压缩空气系统节能技术综述

上海宝钢股份公司能源环保部 周佃民

0 引言

压缩空气具有清晰透明、无污染、没有危险、易输送等特点[1]，主要用于气用传动、风动工具、冷却、仪表吹扫、干燥、切割及火焰处理等。除了用于仪表的气体需要特殊干燥外，其他则直接供给用户。因此，空压站系统占据企业能耗很大比重，约占其全部能耗的10%~40%。

在我国，长期以来压缩空气系统的节能并没有得到应有的重视。近年来伴随着节能减排形势的发展，对空压机系统在运行技术和运行管理等方面进行优化改进，挖掘节能潜力，降低空压机运行成本[2]，正逐步在工业企业中得到实施。

本文主要针对压缩空气系统的节能问题，对国内外的压缩空气使用现状与能耗进行比较，对现有的压缩空气节能技术进行总结和分析，并提出在压缩空气节能方面的几个重点方向，以下进行详细说明。

1 国内外压缩空气系统的使用现状及节能比较

压缩空气如同蒸汽、电力一样，作为洁净且容易维持供给的能质在工业生产上得到广泛的应用，其需求迅速增长。

压缩空气系统的总的投入成本包括三大部分，即设备基本建设成本、设备日常运行维护保养成本和系统能耗成本。设备基本建设和日常维护保养的成本只占有压缩空气设备的整个寿命成本的很小部分，约占系统总成本的25%左右。而在通常运行情况下，压缩空气系统每年运行能耗成本约占系统寿命总成本的75%，可见压缩空气系统的节能直接关系到企业的生产成本和投资效益，从而影响企业在行业中的竞争力。

以日本为例，产生0.6MPa~0.9MPa压缩空气，每立方米平均花费0.02~0.03美元，其中压缩机用电费用占总运行成本的80%~90%。目前，日本压缩空气系统的总耗电量占生产总用电量的10%~20%，达到了每年400亿kWh[3]。

1997年10月美国成立了一个全国性的协作组织[Compressed Air Challenge][4]，它整合了压缩空气系统设计、运行和评估等方面的信息，并帮助企业提高压缩空气系统的效率，获得了巨大的经济效益，为美国每年节约了大约30亿kWh的电力。

由于各国压缩机的负荷率、使用寿命及工况均不相同，很难对其效率做出一个精确的计算，只能给出空压机负荷的百分比表格做参考。如图1所示。

在图1中可以看出，中国平均使用空压机负荷率远远低于发达国家的平均水平，说明我国压缩空气系统存在机组匹配和系统调节方式不合理的问题，呈现出“大马拉小车”的现象，此外，系统调节方式落后，大部分机组还是采用机械节流加放散的调节手段，其效率比变频调速方式约低30%[5]。

这些问题的存在，说明我国空压机系统的装备水平相对落后，在空压机能源损耗方面损失是相当的巨大，但同时也表明了我国在空压机节能方面还存在非常巨大的潜力和空间。目前这方面的工作正在启动之中，比如国家“十一五”十大重点节能工程中就包含电机系统节能工程这一项，2006年上海市经济委员会提出的《常用节能技术指导目录》中，涉及压缩空气系统的节能技术就有“提高空压机自身效率”、“空压机中央集中控制系统”、“压力流量控制技术”、“空压机采用变频调速技术”、“压缩空气干燥工艺改进技术”、“压缩空气系统管路优化”和“空压机热回收技术”等多项技术措施[6]。

2 压缩空气系统主要节能技术综述

目前，国内外关于空压机主要的节能技术有如下几个方面：压力流量控制技术、提高空压机自身效率、空压机中央集中控制系统、空压机采用变频调速技术、压缩空气系统管路优化、空压机热回收技术和压缩空气干燥工艺改进技术。

2.1 压力流量控制技术

1)工作原理

由于用气设备及用气点很多，用气量随着生产负荷的波动，有时会出现瞬时用气量很大的情况，这通常会造成一个压缩空气系统管网压力波动很大。所有压缩空气系统都具有保证系统正常运行的最低压力，系统供气压力超过最低压力，那么系统将正常运行，系统供气压力再高则会导致系统耗气量和空压机能耗的增加。为了保证系统供气始终满足所有生产的正常运行，通常企业会抬高整个系统的供气压力，使系统压力波动的最低点在大负荷事件发生时仍然高于系统中最高用气压力设备的压力需求值。这就导致了在其它时段内系统供气压力高于系统实际的压力需求，系统耗气量也随之增加，最终使压缩机能耗增加。压力流量控制器安装于供气侧(空压站)和用气侧(用气设备)之间，其作用类似于水库出口的水坝。利用其前后的压力差和其上游配备的储气罐存储的一定量的压缩空气，从而保证系统间歇大用气量用户引起的系统压力波动，使系统在供应侧和需求侧之间达到动态平衡的同时，减少系统的放散，使系统耗气量最小。

2)技术特点

压力流量控制器可以使压缩空气系统在任何情况下的供气压力保持稳定，通常在±0.01MPa范围内，而一般压缩空气系统的压力波动范围通常为0.07MPa，有的甚至超过0.3MPa。这样可以减少系统人为虚假用气量和系统泄漏量、提高系统储气能力和供气可靠性。

3)适用对象

适用于压力波动大的系统，对于用气设备现场无减压控制的系统效果更好。

4)工程案例

宝钢热轧2050单元空压站已安装了压力稳定装置，安装该装置后年效益达37.4万元[7]。

2.2 提高空压机自身效率

1)技术原理

提高空压机自身的运行效率是保持压缩空气系统高效运行的最基本的要求，主要是通过对现有空压机的组成部件进行周期性保养或用高效机组替换原有机组的方式来达到。根据产品供应商要求对现有机组及时地进行保养对于维持机组的高效运行非常关键。判断压缩机是否得到很好维护的最好办法就是定期测试压缩机的运行功率、排气压力和流量，如果空压机在一定的排气压力和流量情况下功率消耗增加了，则表明其效率已经下降。目前随着压缩机技术的不断进步，空压机效率也在逐步提高，如双级螺杆式空气压缩机和离心式空气压缩机。企业可以考虑在进行产品更新时选择效率比较高的空压机，则会达到非常好的节能效果。

2)技术特点

采用提高空压机自身效率的方法来提高整个压缩空气系统的运行效率比较简单易行。

3)适用对象

对系统进行定期保养来保持空压机高效运行适用于任何机组。企业对一些老的空压机进行更新换代时更适宜用高效机组替代老的机组。

2.3 空压机中央集中控制系统

1)技术原理

空压机中央控制系统就是根据系统压力和需求变化，通过中央控制系统的分析来控制不同容量和控制方式的空压机的启动/停止、上载/下载和容积变化等等，确保系统一直有合适数量和容量的空压机处于运行状态，维持系统供气压力的稳定和整个系统高效运行。

2)技术特点

空压机中央控制系统的特点是技术含量高，可以协调控制整个空压机系统的高效运行。与人为控制空压机的运行相比，压力控制精度更高，对于系统需求变换做出反应的时间更及时，可靠性更高。

3)适用对象

空压机中央控制系统特别适合于多台空压机同时运行的场合，如果系统负荷变化范围越大节能效果越明显。

4)工程案例

例如英格索兰公司的ISC智能系统控制器，最多可以同时控制8台同类型空压机。它利用微电子通讯方式，可根据用户各种运行工况模式，进行预先的设定。同时ISC可通过设置的传感器测出的系统压力来自动控制各台空压机的加载和卸载，实现用户压缩空气的自动控制，并最大限度的节能。

针对离心压缩机控制系统，英格索兰推出了ASC和ASM压缩空气管理系统[8]，其可以适用于复杂的压缩空气系统，能有效的整合压缩机与其他的辅助设备，最多可同时控制16台空压机及其辅助设备，使能源利用和系统管理最优化。

2.4 空压机采用变频调速技术

1)技术原理

空压机变频调速技术[9]目前主要应用于螺杆式空压机中，变频器控制通常低速启动，系统正常运行时，变频器通过检测安装在系统中（通常在干储气罐）的压力传感器信号，作为变频器恒压调节的反馈量，与变频器内的设定压力值相比较，经过计算得出变频器所需频率信号，自动调节电机转速，达到所需压力。当系统检测点的压力低于设定压力时，变频器输出频率升至50HZ，空压机电机转速达到最高。当变频器控制电机转速达到最低，但系统压力还高于设定值时，空压机开始下载。通常在安装变频控制器后，系统原有的各项保护功能（如水压、油压过低保护等）及故障报警、运行状态显示、手动/自动运行等功能仍起作用，可以实现工频和变频运行之间的切换。与离心式风机、水泵不同，空压机属于恒转矩，其功率与转速并非成三次方关系，而是近似一次方的关系。

2)技术特点

每个压缩空气系统的负荷都是不断变化的，这就意味着在每个压缩空气系统中至少有一台空压机处于调节状态，螺杆式空压机的卸载功率通常为其加载功率的30%~40%。对现有处于部分负载状态的空压机进行变频控制，不但可以节省空压机的空载功耗，还可以维持系统供气压力的稳定，减少系统虚假负荷和泄漏量，提高系统供气可靠性。

3)适用对象

空压机变频技术改造目前主要应用于螺杆式空压机的改造，特别是喷油螺杆空压机。需要注意的是，与水泵和风机变频不同，在一个不同容量的多台空压机并联运行系统中，通常只对一台空压机进行变频改造即可，但由于有的压缩空气系统的负荷变化范围比较大，对哪台空压机进行变频改造需要对系统负荷特性进行全面的测试评估后才能决定。如果出现了选择性错误，则很难达到预期的效果。

4)工程案例

变频调速技术分两种，一种是目前最先进的纯变频压缩机，可节约能源25%~35%，如英格索兰NIRVANA调速螺杆压缩机。

另一种是普通螺杆压缩机加变频器，可节约能源10%~15%。如厦门立恒股份有限公司对其动力厂2＃空压站的一台喷油螺杆空压机，型号为英格索兰EP200，进行变频改造，通过对改造前后一个月机组的运行记录的统计，以及一年多的运行情况来看，其一年实际节约电能为135000kWh，节电率为11.25%。

2.5 压缩空气系统管路优化

1)技术原理

一个设计合理的压缩空气系统，管路系统的压力降不应该超过工作压力的1.5%。管路改造是指通过全面的系统测试，找出系统管路配置不合理的地方，从而加以改进。常见的改进方法有：将支路布置的管线改为环路布置管线、将局部阻力偏大的管线优化等等。由于空压机排气压力每增加0.1MPa，空压机功耗将会增加约7%。如果系统某部分管段存在阻力偏大问题，使系统压降增大0.1MPa，没有仪器测试，很难察觉问题所在，企业常用的方法是将系统压力提高0.1MPa。如果将这部分管路优化，则系统供气压力就可以相应降低0.1MPa，整个系统的节能率就会达到7%以上。

2)技术特点

管路改造需要在对系统管路压力梯度进行全面测试分析的基础上进行，一旦问题找到后，改造起来比较简单。

3)适用对象

适用于任何压缩空气系统，特别是用户突然发现某一生产设备用气压力不足时。

4)工程案例

例如，宝钢冷轧2030空压站压缩系统管网，3＃吹扫压力时常达不到使用要求，经测试3＃吹扫口前端的DN150电动阀阀门前后的压差高达0.07~0.09MPa，利用该机组定修的机会，对这部分管网进行局部改造，目前3＃吹扫压力可以达到使用要求。

2.6 空压机热回收技术

1)节能原理

空气在压缩过程中会产生大量的高温热量，为了提高压缩机的工作效率，大部分热量随冷却水被排放掉，造成大量的能量损耗。压缩空气系统的余热回收可以采用一些技术措施和必要的设备，比如采用压缩机热泵以及换热设备，将空气压缩过程中产生的高温热量充分的利用起来，作为辅助采暖、工业工艺加热、锅炉补水的预热和生活用水等方面。实践证明：通过合理改进，50%~90%的热能可以回收利用。

2)技术特点

热回收可以充分利用空压机原来完全浪费掉的能量，至于回收方法可以根据每个企业不同的需求和条件进行。

3)适用对象

适用于风冷式螺杆式空压机和水冷式空压机。

4)工程案例

2008年，英格索兰为强生（中国）有限公司成功实施了压缩空气余热回收系统的建设和应用。强生公司使用的空压机为英格索兰EP200喷油螺杆压缩机，改造完成后做到了一天内完成30吨锅炉补水提温40摄氏度的目标，节能率达到20%。

2.7 压缩空气干燥工艺改进技术

1)技术原理

当空气被压缩时，空气当中的任何物质也同时被压缩，包括固态颗粒、碳水化合物蒸汽、化学物质蒸汽以及水蒸汽等。如果环境空气当中的污染物不能从压缩空气当中清除，那么这些污染物将凝聚在使用压缩空气的空分系统内和设备中。压缩空气干燥的主要目的是根据不同工艺对压缩空气的露点需求对压缩空气进行冷冻干燥、再生干燥、吸收干燥，从而保证生产的正常进行。压缩空气干燥工艺改进主要有两种：一种是根据压缩空气系统的实际需求，选择合理的干燥工艺对其进行处理。比如，对于压力露点只需0~5℃的压缩空气系统，选择冷冻式干燥处理最为合适，不要盲目追求低露点而选择无热再生干燥处理。另一种是通过改进干燥工艺以较少的能源消耗达到相同的压缩空气露点需求，如将无热再生干燥改为无热微风干燥，干燥压缩空气的耗气量将会减少10%以上。

2)技术特点

将再生干燥改为冷冻干燥使得压缩空气露点由-40℃变为5℃左右，通过更改系统的压力露点指标达到节能目的。将无热再生干燥改为无热微风干燥使得压缩空气露点不变，但空气耗气量减少10%以上，通过改进工艺达到节能的目的。

3)适用对象

将再生干燥改为冷冻干燥适用于生产需要的压力露点为5℃右的情况，改进前要慎重，需要对系统所有需求进行全面细致调研。通过改进干燥工艺以较少的能源消耗达到相同的压缩空气露点需求，特别适用于企业原来使用无热再生干燥工艺的情况。

3 我国压缩空气系统的主要节能方向

在我国，压缩空气系统在工业企业中大量应用，比如在气动传动、风动工具、冷却、仪表吹扫、干燥、切割及火焰处理等。根据笔者调查，存在的主要问题如下：

○ 空压机老化问题；

○ 空压站备机数问题；

○ 供气压力与用气压力合理匹配问题；

○ 压缩机和管网运行调节模式优化问题；

○ 压缩空气系统能源计量考核问题；

○ 压缩空气系统的辅助设备配置问题。

上述问题的存在都会对压缩空气系统能耗产生较大影响，但是通过采取一定的技术措施和管理手段可以达到节能降耗的目的。

因此，压缩空气系统的节能应该从三个层面考虑：

一是机组性能的提高，包括压缩机本体优化设计和压缩机系统的调节技术以及辅助设备技术的改进；

二是压缩空气系统的管网设计、运行参数的匹配以及日常管理和维护；

三是先进节能技术的使用，比如压力流量控制技术、空压机集中控制技术和空压机余热回收技术等。

4 结论

压缩空气系统在工业企业中是能耗大户，对于高耗能的压缩空气系统进行节能改造，提高其运行效率，是一个系统工程，主要包括高效电动机与压缩机的优化匹配，空压机的设计制造技术的提升以及空压机调节技术的更新，优化压缩空气运行参数和减少压缩空气的浪费等等技术应用。

做好空压机系统的降低能耗工作，对降低企业生产运行成本，缓解我国电力供应紧张具有一定作用和意义。

[1]贾光政，王宜银，吴根茂.压缩空气动力应用的发展现状及展望 [J].中国机械工程，2004，15(13)：1190～1194.

[2]秦宏波，俞增盛，汪国兴，闵圣恺.压缩空气系统优化技术及其应用 [J].上海节能，2005，(3)：63-65.

[3]Maolin Cai.Power Assessment of Flowing Compressed Air.Journal of Fluids Engineering.2006（3），Vol.128，P402-405.

[4]Chris Beals，Joseph Ghislain，Henry Kemp，et al. Improving Compressed Air System Performance.U.S.Department of Energy，2003.

[5]张业明，蔡茂林.面向压缩机群控制的新型节能智能控制器的研究 [J].液压气动与密封，2008，28(5)：14-17.

[6]Imae J.，Kitano H.，Sugawara T.，Wada T.Design Methods for Feedback Controllers of Nonlinear Systems Based on Proceedings of the 41st SICE Annual Conference Vol.4，2002，8：2259-2262.

[7]史建华，施建军，陆金标，何永平.2050热轧管网压力稳定改造 [J].能源技术2003，24(6)：268-269.

[8]英格索兰空气系统组团 （中国区）.英格索兰压缩空气系统销售工程师培训教材[M].2002.

[9]白坤海.空压机变频及微机自动控制系统研究[D].山东大学硕士学位论文，2002.