压缩空气系统设计问题分析

宗立昌

摘要压缩空气是目前工业项目设计中最常用的动力源之一。本文从系统形式确定、设备选型和管网设计三个方面对压缩空气系统在设计过程中应注意的问题进行了分析说明。

关键词压缩空气系统 集中与分散供气 设备选型 管网设计

中图分类号：TU81 文献标识码： A

引言

压缩空气是工业领域中应用最广泛的动力源之一，是仅次于电力的第二大动力能源，又是具有多种用途的工艺气源，由于其具有安全、无公害、调节性能好、输送方便等诸多优点，使其应用范围遍及石油、化工、冶金、电力、机械、轻工、纺织、汽车制造、电子、食品、医药、生化、国防、科研等行业和部门。一个设计完善的压缩空气系统应在满足使用需求的同时兼顾节省投资和节能两个方面。本文将从系统形式确定、设备选型和管网设计三个方面对压缩空气系统在设计过程中应注意的问题进行分析说明。

系统形式确定

压缩空气系统设计的首要问题就是确定供气方案。许多压缩空气系统出现投资高、运行能耗大、供气压力波动大等问题归根到底就是因为供气方案不合理造成的。因此确定一个经济合理的供气方案是设计中首先需要解决的问题。目前设计中常用的供气方案一般可分为以下几种：

设集中式压缩空气站供气。即建一个空压站供应全厂所有的压缩空气用户。其优缺点为：

安装费用低，占地面积小；

可以采用集中过滤吸入空气，集中的机房通风，冷却水处理，压缩空气冷却及干燥设备，对空压机运行的控制较方便，产生的噪声也较能有效地消除；

采用较大的电机及空压机主机，其效率较高，能耗费用较低。同理也适用于电动的附属装置如冷冻干燥机与风机等；

经常性的维修保养工作费用较低，维护方便；

需要远距离供气，管道配置成本较高，且管线长、管道压力损失大、需要空压机提供较高的供气压力，管道漏气部位多，维修成本高。当厂区规模大时尤为突出；

由于是集中供气，会采用较大的空压机主机，当用户用气情况变化幅度大时无法灵活调节空气需求量，造成能源的浪费。

此方案适合于耗气量大且用气需求稳定的中小型工厂和用户较为集中的大型工厂。

设置分散的区域性压缩空气站供气。即根据厂区用户的分布情况设置多个空压站，分区域供气。其优缺点为：

空压机供气网络小，内部泄漏少，可减少因压降过大或气量不足致使空压机提高规格带来的能源浪费；

可保障重点用户的供气不会受其它用户用气负荷变化带来的压力波动影响；

无需敷设室外管道，受冷凝损害（霜冻）的机会降至最低；

可根据不同区域的用气情况选择空压机规格，设置空压机的运行参数，使用灵活，运行成本降低；

各区域站房之间可设置管道连通，达到相互调节负荷，互为备用的目的；

需要设置多个空压站房，土建投资增加；

需要配置多套空压设备，初期投资较大，设备运行管理和维护成本增加。

此方案适用于工厂规模较大，用气车间较多，压缩空气用气量大且主要用户又较分散的项目。

就地供气方案。属于分散供气方式的一种特殊情况，当工厂总耗气量不大，用户少而分散时，可考虑采用小型空气压缩机组就地供气的方案，机组可以放置在厂房一端或就近放置在用气点附近。

集中与分散相结合的供气方案。在某些大、中型工厂中其主要压缩空气用户较集中，次要用户则较分散，或者各班用气负荷很不均衡，特别是第三班用气很少的情况下，宜采用这种方案。

当工厂要求供应不同压力的压缩空气，而低压用气量又较大时，应考虑采用不同压力等级的供气系统，配置不同压力的压缩机组，以减少因减压造成的不必要的能量损失，但为便于管理和节省投资，同一项目中供气系统压力等级一般不超过两种。

当工厂有少量用气设备要求供应品质较高的压缩空气时，可单独采用无油润滑压缩机配套相应的干燥净化设备的工艺系统供气，也可利用集中的压缩空气站的带油压缩空气经除油，干燥净化等处理后供气，选择时可视具体情况经技术经济比较后确定。

综上所述，压缩空气供应方案的确定不能一概而论，在选择时应根据项目规模、用气点分布情况、供气压力等级以及要求供应的压缩空气品质等因素，经过综合考虑和技术经济条件比较后确定，既应满足用户的使用要求，又应求得技术经济上的先进性和合理性，避免投资和能源的浪费。

设备选型

在供气方案确定之后就需要根据项目情况选择空压机及其配套的后处理设备。下面将分别介绍这些设备的选型问题。

空压机选型

空压机是压缩空气系统中最主要的设备，是压缩空气系统的核心所在，因此在设计选型时要根据项目情况认真比较后确定。空压机选型首先要确定空压机的类型，常用的空压机类型有活塞式空压机、螺杆式空压机和离心式空压机三种。各类型空压机的优、缺點见表一。

各类型空压机的优、缺点比较表一

空压机类型的确定应根据系统的用气压力，耗气量以及对投资、运行环境的要求等参数比较后确定。目前在国内中、小气量，供气压力小于等于1.0 MPa的项目中，螺杆式空压机以其独特的优势占据着主导地位。

确定好空压机类型后需根据供气压力、供气量、压缩空气品质及冷却方式确定空压机的最终型号。

供气压力的确定

供气压力应根据空压机服务区域内用气设备的最高用气压力及管网和后处理设备的压降确定。但需注意并不是供气压力越高越好，对于任何设备，超过压力要求供气意味系统耗气量的增加，压力越高，泄漏量越大，一般供气压力每提高0.1MPa将会使系统多消耗14%的压缩空气，造成不必要的能源浪费。

供气量的确定

工艺设备耗气量一般由业主提供，在进行空压机选型时可以工艺设备的平均耗气量作为计算依据，并应考虑同时使用系数和其它修正系数。供气量超出实际用气量过多不但会造成空压机选型过大，投资和运行费用的浪费，还会造成空压机运行时频繁加、卸载，不但浪费能源，还会造成管网压力波动，影响空压机使用寿命，给运行调节带来很多不利影响。对于用气负荷经常波动的系统宜配置至少一台变频空压机，通过定频与变频空压机之间的联合控制实现运行节能的目的。

压缩空气品质确定

压缩空气品质应根据用户性质确定，常规用气应选择有油润滑机型，可节省投资，但对于医药、食品等对压缩空气品质要求较高的场所应使用无油机型。另外在后处理设备采用吸附干燥机时，也宜采用无油机型，以避免油雾对吸附剂表面的污染，致使干燥剂“中毒”失效。

冷却方式的确定。

空压机的冷却方式分为风冷和水冷两种。风冷需要开设较大面积的外墙进、排风百叶，冷却效果受室外环境温度影响较大，适合于小型和部分中型空压机。水冷方式需要增加整套冷却循环水系统，包括冷却塔、循环泵、水箱等，投资较高，适用于大中型空压机，水冷的冷却效果比较稳定。

干燥装置的选取

压缩空气干燥的工作原理虽不尽相同但是均以分离出压缩空气中的气体水为目的。通常的干燥原理分为吸附干燥和冷冻干燥两种。

空气的吸附干燥属于固-气两相传质过程，其过程由吸附和再生两个阶段组成，其中吸附剂的再生是实现空气干燥的一个重要方面，选用的吸附剂及其再生工艺方法及效果直接影响所处理空气的露点、运行能耗和供气持续性，因此确定合理的干燥工艺、再生方法及运行参数是确定干燥装置的首要条件。

空气的冷冻干燥是利用被压缩的湿空气受冷媒间接冷却，使其中的水汽冷凝并排出以达到空气干燥的目的。为实现干燥过程的连续性和经济性，一般冷媒的蒸发温度限制在0℃以上，以避免冷凝水冻结，因此冷冻干燥的压力露点下限一般控制在3℃。冷冻干燥设备因具有能耗低、体积小、工作可靠、维护简单以及对气源负载无特殊要求且具有一定除油能力的特点而被广泛应用在获取3℃及以上压力露点的气源处理工艺中。

结合吸附干燥和冷冻干燥的不同原理，在选型时应结合项目的实际用气要求并遵循以下原则，以避免干燥过度带来的不必要的能源浪费。

压力露点要求大于等于3℃的系统，通常采用冷冻干燥。反之，则采用吸附干燥；

冷冻干燥机的冷却方式可结合空压机的冷却方式确定；

在选择干燥机时应根据环境温度、进气温度及进气压力对干燥机的处理气量进行修正；

对空气处理量大，且含湿量高的系统，结合用户要求，进行能耗、初投资等技术经济比较后确定是采用冷冻干燥工艺，还是采用吸附干燥工艺或冷冻、吸附干燥组合工艺；

对无热再生、有热再生和微热再生吸附干燥，选择时应考虑空气系统供需平衡情况、气源压力、干燥前后的含湿量等参数及用户的要求；

吸附干燥工艺运行压力不宜低于0.5MPa，当压力过低时会导致再生气量增大，从而增加电耗和运行费用，不经济。当干燥空气露点低于-60℃时，宜采用冷冻干燥与吸附干燥有机组合的工艺，以减少能量消耗且运行管理方便；

当采用吸附干燥工艺时，待处理压缩空气进入吸附塔前应是无油和液体水的，因此，须选用无油空压机或在压缩空气进入吸附干燥装置前采取有效的除油、除液态水措施。

过滤装置的选择

壓缩空气中的污染物比较广泛，有固体颗粒、水分、油、微生物和有害气体等。在压缩空气系统中若不将这些杂质去除的话势必会对空气管网、用气设备与最终产品质量造成伤害。压缩空气过滤器就是为了除去除气态水以外的其它杂质而设置的，它的过滤机理为直接拦截、惯性碰撞和漫射运动。常用的过滤器根据过滤等级和性能一般分为：粗效过滤器、高效过滤器、活性碳过滤器和除尘过滤器。

过滤器的选择应以处理气量和用户对压缩空气的品质要求为基准，不恰当的选择过滤精度过高的过滤器，或设置不必要的多级过滤，不仅会增加投入费用，而且运行时增加系统的气流阻力，影响过滤器运行周期和使用寿命，浪费能源。过滤器的设置应依据以下原则：

对一般用途的压缩空气仅设置粗效过滤器即可；

对要求较高的压缩空气系统需设置粗、高效两级过滤；

对油含量有严格要求或对气味有要求的系统应在两级过滤的基础上增设活性碳过滤器；

在吸附干燥机后应设置除尘过滤器，用于除去压缩空气与干燥剂接触带出来的颗粒；

粗、高效过滤器通常分别安装于冷干机前后或干燥机前；

选型时应根据进气压力对过滤器的处理气量进行修正。

储气罐的选择

储气罐按工艺用途可分为两类：一类是用于减弱活塞式空气压缩机排气的周期性脉动同时稳定管道中的压力。另一类主要用于用气负荷调节。通常空压站中的储气罐容积可按总供气量的10%选取。对于个别耗气量大的设备和不能停气的设备，应在其附近单独设置储气罐以保障用气设备的正常运行和减小对主供气系统的冲击。

有油压缩空气系统的储气罐需放置在室外，无油系统的储气罐可放在室内。对于寒冷地区的室外压缩空气管道、储气罐下部和凝结水管道应考虑保温和伴热，以避免凝结水冻结导致系统排水不畅。

储气罐宜设置在干燥设备之前，可以对压缩空气中的油、水进行预处理，以减轻后处理设备的负担，利于节能。

管网设计

在现有压缩空气系统中最常用的管网形式是环状管网和枝状管网。枝装管网主要用于压缩空气管道规模小，或只连接几个特定设备，不需要大范围预留用气点的压缩空气系统，特别是就地设置现场型空压机组为特定用气设备供气的系统。环状管网通常用于整个车间大范围供气，且需要大量预留压缩空气接点的系统。环状管网可以有效的增加系统的压缩空气容量以减轻管网的压力波动。环状管网可实现双向供气，可减小主干管的尺寸，节省空间，并能提高为用气点供气的可靠性。

在管网设计中，主干管的管径宜比计算管径大1～2号设计，这样既可以增加管网的容气量，也可以减小管道内凝结水对管道供气阻力的影响，同时可以减小整个管网的阻力，降低空压机的产气压力，实现运行节能。

在管网设计中，预留接口的设置数量要适度，在满足用户使用的前提下应尽可能减少数量，因为每一个接口都可能成为一个泄漏点，接口数量越多，压缩空气的泄漏量就可能越大，会直接影响空压机的开启时间，造成不必要的能源浪费。压缩空气支管与干管的连接方式应采用上出式，可有效减少进入支管的水汽。

压缩空气管道的材质应根据压缩空气品质确定，具体如下：

对于无干燥净化要求的压缩空气系统可采用碳钢管；

对于压力露点低于等于10℃，高于-20℃或含尘粒径小于等于40μm大于5μm的干燥和净化压缩空气系统，可采用经钝化处理或热镀锌的碳钢管；

对于压力露点低于等于-20℃，高于等于-40℃或含尘粒径小于等于5μm，大于等于1μm的干燥和净化压缩空气系统宜采用不锈钢或铜管；

对于压力露点低于-40℃或含尘粒径小于1μm的干燥和净化压缩空气系统应采用不锈钢或铜管。

在条件允许的情况下压缩空气管道应设置坡度，并在低点设置自动排水装置，以利于管道内凝结水的排出。

参考文献：

[1] 徐明、冯根发、徐振国主编《压缩空气站设计手册》 机械工业出版社 1993年12月第1版。

[2] 邱家旺，压缩空气干燥净化系统的工艺选择心得，福建化工，2005年第6期。

[3] 《压缩空气站设计规范》GB50029-2003。

[4] 阿特拉斯科普柯及英格索兰公司的相关产品手册。