

文_胥观豪 刘志均

1 深圳市恒力奇能源科技有限公司 2青岛馥豪塑业有限公司

压缩空气广泛地应用于工业制造中，规模大小不同的制造企业都在或多或少地使用。企业一般选择螺杆式空压机或者螺杆空压机加离心式空压机为主要设备，辅之以储气罐、干燥装置与管道组成压缩空气系统，为工艺、仪器与设备的控制等提供5～8bar的压缩空气。市场上实际使用空压机的名义效率多数在为10.91m3/kWh左右，实际监测表明多数压缩空气系统（包含干燥装置等在内）能效只有4～5m3/kWh,能效达6～8m3/kWh的凤毛麟角。压缩空气消耗电能一般占企业的10%～50%，企业越大，空压机越多，能源消耗越多。因此，压缩空气系统节能具有非常重要的意义，应专业地剖析压缩空气系统，才能更好地选择节能方法。

1 准确识别压力的需求

制造企业末端设备的供气压力一般为5～6bar，实际输送压力多为7～8bar，高出实际需求2～3bar。其原因包括：①压缩空气输送管道过长及弯头曲率半径过小，大型企业管道长度普遍达2km以上，管道架设路线复杂、频繁换向且弯头选择错误，造成压降过大；②泄露点过多或泄露源口径过大，造成压力降低；③管道及储气罐储气能力差，气压波动较大。解决方案为客观调查压缩空气压力及尽量需求、有效治理压缩空气泄露、改善管道等辅助设施、空压站集中布局改分散布局、实现管网互联互通。

2 有效治理跑气漏气

据统计，多数企业压缩空气泄露率占比约为30%，管理较好的企业可将泄漏率控制在10%以下，但泄漏率控制在10%以下的企业几乎没有。泄露普遍存在，原因在两个方面，即习惯成自和企业核算没有纳入压缩空气生产所消耗的成本。泄露的治理，需要检测工具和方法。超声波泄漏检测仪可以检测弱小的泄露，还可以结合红外线探明复杂环境中的泄漏源；最常见的末端泄露是管道与工具之间的连接头，质量差的连接头一般使用寿命只有一周时间，质量好的链接头可连续使用一年的时间。

3 辅助设施的优化

离心空压机能耗：

式中ρ-标态下空气密度=1.293kg/m3；Vk-空压机的排气量，m3/h,R’气体常数=0.278 kJ/(kg.k)；T-环境温度，K；P2-排气压力（实际上指压强），MPa；P1-进气压力（实际上指压强），MPa；T-空压机的等温效率；M-空压机的机械效率。

根据式（1），排气压力P2越小，则能耗越小。如果企业供气为8bar(0.8MPa),假设降低1bar供气,节能率计算结果为5.36%。即每降低1bar可实现5.36%的节能率。在节能实践中，由于泄露（压力大泄露量更大）等因素，每降低1bar压力节能率可达到8%～12%。因此压缩空气系统节能的先决任务是降低压力。

压缩空气系统组成包括空压机、干燥用的冷干机和或吸干机、小型的除油器以及除水器、缓冲及储气作用的储气罐、输送气体的管道及控制阀门等。空压机虽是生产压缩空气的关键设备，但由于压缩空气不是生产后立即进入使用端，需要经过干燥除油除水，并经过管道等辅助设施输送到各个车间或工序，即辅助设施完成压缩空气的再处理和输送，辅助设施对能耗和能效也有重要影响。节能改造实践表明，只有全面系统地优化辅助设施，结合高效的空压机，压缩空气系统能效才能提高到理想的水平。

3.1 冷干机

冷干机中制冷介质与压缩空气隔离，不消耗压缩空气。冷干机的目的是更好地冷却压缩空气，但市面上的冷干机进出口的管径设计的较小，一进一出需要缩小和放大管径，导致冷干机极易影响压缩空气流动，产生压力损失。实践发现，压缩空气系统中一台冷干机及其辅助的除油除水器一般会导致0.1～0.3bar压力降。基于冷干机相比空压机的功率较小，正确的做法是选择处理能力大一个或两个等级的冷干机，不仅增强冷干机的除水能力，而且减少压力损失。

3.2 吸干机

吸附式干燥机一般简称吸干机，吸干机分普通吸干机和鼓风再生式吸干机。普通吸干机是通过变压吸附原理来达到干燥效果，在干燥、脱水及排水过程中会消耗工作环境中的压缩空气，且运转时会间隔性对外排水并伴随排气，因此产生气损。普通吸干机对压缩空气的损耗较大，一般气损率介于10%～15%。鼓风再生吸干机的吸附原理与普通吸干机有所区别，气损率可以控制在1%～2%。通过设备成本及其能耗对比分析，鼓风再生式干燥机明显优于普通吸干机。基于实践经验和吸干机干燥原理，吸干机不适宜单独安装，安装吸干机前必须先安装冷干机才能保证干燥效果。输送压缩空气的管道是地下敷设或管道较长（一般200m以上）时，建议在使用车间或距离车间最近的位置安装吸干机。

3.3 除油、除水、除粉器

除油、除水及除粉装置常与干燥设备配搭使用，目的在于消除压缩空气中较多的油脂、水份和粉尘。诟病在于其出入口管径较小而造成压力损失，同时这类设备经常出现气油、气水、气粉同排的现象。减少这类设备的压力及流量损失，方法仍然可选择处理能力大的装置来减少压力降，同时加强检查并及时更换过滤阀减少流量损失。

3.4 储气罐

储气罐是压缩空气的缓冲器也是储存器。一般空压机厂商都推荐用户安装储气罐，并且建议储气罐容积以空压机每分钟产气量的20%左右配置。节能改造的实践表明，增加储气罐的容积可以有效地起到节能作用。储气罐储气越充分，气压就越稳定，大储气罐能减少空压机频繁加载。工频空压机卸载耗电功率约为加载时的40%～50%，增加空压机卸载时间能实现节能；如若是变频空压机，则节能效果更加明显。储气罐与管道均有储气和平衡压力的作用，合宜的搭配对节能更有帮助。

3.5 管道

管道是压缩空气系统重要组成部分。压缩空气系统中压力降或压力损失主要源于管道直径的大小、表面粗糙度、三通以及弯头等。压缩空气管道管径选择比较杂乱。用户多数情况下按空压机厂商提供的参数或者自行设计配置。在节能减排改造项目和能源管理咨询中发现，绝大多数工厂，空压机排气压力与生产车间或者使用端的压力差/压力降都接近于或高于2bar；根据前述离心空压机能耗原理，空压机耗能与排气压力的自然对数称正比，即就是排气压力越高，空压机的能耗就越高。很多节能改造项目都不清楚管道对降低压力的作用，导致即使使用最新、最高效的空压机，也无法减少系统能耗。正确的节能方法是加粗管道。相关节能改造项目实践表明，6.5bar压力需求的车间，储气罐和管道设计得当，空压机供气压力仅仅需要6.8bar,也就是压缩空气全过程压力损失仅仅0.3bar。

3.6 弯头

各种连接管道及设备的弯头对压力损失负有较大的责任。实践中发现一个弯头可能产生的压力降为0.005～0.01bar的压力降。正确的做法是，选用或改用大曲率半径的弯头。

3.7 阀门

阀门是压缩空气系统中最常见的设备，基于维修所需滥用阀门的现象非常严重，而且选用的阀门多数是不正确的。实践发现每个截止阀可能产生0.005～0.01bar压力降。压缩空气管道中的阀门应该优先使用球阀；合理设计压缩空气系统，可以大幅减少阀门的使用。

3.8 旁通

压缩空气系统中有许多旁通，旁通的目的是检修。一般企业习惯将除水器、除油器、冷干机、吸干机甚至储气罐等装置均安装旁通，但绝大多数的旁通均设计错误，不仅造成材料的浪费，也增加了压缩空气的压力损失。正确的做法是，以互联互通的思路设计旁通。

3.9 压缩空气分级使用

工业制造中设备对压缩空气的压力和质量要求不同，压缩空气应分级使用。例如，对于压力高流量需求大的工艺或系列设备，应单独供应较高压力的压缩空气；对于仅个别压力需求高的设备，空压站应以低压供气，特殊设备加装局部增压装置；压缩空气应尽力避免用于吹扫作业，如果确实需要，则应该加装减压装置；类似污水处理中曝气对压缩空气压力及质量需求均较低，应采用罗茨风机；罗茨风机产气压力小，但产气量大，更重要的是能耗较低。

3.10 小结

空压站辅助设施的设计或改造，应着力于减少流量损失、降低压力损失，实现互联互通，才能有效地节约能源。

4 空压站的热及热回收

炎热夏季，多数空压站站内可以达到50℃高温或者更高。空压站的热主要来源于设备的发热以及风冷式干燥机的散热。离心空压机能耗公式表明，空压机能耗与吸气温度成正比例。螺杆式空压机没有进气口，根据波马定律PV=nRT表明，空气经压缩后体积变小，必然会造成气压或温度的升高。因此，降低螺杆式空压机的吸气温度同样可以减少能源的消耗。

降低空压站内的温度通常是采用吸风机将站内的热量外排，如果是新建工厂的空压站，则首先选择南北向的厂房来建设空压站，因为太阳辐射热量于南北向建筑比东西向较少。同时，压缩空气过程会产生较大热量，散热的温度高达110～120℃，如果对余热回收，可将常温水加热到60℃左右，用于员工淋浴、食堂清洗、生产工艺中清洗（喷涂、电镀等表面处理工艺中的酸洗、酯洗）、材料预热（如注塑料）等，余热价值得到有效利用。如果余热无法利用，则建议将风冷式空压机改造为水冷空压机，或直接购买水冷的空压机。

5 空压机变频以及永磁空压机

空压机本身的改造或替换包括变频技术和永磁技术两个方面。

5.1 变频空压机

空压机变频是针对负荷不足时电机降低频率减慢速度，减少能源消耗，因此空压机有卸载才有变频。一般空压站由多台空压机组成系统供气，应选择一台变频机或者改造一台工频机为变频机。工频机与变频机的区别仅仅在于，变频机降低频率仍能产气，而工频机卸载不能产气。变频机补充供气调节系统气压平衡，节能作用明显。

5.2 永磁空压机

永磁空压机是永磁电动机与变频为一体的空压机。永磁空压机压缩空气的原理与普通空压机相同，节能的核心控制是变频器控制，同时电机的运转比普通电机少了轴承摩擦，减少了摩擦所需的能耗。实际测量显示，永磁空压机相对于变频空压机可以多出5%左右的节能率。

6 集中控制

工业4.0推动了物联网的发展，能管中心和集中控制系统优先覆盖了压缩空气系统管理。集中控制（包括远程、自动）很好地响应了企业需求，但集中控制本质上是不能节能的。如，泄露率较大的企业，即使在工厂休息（就餐、周末等）的时候，其自动控制系统因为压力仍会开一定数量空压机去满足漏气需求，而人工则不会犯这样的错误；控制系统的压力参数如果来自空压站以外的压力管道，还可能因为除油除水等设备堵塞造成空压机加载而产生危险。集中控制优点很多，可以很好地实现无人管理,可以通过数据监测评估空压机能效,可以通过报警及时处理隐患以及维护保养,可以帮助分析各个生产工艺流量需求以及综合能耗等，对企业的综合管理水平提升有很大帮助。

7 结语

压缩空气系统因为能源消耗不在生产制造的现场而常常被忽视。压缩空气系统的节能应该立足于自身的实际情况，通过测量实际需求、治理泄露、储气罐及管道等辅助设施优化、散热及余热回收、变频及永磁电机改造利用、集中控制等，客观分析现状，以降低压力和减少流量为基本出发点，系统地解决供求矛盾，能很好地实现节能减碳的根本目标。