气动系统节能方法研究进展综述

姜忠爱， 于赢水， 熊 伟， 苏迅钊， 杜明泽

(1.大连海洋大学机械与动力工程学院， 辽宁大连 116023；2.大连海事大学 船舶与海洋工程学院， 辽宁大连 116022)

引言

随着全球经济一体化发展进程加快，对能源的需求和消耗也逐渐增大。目前中国已经超过美国成为世界上最大的能源消费国，能源消耗量占全球的20.3%。完成节能减排目标，降低单位GDP能耗，实现清洁生产，对维护地球家园，促进人类可持续发展具有重要意义。气动系统广泛应用于工业生产的各个领域，根据各国对气动系统应用程度的不同，气动系统耗电占其总工业用电的7%～20%，然而其效率通常仅为5%～17%，较液压系统和电力系统还有很大的提升空间[1-2]。近些年，提高气动系统效率、节约能源消耗问题逐渐引起学界和产业界的高度关注。

相关研究表明，压缩空气行业的节能潜力巨大，可以节省40%～75%的当前消耗量[3]。气动系统中能量损失主要包括压缩机的绝热压缩损失、沿程压力损失、管路泄漏、空气残余导致的体积效率损失及回程有压空气排放等。因此，气动系统节能从提高压缩机效率方面入手，兼顾管道配置、分压供气及残余能量再利用等方面，进行了大量的研究并取得一系列研究成果。SMC的气动节能方案为日本一些企业削减耗能60%；我国多名学者及其团队通过研究和实践，实现企业气动系统节能达到30%[4]。本研究将从制气、输送和使用等多个方面，阐述气动系统节能的方法和研究成果，分析各种节能方法研究的特点，并提出气动系统节能技术在未来一段时间内的研究重心和发展方向。

1 压缩空气制备过程的节能方法

1.1 选用高效率的空压机

空压机是整个压缩空气系统的心脏，对系统能耗有重要影响。以电机功率占总功耗的90%为前提，螺杆式压缩机的总气动功率效率约为45.4%～57.2%，高于活塞式、叶片式压缩机[5]。目前节能效果较好的永磁同步双主机双电机二级压缩空压机，等熵效率可达86%以上，相比直联传动的工频机可节省30%～60%能耗。此外，供给空压机清洁干燥的高品质空气，也能够提高空压机的工作效率，研究表明，空压机吸气温度每增加3 ℃，压缩机功耗将增加约1%。因此应尽量将空压机进气口置于室外温度较低且干燥的区域[6]。除此之外，还要保障空气输入输出畅通，过滤器堵塞将造成压缩空气压力损失；干燥器效率下降，同样会增加系统能耗。因此，空压机后处理设备的工况监测和及时维护也是系统高效工作的保证。

1.2 空压机集群控制

空压机变频控制和实时工作台数控制可有效降低制气能耗，通常采用变速控制、串级主控、压力带控制和智能控制等[7-9]。例如根据用气系统瞬时耗气量的变化改变空压机满载运转的台数，实现供需之间的实时平衡，可以有效减少空压机耗电。蔡茂林等[2]基于流量供给气动节能理论设计的智能控制器系统，节能效果可达30%～40%； AMOL S[10]研发了基于PLC控制器的空压机集群控制系统，用于解决气动系统压力脉动，在实现节能的同时还可以延长设备的使用寿命。JOLANTA J等[11]研发的APC系统，可根据检测数据分析执行件分析气压需求情况，调节空压机在20%～100%的额定功率之间工作，节约电力消耗。实践证明，该系统在实现减少7.4%的空压机能耗基础上还可减少5%～10%的设备磨损，综合成本降低15%。另外，Ingersoll-Rand，KAESER，HITACHI等公司均研发了空压机集群控制系统。

1.3 空压机余热利用

提高气动系统效率的另一研究方向为空压机余热回收利用。在空压机日常运行过程中，消耗电能的很大部分都被转化成热的形式散失掉了。空压机工作过程中产生的热量除辐射到环境和储存于压缩空气自身外，剩余50%～90%可被回收利用。余热能回收的形式一般是通过换热器等设备将产生的热量用于加热空气或水，典型的应用包括辅助采暖、锅炉补水预热等。例如Atlas Copco公司开发了空压机余热回收系统，通过回收空压机散热能制备85～90 ℃的热水[12]；SRIKHIRIN P[13]研究了吸收式制冷循环转换技术，将空压机低温余热作为热源驱动制冷机，并通过热泵技术提高热能品位加以回收利用。

国内学者在空压机余热利用方面也开展了深入研究，吕国录等[14]以喷油螺杆式空压机为研究对象，采用油路系统余热回收为主、气路系统余热回收为辅的方式进行水冷式余热回收系统设计，其空压机余热回收系统如图1所示。张庆营等[15]研究将空压机余热应用到中央空调换热系统中，满足了办公区冬季采暖需求，取得了显著的经济效益。戴雨辰等[16]设计了一套余热综合利用方案，利用压缩空气废热驱动扩散吸收式制冷系统来干燥压缩空气，并通过二次回收废热来生产热水。青岛北船重工利用空压机冷却水余热取代锅炉供热，实现了职工采暖及生活用热，该系统投资回收期约为3～4年，具有较好的经济效益和社会效益[17]。在此研究领域，肖永伟、岑曦等[18-20]都在理论及实践方面展开研究，取得了良好的节能效果。

图1 空压机余热回收系统图Fig.1 Waste heat recovery system of marine air compressor

2 压缩空气输送环节的节能方法

2.1 分压供气技术

压缩机的能耗与输出压力有很大关系，研究表明，供气压力每增加0.1 MPa，空压机能耗将增加5%～10%，同时系统耗气量将增加14%[21-22]。在目前的实际应用中，很多空压机的供气压力都设定为系统需要的最高压力，通过减压处理后向低压用气设备供气，造成巨大的能量损失。根据式(1)气动功率计算方法，结合式(2)节流效率计算方法，将气源压力为6.3 MPa的压缩空气降至0.5 MPa使用，节流效率约为38.8%，其节流损失能量大约是使用能量的1.6倍，实际应用中的能量损失比该计算值还要大[23]。

(1)

式中，P—— 气动功率

p1—— 压缩空气的绝对压力

p0—— 标准大气压力

Q1,Q0—— 压缩状态下和换算到标况下的气体体积流量

(2)

式中，η—— 节流效率

Ed,Eu—— 对应节流口上游和下游的气体能量

Pd,Pu—— 对应节流口上游和下游的气动功率

另外，供气压力过高还会增加输气管路的泄漏量，加剧系统耗能，可见降低系统压力是实现压缩空气系统耗能的另一有效措施。因此，在满足用气需求的前提下，应尽可能降低空压机的供气压力，对局部有较高压力需求的场合采用增压器增压，实现系统分压供气。

在局部增加技术研究方面，樊阳等[24]提出了一种能量回收增压调节器(VBA-R)，其结构如图2所示。该研究引入气动功率的概念对其能量效率进行了评估，研究结果表明，随着供给压力和流量消耗的增加，能效呈现降低趋势；当回收腔直径与增压腔直径比值接近1.3时，增压器的效率最高。与传统的VBA增压调节器相比，VBA-R可实现增压比提高15%～25%，效率提高5%～10%。

1.驱动腔A 2.活塞 3.增压强 A 4.气源 5.回收腔A6.回收腔B 7.单向阀 8.增压腔B 9.活塞杆 10.驱动腔B11.电磁开关 12.磁性环 13.二位七通电磁阀 14.调节器 15.动力源图2 带能量回收的增压器结构示意图Fig.2 Structure schematic diagram of booster regulator with energy recovery

王海涛等[25]基于传统增压泵的主体结构设计了新型阀芯，实现了单行程供气，从而节省了吸气行程驱动气体的消耗，实现节约系统耗气30%。石岩等[26]均在气动系统局部增压技术方面开展了相关研究，取得了显著的节能效果。

2.2 减少管道压力损失和泄漏

根据气动系统功率的评估和测量方法，压缩空气从气罐中到执行件应用的过程中，预处理阶段的效率约为85%～90%，后冷却器、干燥器和过滤器的效率分别约为99%，90%～96%和95%，输送和消耗过程中的效率约为70%～85%[5]，可见气动系统输送过程的效率是较低的。产生损失的主要原因包括：输气管路没有高低压之分；输气压力脉动频繁； 过多的弯头、弯管； 管路损坏造成了空气泄漏。因此提高压缩空气输送环节的效率，减少浪费也可提高气动系统效率。

研究表明，压缩空气在管路流动过程中的压力损失与管路直径的五次幂成反比，与管路的长度成正比。在各类应用场合中，大型复杂气动管网供气过程存在大量沿程损失，因压缩空气传输调度不合理造成的能量损失占气动系统能耗的15%左右[27]。为减少沿程损失，首先应该合理布局管路系统，压缩空气从空压机输出到用气设备的压力损失不应超过空压机排气压力的10%。GAI Y等[28-29]根据气动管网关键节点的供需特点，研究提出了一种智能气动管网的节能供应策略，并通过实践验证了该节能供应策略的有效性。同时，在气动管路末端，要尽量缩短阀与缸连接管路，例如换向阀应该尽可能安装在气缸附近，有利于减少沿程损失。

管路泄漏也是造成气动系统能源浪费的一个重要因素, 实际生产过程中压缩空气的泄漏量通常占供气量的10%～30%，管理不善的情况下甚至可能更高。高压气管上1个直径1 mm的小孔每年损失高达约3200 kW·h，而这样的泄漏小孔在实际的气动系统中多达成百上千。泄漏的原因通常归咎于设备使用中的零部件老化或破损，因此定期检查输气管道接头的密封情况和检测未知的泄漏小孔非常重要。相应的泄漏点检测技术也逐步成为气动系统节能领域的重要研究内容。

3 压缩空气使用过程中的节能方法

3.1 排气能再利用

典型气动系统在回程时将气缸中的压缩空气直接排向大气，造成饱含大量气体压缩能的空气白白浪费，因此，对气缸排气腔的压缩空气回收再利用可提高系统效率。

表1为目前对排气腔压缩空气进行回收的主要方式及特点。

表1 常见排气回收方式及特点Tab.1 Commonly used exhaust recovery methods and characteristics

其中，通过气罐回收后再利用的方法出现较早，应用较为广泛，主要是将排气腔的压缩空气存储并作为低压执行元件的气源，例如用作驱动气缸回程等。研究表明，气缸排气能回收再利用可以节约40%以上的压缩空气，最高节约耗气量将近50%。郑配玉等均在此方面有深入的研究[30]。LI T C等[31]研究了带增压处理的排气回收回路，其结构如图 3 所示，将排气腔中的压缩空气通过单向节流阀和二位四通阀输入气罐，经过增压处理后重复利用。

图3 带有增压器的排气回收节能回路Fig.3 Exhaust recovery energy-saving circuit with booster

日本学者小根山尚武[32]研究在气缸排气回路中增加真空产生组件，利用气缸排气流经喷嘴和扩散管转化为真空能量储存在气罐中。在国内，迟英姿[33]也开展了相关研究，实现了将排气过程中具有的能量转变为负压能回收再利用。另外，南京理工大学SMC气动技术中心利用排气能驱动转换转置发电，实现了排气能转换为电能储存在蓄电池中[34]。

以上排气能回收方法需要在气动系统中额外配备适当大小的气罐和必要的组件，增加了系统复杂性，而且储蓄在气罐中的能量一般较少，驱动能力稍弱，一定程度上影响了气动系统的运行效率。近些年，出现了将排气腔中压缩空气能量直接利用的方法，如YANG A等[35-36]使用1个开关阀将气缸的排气腔与进气腔连通，将排气腔中的部分压缩空气输送到进气腔中，节约了进气腔空气消耗量，实验表明可节约10.9%～29.5%的压缩空气。DOLL M[37]提出在由4个开关阀构成的桥式回路中增加1个开关阀将气缸的进气腔和排气腔连通，通过优化开关阀通断时序，将排气腔中的部分气体引入进气腔进行回收再利用，达到节能的目的。此外，徐池[38]将气缸进气腔和排气腔通过换向阀分别与小型空压机的进排气端连接，如图4所示，可以实现将排出的气体经过增压后直接利用，通过控制空压机转速还可以调节进排气流量，实现活塞的速度变化，实验表明该方法可节约74%的压缩空气。

图4 排气回收利用回路Fig.4 Exhaust air recovery circuit

直接回收利用法结构简单、占据空间小、节约耗气比例高，较排气能回收存储再利用方法有明显的优势，是目前气动节能研究的一个重要方向。

3.2 进排气独立控制策略节能方法

近些年国内外学者通过优化供排气方案，实现充分利用压缩空气膨胀能做功提升气动系统效率。如PAUL H等[39]采用2个三位四通电磁阀控制气缸进排气，其回路如图5所示，可实现进排气独立控制。通过遗传算法对电磁阀的通断时序进行优化求解，较传统进排气方式可节约29%的压缩空气。另外，通过在排气回路中加入减压阀构成双压力供气节能回路，在气缸水平工况下可节约25%的压缩空气，竖直安装时可节约75%的压缩空气[40]。

图5 采用2个三位四通阀的节能回路Fig.5 Energy-saving circuit with two three position four way valves

KRZYSZTOF J研究分析指出，在由如图6所示的桥式气动回路中，活塞工作行程进排气控制主要包括三个阶段：第一个阶段进排气阀均打开，活塞加速，时长t1；第二个阶段关闭进阀，活塞减速，时长t2；第三个阶段为稳定活塞位置并增强出力刚度，此阶段根据需要开启相应阀件，时长t3。基于此分析，以节能为目标，利用神经网络计算获得3个进排气时刻点的值。实验结果表明，根据结算结果进行回路进排气控制较传统方式可节约55%～65%的压缩空气[41]。石月等[42-44]也提出类似的方法，在气缸通入一定量压缩空气后停止进气，由空气膨胀驱动剩余行程，可减少约70%的压缩空气消耗量。

图6 节能回路组成及阀件通断时序Fig.6 Composition of energy-saving circuit and valves’ on-off sequence

在通过进排气策略实现气动系统节能方面，DU H等[45]基于图7所示的桥式气动回路，研究讨论了利用数学优化获得进排气时序，以实现减少系统耗气的方法。通过系统建模及AMPL优化手段实现了最优的进排气通断时序求解。结果表明，基于优化获得的通断时序不但能够大幅提高压缩空气的利用率，还可提高系统运行平稳性，较传统回路节约耗气可达70%[45-47]。

图7 采用5个开关阀的气动节能回路Fig.7 Pneumatic energy-saving circuit with five on-off valves

4 节能阀件

通常阀件节能研究主要集中在改善内部流道结构、降低气体通过元件的阻力损失，以及减少空气泄漏、降低阀件的耗电量等方面。例如， VQ4000/5000型及VZ5000系列高效节能电磁阀，其耗电量小、流量大、寿命长、响应快，通过高效磁路和加工公差的有机结合，该电磁阀的功率仅为传统电磁阀的5%。

伴随大数据及人工智能技术发展，节能阀件的研究已经转向集成有智能控制系统的多功能阀，可实现在感知与满足系统工作要求前提下，降低系统耗能，AS-R/AS-Q节能阀，通过减少非工作行程的压力实现系统节能，平均节约耗气25%[48]。Festo公司推出一种的智能阀件Festo Motion Terminal VTEM，其结构如图8所示。该阀集阀体、智能控制系统为一体，构成1个智能阀岛，通过Motion App软件编程，可实现换向阀、比例流量阀、比例压力阀等超过50种以上的功能[49]。

图8 Festo数字控制终端Fig.8 Festo Motion Terminal

在结构设计上，该阀采用压电陶瓷作为先导阀开关形式，反应灵敏，耗电量低，使用寿命高，结合智能控制系统可等效实现多种换向阀功能，图9为实现三位四通阀功能的等效回路图。

图9 Festo Motion Terminal(数字控制终端)VTEM等效换向阀阀功能Fig.9 Equivalent directional valve function of Festo Motion Terminal VTEM

5 结论

综上所述，气动系统的能耗占全球工业化生产总能耗的比例高，节能空间巨大，当今全球能源供应紧张，特别是我国要实现可持续发展和节能减排目标，对于高耗能、低效率的气动系统进行节能方法研究，提高系统效率是一个重要课题。未来气动系统节能的主要研究重点包括：排气能再利用，进排气独立控制策略节能方法，节能阀件设计。

在气动系统节能方法研究中，充分利用压缩空气膨胀能已成为重要的研究方向，排气回收再利用的方法存在结构复杂，适应压力范围窄，还会一定程度上影响气动系统运行效率等问题，而通过数字阀件控制进排气时序实现输入能量和执行元件运行需求相匹配的方式具有智能化程度高、节能效果好、适用范围广等优势，通常可节约耗气50%～85%的压缩空气，已经成为当前气动系统节能的主要研究方向。