压缩空气与节能

罗军（新疆众和股份有限公司　乌鲁木齐 830013）

压缩空气与节能

罗军
（新疆众和股份有限公司乌鲁木齐 830013）

压缩空气以其安全、环保、调节性能好、输送方便、便于集中管理和应用工作环境适用性好等特点，在工业领域得以广泛应用。是工业领域中应用最为广泛的第四大能源，也是一种昂贵的能源，其能耗在大多数工厂中约占其全部能耗的10％-40％。现代产业使用压缩空气时都有一整套设备、设施，我们把由生产、处理和储存压缩空气的设备所组成的系统称为气源系统。典型的气源系统由下列几部分组成：空气压缩机、后部冷却器、缓冲罐、过滤器（包括油水分离器、预过滤器、除油过滤器、除臭过滤器、灭菌过滤器等等）、干燥机（冷冻式或吸附式）、稳压储气罐、自动排水排污器及输气管道、管路阀件、仪表等。上述设备根据工艺流程的不同需要，组成完整的气源系统。压缩空气有3种主要用途（1）动力用压缩空气作为能源完成做功；（2）工艺用压缩空气空气成为工艺流程的—部分；（3）控制用仪表风停止、启动或调整机械设备的运行操作。

气源系统比功率绝对压力绝对湿度露点温度

1　概述

我国政府己颁布的《节能中长期专项规划》中明确了节能的目标和发展重点，并提出了到2020年用能产品和设备能效水平达到或超过国际先进水平的目标。空压机是工业、矿产、建筑等领域中常用的耗电设备，由于使用量大、运行时间长，研究空压机能效及空压机系统的经济运行，对节约能源、保护环境有重要意义。

压缩空气系统能耗的96％为工业压缩机的耗电。我国工业压缩机的耗电量2006年为1800亿度，2007年高达2000亿度，约占全国总耗电量的6％。而GDP为我国1.6倍的日本的工业压缩机耗电量仅为400亿度。这说明我们在调整产业经济结构的同时，还需大力提高压缩空气系统的能源利用效率。

2　空压机主机比功率的质量等级划分

上世纪九十年代以来，我国先后制订了滑片、往复活塞、螺杆等空气压缩机的产品质量井等标准，包括：JB/TQQ767-89《一般用喷油滑片空气压缩机产品质量分等》、JE/T53054-1992《一般用往复活塞空气压缩机产品质量分等》lB/TA30A6-1992《一般用喷油螺杆空气压缩机产品质量分等》等。分等标准根据产品的比功率、油耗等指标，将产品划分为合格品、一等品、优等品3个等级。这给空压机的制造、研究、评比，有差政策的制订提供了参照和依据，对提高空压机节能技术改造发挥了主要的指导作用。1999年又先后发布了修订的质量分等标准，包括：JE/ T53054-1999《一般用往复活塞空气压缩机产品质量分等》、IE/T53056-1999《一般用喷油螺杆空气压缩机产品质量分等》、JBT53225-1999《一般用喷油滑片空气压缩机产品质量分等》、IE/T53250-1W9《罐车用风降滑片空气压缩机产品质量丹等》、IE/T53176-1999《中、高压车装风抟往复活塞空气压缩机质量丹级》等。

空压机的能效考核指标实际上是基于“比功率”，比功率是每单位实际容积流量所需的轴功率。而轴功率指压缩机主轴所需要的输入功率。这也就是说，空压机的效率仅局限于对压缩机主机效率的考核。

空气压缩机能散评价体系即主要评定主机的比功率，这对控制空气压缩机主机的能耗，提高空气压缩机主机制做水平起到了积极作用。但此时能效评价体系未对空气缩机整机的能效做出规定，即使空气压缩机主机比功率符台要求，若管道、进气消声器、单向阀、冷却器等阻力损失大，电机效率、传动效率低，就会造成空气压缩机整机能效低，不能从根本意义上解决节能与能效评价的问题。从空气压缩机用户角度来考虑，主机的先进性，并不是关注的重点，整机的能效及安生可靠性、整机的运行及维护费用才是核心问题。

3　压缩空气系统节能的技术路线

压缩空气的使用能耗E可以用气动功率的积分表示。因此，如下图所示，在压缩空气使用中，减少压力、流量、时间任何一个变量，都可降低压缩空气能耗。

式中，P为压缩空气绝对压力；Qa为换算到大气状态下的体积流量；t时间。

由以上论述可以看出，压力、流量、时间是压缩空气节能的三要素。

4　当前压缩空气系统使用中存在的主要问题

4.1系统泄漏

当前我国气动用户的压缩空气系统中，能源浪费主要表现为泄漏偏大、压缩机配置及运行仅以保压为目的、供给压力不合理、气枪啧嘴低效、设备用气存在浪费、现场工人用气成本意识淡薄使用随意等。

根据美国压缩空气挑战项目和中国机电机电系统节能项目的实施经验大多数压缩空气系统所消耗的能源明显高于其实际消耗的能源量，泄漏、人为虚假用气和不正确使用大约消耗了50％的压缩空气量，很多的系统通过压缩空气的优化可达到20-50％的节能效果。其中，泄漏量的90％以上来自设备使用中的零部件老化或破损。而尤为严重的是，现场管理人员远远地低估了泄漏造成的损失。

表1

一个1mm的孔一年造成的电力浪费约2 400 kWh，因此，定期的检漏、及时堵漏是十分重要的。

4.2系统压力波动

压缩机的合理配置及合理运行对节省用电非常重要。通常，为使输出压力波动小，很多压缩机采用吸气阀调节方式。这种方式在没有供气的情况下也仍需消耗70％额定功率的电力，浪费较严重。为此，导入变频控制、采用压缩机群专家控制系统等措施对节省电力十分有效。

由于管道压力损失不确定，设备启动存在流量高峰等原因，压缩机的供气压力有时比现场要求压力高出0.2～0.3 MPa，浪费严重。有时也会为了少数几台压力要求高的设备，而整个调高供气的压力，这在能源使用配置上极其不合理。

压缩空气系统的能源消耗与系统的供气压力成正比例关系，系统供气压力越高，空压机能耗越大，压缩空气供气压力每提高0.01 MPa，空压机能耗增加约7％～8％。压缩空气系统压力波动的最小值必须满足系统最苛刻的压力需求，也就是说，系统压力波动的最小值要高于工艺需求压力的最大值。

4.3系统压力降

任何介质的传输都存在着压力降，合理地控制压力降有利于节能降耗。当压力降增加时为获得所需要的工作压力，空气压缩机就要多做功。压力降每增加0.01 MPa时，功耗相应增加0.3％～0.5％，对任何一台空气压缩机，每年增加的功耗是很大的。油分离器、精密过滤器、干燥机是压力降增加的主要部位，因此，适时地更换油分离器、精密过滤器，定期清洗干燥机空气通道是降低压力降的有效措施。延长空压机油分离器、精密过滤器的使用时间，表面上节约维修成本，但并不能节约运行成本。不仅多消耗了电力，而且多耗的油进入后处理系统、管网系统会带来意外事故。

压缩空气的压力损失，压力损耗取决于：横截面积、流速、管道长度、管道内表面粗糙度、管道的弯头及变径接头数量。管径选择建议：空压站房内与空压机相连的总管尺寸选择时最好保证管道内流速不超过6 m/s。离开空压站到主管道尺寸选择应该保证其压缩空气流速不超过9 m/s。用气点支管的管道尺寸选择应该保证其压缩空气流速不超过15 m/s。

4.4系统水分较大

无论哪种空压机都吸入空气中的杂质并将它们浓缩数倍。吸入空气的温度、湿度都决定了压缩空气中的含水量。由于压力的增加和气体体积的缩小，从表面上看似乎含水能力将下降。但是，由于压缩时温度急剧上升，所以在压缩时其含水能力是上升的，此时压缩空气并没有进入过饱和状态。只有当压缩空气经过后冷却器、冷冻式干燥机或者进入压缩空气管网时，由于自身温度降低，从而使其含水能力下降，当压缩空气温度低于压力露点温度时，水蒸气便开始析出形成了冷凝液。由此可以看出，压缩空气中冷凝液的产生与空气的相对湿度、压缩空气的温度和压力密切相关。空气的相对湿度越高，压缩后越容易产生冷凝液；压缩空气的压力越高，空气压缩后的体积越小，单位体积压缩空气的含水量上升，越容易产生冷凝液；压缩空气的温度越低，其含有水蒸气的能力下降，因而越容易产生冷凝液。

单位体积空气中的所含水蒸气的质量称为湿空气的绝对湿度。在某湿度和压力条件下，湿空气绝对湿度与饱和绝对湿度之比，称为该条件下的相对湿度。

衡量压缩空气中含水量的多少用压力露点温度来评估。大气露点指在大气压力下的水分凝结温度，不同露点温度和相对的湿空气饱和绝对湿度。湿空气被压缩后，水蒸气密度增加，温度也上升，压缩空气冷却时，相对湿度便增加，当温度继续下降到相对湿度达100％时，便有水滴从压缩空气中析出，这时的湿度就是压缩空气的“压力露点”。简单的说就是在压力状态下，水蒸气凝结成水时的温度。

一台排气量为5 m3/min的空压机，在空气温度20℃，相对湿度70％，排气压力0.1 MPa的情况下，运行8h，则输送到主管内的水约为30升。

5　节能的措施

（1）压缩空气的产生：压缩机的合理配置与运行，供给压力的降压及运行模式优化，压缩机与空气净化设备状态的日常管理等。杜绝无意识浪费在空气压缩机管理中我们要养成以下良好的习惯：空气压缩机停下后应关闭电源、关闭隔离阀。不关隔离阀，有些控制用气继续消耗会造成浪费。

（2）压缩空气的传送：泄漏的日常点检与最小化，接头处的压损改进，管网节点配置的合理化，耗气量分配的监测与日常管理等。

（3）压缩空气的使用：气力输送中压力及流量的合理化，机器非工作时供气的停止，分压供气，气缸驱动回路及驱机械工程公动速度的改进，测量管路的最短化等。

对系统用户压缩空气使用合理调配，避免集中高峰用气。系统压力每增加0.014 MPa，系统将多消耗2％的压缩空气。增加空气系统当中所存在的孔的压力，那么就增大了通过系统的空气的流速。泄漏和未调节用气量都属于人为假设用气量的潜在构成部分，不控制压力而对泄漏进行维修是不会完全有效的。

根据季节的不同及时调节电磁排水阀的定时，减少空排时间，避免气、电的浪费。

空气压缩机冷却器的一个重要作用就是提高压缩效率，就温度而言，提高冷却效率就是提高了压缩效率，气温度每下降10°C，功耗也随之降低3％。因此，控制好温度不仅能稳定空气压缩机的运行，而且还能降低油耗使系统正常运行，进一步降低功耗。油分离器只能分离液态油而不能分离气态油，当温度过高时易产生油气随压缩空气进入后处理设备，除增大油耗外，还会污染这些设备，或降低干燥效果，或增大阻力使功耗增大。因此，控制好温度不仅能稳定空气压缩机的运行，而且还能降低油耗使系统正常运行，进一步降低功耗。

6　结束语

节能措施的应用，很大程度提高了空压机本身的效率和寿命，避免了很多浪费现象。同时，在该系列措施使用后，压缩空气系统可以达到20％～50％的节能效果。压缩空气为三种工厂基本动力源（电、水和压缩空气）中最耗能的一种，约占工厂总耗能10％～20％，其中25％浪费于泄漏，15％的浪费于假性需求，真正与生产直接相关的通常不大于60％。然而，高效率的压缩空气系统是一项十分专业的气压技术和工程范畴，加上一般使用者因缺乏正确的使用观念与管理数据，根本无从着手，只能坐失改善良机，极为可惜。然而，高效率的压缩空气系统是一项十分专业的气压技术和工程范畴，如果做好措施处理，可确保企业的最大效益。

［1］王革华，等.能源与可持续发展.北京：化学工业出版社，2005.

［2］黄素逸.能源与节能技术北京：中国电力出版社，2004.

［3］秦宏波.压缩空气系统动态特性分析.2006.

收稿：2016-07-01

10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.06.041