淺談壓縮空氣系統的節能技術(shù)

螺桿空壓機是一種定容、回轉式壓縮機，主要通過(guò)螺桿的嚙合和回轉運動(dòng)，完成吸氣-封閉-壓縮-排氣周期。其優(yōu)點(diǎn)是堅固耐用、維護方便，其缺點(diǎn)是輸出壓力不甚穩定，同等條件下的能源效率不及活塞空壓機。螺桿空壓機又分為雙螺桿空壓機和單螺桿空壓機，目前市場(chǎng)占有率較大的是雙螺桿空壓機，具有絕大多數，但某些廠(chǎng)家的優(yōu)質(zhì)單螺桿空壓機也不可小覷。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，壓縮空氣凈化設備就是能對壓縮空氣進(jìn)行凈化處理的設備，也稱(chēng)壓縮空氣后處理設備。

空壓機排出的壓縮空氣含有相對濕度的水份、微量的雜質(zhì)和微量的油份；壓縮空氣的應用領(lǐng)域很廣，當應用工藝對壓縮空氣品質(zhì)有要求時(shí)，就必須配置壓縮空氣凈化設備；因此，應根據應用工藝的要求合理選配凈化設備。

壓縮空氣系統因其元器件造價(jià)低廉、系統易維護等特點(diǎn)，從20世紀70年代開(kāi)始在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應用漸漸擴大，至今已在鋼鐵、石油、天然氣、食品、紡織、半導體、液晶、藥品、醫療、分析儀器、洗凈等行業(yè)中發(fā)揮著(zhù)日益重要的作用。壓縮空氣的應用幾乎遍布每―個(gè)工廠(chǎng)，從小型的機加工車(chē)間，到大型的化工企業(yè)都擁有相應的壓縮空氣系統。

　　然而，隨之帶來(lái)的是壓縮空氣系統的能耗問(wèn)題，其已成為現代工業(yè)中的主要耗能系統之一。美國等國家在壓縮空氣系統上的能耗占其全國工業(yè)總耗電量的9 %左右，而歐洲空壓機耗電約占其工業(yè)總耗電量的10°%.在我國，2010年壓縮機的耗電量高達到2700億度，約占全國工業(yè)總用電量的8.7°%.如今，壓縮空氣系統普遍存在的效率低下、浪費嚴重等問(wèn)題引起了人們的關(guān)注。無(wú)論是研究機構還是用戶(hù)企業(yè)都將更多的注意力放在壓縮空氣系統的節能工作上。

　　本文通過(guò)介紹壓縮空氣的主要耗能形式，分析了節能的基本潛力點(diǎn)；隨后介紹了國內外壓縮空氣系統的節能現狀；同時(shí)針對當前壓縮空氣系統節能存在的問(wèn)題，針對性地提出了四大主要節能措施，并指出我國壓縮空氣系統節能的前景。

　　1基本節能潛力點(diǎn)個(gè)工業(yè)現場(chǎng)典型壓縮空氣系統的構成如所示。其工作流程為：空氣壓縮機將大氣壓下的空氣吸入后壓縮并以較高的壓力輸出；輸出的壓縮空氣經(jīng)儲氣罐緩沖，并且初步除水除油后，輸入到干燥機等的教學(xué)與研究工作。

　　空氣凈化設備中進(jìn)行進(jìn)一步的除水、除油等凈化；之后潔凈的壓縮空氣通過(guò)管道輸送至末端用氣設備，如噴槍、氣缸等'因此，整個(gè)壓縮空氣系統可大致分為三個(gè)部分：⑴壓縮空氣的制造；（2）壓縮空氣的輸送；（3）壓縮空氣的使用。

　　相較于煤氣、天然氣這種有成本需要購入后才能使用的能源，用戶(hù)普遍存有壓縮空氣來(lái)自大氣，取之不盡，用之不竭，生產(chǎn)、使用壓縮空氣是不需要成本的錯誤認識；而國內外的專(zhuān)家學(xué)者關(guān)于壓縮空氣系統節能運行的研究較少。由此導致了在生產(chǎn)工作中壓縮空氣能源的大量浪費，參照壓縮空氣系統的構成，其能源浪費主要表現為：空壓機（群）的運行負載不匹配空壓機系統設計或設備選型一般都遵循最大負荷條件（即100°%負荷）原則。但在實(shí)際使用中，工況都不會(huì )是滿(mǎn)負荷運行。因此空壓機的實(shí)際產(chǎn)氣量需要匹配負載用氣流量，以適應工業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)的運行工況要求。

　　管網(wǎng)配置及管理不合理主要包括泄漏以及供給壓力不合理。

　　在泄漏問(wèn)題上，工廠(chǎng)中的泄漏量通常占供氣量的1030%，而管理不善的工廠(chǎng)甚至可能高達50%.有時(shí)一個(gè)汽車(chē)組裝車(chē)間的泄漏點(diǎn)就有2萬(wàn)個(gè)，其中，泄漏量的90%以上來(lái)自設備使用中的零部件老化或破第2頁(yè)損間。

　　由于管道壓力損失不確定，設備啟動(dòng)存在流量高峰等原因，壓縮機的供氣壓力有時(shí)比現場(chǎng)要求壓力高出0.2~0.3MPa，浪費非常嚴重。

　　用氣端如氣槍噴嘴等低效氣槍在制造加工的精修、機加工等工藝現場(chǎng)被廣泛使用，其耗氣量在某些產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域達到總供氣量的50%.通常，氣槍在使用過(guò)程中存在供氣管道過(guò)長(cháng)、供給壓力過(guò)高、用直銅管做噴嘴等問(wèn)題。

　　2國內外壓縮空氣系統節能現狀為了降低壓縮空氣系統的能耗，提高其工作效率，世界各國紛紛設立專(zhuān)項科研項目，如美國的CAC（CompressedAirChallenge）項目、澳大利亞的EEAP項目、新西蘭的CAS（CompressedAirSystem）優(yōu)化運行項目等。其中以美國的CAC項目最為知名，該項目1997年10月由美國能源部發(fā)起設立，它由來(lái)自于壓縮空氣系統硬件供應商的主要的財政及人力資源支持，其主要目的是為工廠(chǎng)工程師教育提供一個(gè)針對壓縮空氣系統節能的培訓框架。CAC項目?jì)H僅針對壓縮空氣系統，基于用戶(hù)的投資，它整合了壓縮空氣系統設計、運行和評估等方面的信息，為企業(yè)提高壓縮空氣系統的效率提供較為全面的理論指導及建議，為美國每年節約用電約為30億度。但由于該項目缺少具體技術(shù)手段及設備成果，其推廣收益有限。

　　中國"十五"十大重點(diǎn)節能工程中就包含電機系統節能工程這項，另外，中國臺灣財團法人中技社對壓縮空氣系統節能技術(shù)進(jìn)行研究，指出了該系統存在的主要問(wèn)題，如壓力不足、壓力波動(dòng)過(guò)大、壓縮空氣泄漏、空壓機卸載時(shí)間長(cháng)、管路任意延伸等，提出了診斷方法，并研發(fā)了簡(jiǎn)單的壓縮空氣管網(wǎng)的監控系統。由于缺少壓縮空氣系統能量評價(jià)標準以及先進(jìn)的控制方法，其研究成果缺少足夠理論依據，控制節能效果有限，對整個(gè)壓縮空氣系統的節能作用有限。

　　在壓縮空氣系統節能的研究和實(shí)施上，日本走在世界的前列。1997年防止地球溫室效應的京都協(xié)議簽訂以來(lái)，日本全國開(kāi)始了聲勢浩大的節能運動(dòng)，這其中也包括對壓縮空氣系統實(shí)施的節能活動(dòng)。根據2002年日本流體動(dòng)力工業(yè)會(huì )的調查，各企業(yè)實(shí)施節能后，氣動(dòng)能耗削減了10%30%，如以日本壓縮空氣系統總耗電量400億度為基數來(lái)計算的話(huà)，就可節省用電40~120億度。

　　3當前壓縮空氣系統節能存在的問(wèn)題長(cháng)期以來(lái)，我國制造業(yè)直是以粗放型為主的發(fā)展模式，在大多數生產(chǎn)企業(yè)中，壓縮空氣系統的效率較低，普遍存在著(zhù)嚴重的浪費。因此，為了提高企業(yè)利潤，降低能耗，很多企業(yè)紛紛開(kāi)展了簡(jiǎn)單節能活動(dòng)，例如管道堵漏、空壓機加裝變頻裝置等。但是，由于缺少系統化的整體節能手段與技術(shù)的支持，節能活動(dòng)取得的效果十分有限。目前國內壓縮空氣系統節能主要面臨能耗評價(jià)不合理、空壓站運行不科學(xué)、供氣節能管理待優(yōu)化和末端設備節氣待提高四個(gè)問(wèn)題：目前工業(yè)現場(chǎng)普遍采用的壓縮空氣系統能量消耗指標是空氣消耗量?？諝庀牧坎痪哂心芰繂挝?，不能獨立于整個(gè)系統而表示各個(gè)設備能耗，因此使用該評價(jià)體系無(wú)法對氣源輸出端到設備使用端中間環(huán)節的能量損失進(jìn)行量化，無(wú)法明確壓縮空氣系統內部的能量損失，壓縮空氣系統效率偏低的問(wèn)題也就得不到根本解決。另外，世界各國在壓縮空氣系統能耗評價(jià)及測量上沒(méi)有統一的科學(xué)的標準，從而無(wú)法引導用戶(hù)優(yōu)先選用能源利用效率高的壓縮空氣元器件和設備。

　　空壓站運行不科學(xué)壓縮機的合理配置及合理運行對節能非常重要。通常，很多工業(yè)現場(chǎng)的壓縮機采用的是吸氣閥調節方式，目的在于保證輸出壓力穩定。然而這種方式使得壓縮機在沒(méi)有供氣的情況下也仍需消耗3070%額定功率的電力，浪費嚴重。為此，為削減能源浪費，目前比較有效的措施有變頻調速、壓縮機群臺數控制等。而這些在工廠(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)中基本都被忽略，保證壓力成為大多數工廠(chǎng)對壓縮機管理的唯一要求提出了種新的壓縮空氣能耗評價(jià)指標：氣動(dòng)功率。該指標通過(guò)分析壓縮空氣狀態(tài)變化與外界機械能轉換的關(guān)系，基于焓與熵的變化，考慮了不同溫度下的影響，用以表示空氣相對大氣環(huán)境的做功能力。該指標能直接量化氣動(dòng)設備的用氣能耗，其表示及測量方法在2008年被日本流體動(dòng)力協(xié)會(huì )采用為行業(yè)標準FPS2018：2008，已在日本企業(yè)中使用，并于2011年12月被中國國家標準委確定立項為GB國標立項項目。

　　該能量評價(jià)指標可揭示壓縮空氣系統各環(huán)節的能量損失，為壓縮空氣系統節能診斷尤其是節能率的計算奠定了理論基礎，為選用能效高的氣動(dòng)元器件和設備提供了計算依據。

　　4.2空壓機群運行優(yōu)化管理對于空壓站空壓機群系統控制的問(wèn)題，按現有的控制技術(shù)，大致分為壓力控制和流量控制，下面對其做簡(jiǎn)單的介紹。

　　目前，世界上各主要的空壓機制造商都開(kāi)發(fā)出各自不同的空壓機群控制系統。但對于通過(guò)縮小空壓機系統的運行壓差，降低系統的運行壓力，僅有少數幾家空壓機制造商推出了相關(guān)產(chǎn)品，但其應用范圍有限，對于有些壓縮空氣量變化較大的場(chǎng)合，其系統壓差依然較大，不能有效地降低系統的運行壓力，而且大多數控制器僅起到自動(dòng)控制或順序控制的作用，對第3頁(yè)于如何使整個(gè)壓縮空氣系統高效可靠的運行，各空壓機制造商研究甚少。

　　年底推出空壓機群節能控制器ES+，該控制器采集后部壓縮空氣貯罐的壓力，通過(guò)Profibus或是硬線(xiàn)連接與空壓機進(jìn)行通訊，根據傳統邏輯選擇的原則，通過(guò)壓力的變化來(lái)輪換啟動(dòng)或停止臺空壓機。

　　成控制系統X81系統，就采用了硬線(xiàn)與空壓機進(jìn)行連接，通過(guò)采集后部壓縮空氣的壓力，進(jìn)而依次控制空壓機的啟動(dòng)、加載、卸載及停機的控制技術(shù)。

　　德國凱撒空壓機（Kaeser）公司在2001年推出了基于ProfibusDP通訊的西格瑪空氣系統控制器，其主要作用是通過(guò)監測后部壓力的變化來(lái)順序控制相應空壓機的運行與停止。該控制器遵循先進(jìn)先出的控制原則，并在空壓機系統內配置不同大小的空壓機，始末用大功率的空壓機作為基載，用小功率空壓機作為峰載空壓機來(lái)調節用氣量的變化。這樣使大功率的空壓機始末得到最好的利用，從而達到效率最高。

　　該控制器在歐盟與北美洲取得了很好的使用效果。

　　用的控制器為SmartAir8，該控制器可采用RS485與空壓機進(jìn)行通訊，通過(guò)監控后部壓力的變化，輪換啟動(dòng)或停止系統內的空壓機。該控制器實(shí)現輪換啟動(dòng)與控制，其主要目的是自動(dòng)控制與運行。

　　曰本日立（HITACHI公司開(kāi)發(fā)了臺數控制器（MultirollerEX.該控制器對空壓機的運轉進(jìn)行控制，實(shí)現空壓機臺數的啟、?？刂频墓δ?。臺數控制器每隔一定的時(shí)間計算當前最佳的運行臺數，與實(shí)際的運行臺數進(jìn)行比較，增減空壓機的運行臺數。其計算壓縮空氣系統內最佳的運行臺數原則是判斷空壓機群內卸載運行的空壓機運行時(shí)間，當其卸載運行時(shí)間超過(guò)設定值時(shí)，臺數控制器認為壓縮空氣系統內不需要如此多的空壓機運行，因而將其停下。當監測到供氣管網(wǎng)壓力下降時(shí)，計算壓力下降的速度、預測壓力的到達點(diǎn)，在壓力下降至下限值之前，提前起動(dòng)空壓機，以控制壓力下降?？諌簷C的啟、?？梢酝ㄟ^(guò)PLC相應數字量的ON/OFF來(lái)實(shí)現。

　　相對于以壓力匹配為控制目標的空壓機群控制系統，提出了基于流量控制的空壓機群控制方法，即在滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)生產(chǎn)所需壓力的基礎上，根據用氣流量變化優(yōu)化空壓機群的運行組合及各空壓第4頁(yè)機產(chǎn)氣負荷的分配，以提高空壓機群運行效率，降低其運行能耗。

　　北京愛(ài)社時(shí)代03COSO）公司針對螺桿空壓機的控制需求，對未來(lái)用氣流量采用了分鐘級預測方法，通過(guò)采集空壓站儲氣罐的壓力波動(dòng)率來(lái)計算；針對離心空壓機的控制需求，對未來(lái)用氣流量采用基于支持向量機算法進(jìn)行小時(shí)級預測方法。

　　針對各螺桿式空壓機卸載壓力恒值設定不能適應流量變化的問(wèn)題，提出了最優(yōu)卸載壓力線(xiàn)的控制方法，即動(dòng)態(tài)調節空壓機卸載壓力設定值，在設定值偏低時(shí)頻繁加卸載與設定值偏高時(shí)能耗增加之間尋找平衡點(diǎn)；并根據用氣量預測值，綜合考慮空壓機功率大小、產(chǎn)氣效率、運行時(shí)間等因素，按總能耗最小目標實(shí)施專(zhuān)家決策，制定空壓機群加卸載序列。

　　4.3供氣環(huán)節節能監控管理壓縮空氣泄漏點(diǎn)的定位是氣動(dòng)系統節能領(lǐng)域的重要技術(shù)，當氣體通過(guò)小孔向大氣環(huán)境泄漏時(shí)，氣體產(chǎn)生的紊流將在小孔處產(chǎn)生超聲波，超聲波沿直線(xiàn)傳播，具有良好的指向性，通過(guò)檢測壓縮空氣泄漏位置產(chǎn)生的超聲波信號能夠快速地定位泄漏點(diǎn)。

　　此外，提出了一種基于基準流量的并聯(lián)接入式氣體泄漏量測量方法。導入基準流量，可以消除未知容積的影響，在被測對象容積未知的條件下即可測量出管路設備的泄漏量。

　　壓縮空氣增壓技術(shù)采用局部增壓的方法，降低空壓機的輸出壓力是壓縮空氣系統節能技術(shù)體系重要的組成部分，具有重要的節能效果。目前常見(jiàn)的壓縮空氣增壓技術(shù)由于輸出流量小、效率低，限制著(zhù)其在工業(yè)現場(chǎng)的推廣應用。為了提高壓縮空氣局部增壓技術(shù)及裝置的輸出流量及效率，滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)的需要，提出一種高效、大流量壓縮空氣增壓技術(shù)，利用了驅動(dòng)腔內壓縮空氣的膨脹能，有效地提高了增壓器的輸出流量計效率，能夠滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)的需求，具有較好的推廣前景。

　　壓力與流量的控制對車(chē)間進(jìn)行合理精確的壓力及流量供給是保證車(chē)間高效生產(chǎn)、減少浪費的重要手段之。管道供氣節能管理單元能自動(dòng)采集高、低壓管道的供氣壓力及其溢流流量，及時(shí)有效地進(jìn)行高、低壓供氣管網(wǎng)之間的壓力調節與流量調度，穩定高壓側或低壓側管網(wǎng)的壓力，保證壓縮空氣在各壓力管網(wǎng)間的有效分配和利用，減少供氣管網(wǎng)的壓力波動(dòng)及供氣盈余所造成的浪費，對供氣管網(wǎng)進(jìn)行綜合節能管理。

　　4.4末端節能用氣設備氣動(dòng)噴嘴廣泛地應用于工業(yè)自動(dòng)化現場(chǎng)，尤其是在機械加工行業(yè)。在能源問(wèn)題日益突出的今天，氣動(dòng)噴嘴的節能有著(zhù)重要的意義。傳統噴嘴是安裝減壓閥來(lái)降低噴嘴供氣壓力，減少流量，但是這種方法存在大量能量損失。為了提高噴嘴的效率，減少壓縮空氣的消耗，研究提出了一種將連續氣流轉化為矩形等不連續流量氣流的裝置，該裝置由于不使用減壓閥，可以減少減壓閥部分造成的壓力及能量損失，增強噴吹效果，降低空氣消耗量。另外，基于科恩達原理的節能增效噴嘴、節能氣幕等代替傳統噴管、噴頭也能取得較大的節氣效果。

　　我國壓縮空氣系統節能的前景壓縮空氣系統在現代工業(yè)現場(chǎng)中的能耗已不容忽視，對其進(jìn)行節能改造，提高其運行效率，將成為工業(yè)節能的一個(gè)重要工作。目前，我國大部分企業(yè)在壓縮空氣系統使用中還存在效率偏低、浪費嚴重、欲實(shí)施節能也無(wú)從下手和缺乏經(jīng)驗等問(wèn)題。無(wú)論是工廠(chǎng)企業(yè)還是專(zhuān)家學(xué)者，都在不斷探尋著(zhù)行之有效的節能技術(shù)。北京愛(ài)社時(shí)代汩COSO）公司采取從源頭到末端的節能診斷改造服務(wù)，在20余家企業(yè)的應用中，取得了節能率20%以上、每年削減了5000萬(wàn)度用電的節能效果，值得借鑒。

　　目前，我國空壓機的耗電量已接近3 000億度。推進(jìn)壓縮空氣系統節能工作在全國每年可節約用電約600億度，折合標煤2160萬(wàn)噸，減少二氧化碳排放5 700萬(wàn)噸，具有巨大的經(jīng)濟效益與社會(huì )效益。這對于我國工業(yè)節能事業(yè)將具有直接的貢獻。

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