壓縮空氣系統節能技術綜述

上海寶鋼股份公司能源環保部 周佃民

0 引言

壓縮空氣具有清晰透明、無污染、沒有危險、易輸送等特點[1]，主要用于氣用傳動、風動工具、冷卻、儀表吹掃、干燥、切割及火焰處理等。除了用于儀表的氣體需要特殊干燥外，其他則直接供給用戶。因此，空壓站系統占據企業能耗很大比重，約占其全部能耗的10%~40%。

在我國，長期以來壓縮空氣系統的節能并沒有得到應有的重視。近年來伴隨著節能減排形勢的發展，對空壓機系統在運行技術和運行管理等方面進行優化改進，挖掘節能潛力，降低空壓機運行成本[2]，正逐步在工業企業中得到實施。

本文主要針對壓縮空氣系統的節能問題，對國內外的壓縮空氣使用現狀與能耗進行比較，對現有的壓縮空氣節能技術進行總結和分析，并提出在壓縮空氣節能方面的幾個重點方向，以下進行詳細說明。

1 國內外壓縮空氣系統的使用現狀及節能比較

壓縮空氣如同蒸汽、電力一樣，作為潔凈且容易維持供給的能質在工業生產上得到廣泛的應用，其需求迅速增長。

壓縮空氣系統的總的投入成本包括三大部分，即設備基本建設成本、設備日常運行維護保養成本和系統能耗成本。設備基本建設和日常維護保養的成本只占有壓縮空氣設備的整個壽命成本的很小部分，約占系統總成本的25%左右。而在通常運行情況下，壓縮空氣系統每年運行能耗成本約占系統壽命總成本的75%，可見壓縮空氣系統的節能直接關系到企業的生產成本和投資效益，從而影響企業在行業中的競爭力。

以日本為例，產生0.6MPa~0.9MPa壓縮空氣，每立方米平均花費0.02~0.03美元，其中壓縮機用電費用占總運行成本的80%~90%。目前，日本壓縮空氣系統的總耗電量占生產總用電量的10%~20%，達到了每年400億kWh[3]。

1997年10月美國成立了一個全國性的協作組織[Compressed Air Challenge][4]，它整合了壓縮空氣系統設計、運行和評估等方面的信息，并幫助企業提高壓縮空氣系統的效率，獲得了巨大的經濟效益，為美國每年節約了大約30億kWh的電力。

由于各國壓縮機的負荷率、使用壽命及工況均不相同，很難對其效率做出一個精確的計算，只能給出空壓機負荷的百分比表格做參考。如圖1所示。

在圖1中可以看出，中國平均使用空壓機負荷率遠遠低于發達國家的平均水平，說明我國壓縮空氣系統存在機組匹配和系統調節方式不合理的問題，呈現出“大馬拉小車”的現象，此外，系統調節方式落后，大部分機組還是采用機械節流加放散的調節手段，其效率比變頻調速方式約低30%[5]。

這些問題的存在，說明我國空壓機系統的裝備水平相對落后，在空壓機能源損耗方面損失是相當的巨大，但同時也表明了我國在空壓機節能方面還存在非常巨大的潛力和空間。目前這方面的工作正在啟動之中，比如國家“十一五”十大重點節能工程中就包含電機系統節能工程這一項，2006年上海市經濟委員會提出的《常用節能技術指導目錄》中，涉及壓縮空氣系統的節能技術就有“提高空壓機自身效率”、“空壓機中央集中控制系統”、“壓力流量控制技術”、“空壓機采用變頻調速技術”、“壓縮空氣干燥工藝改進技術”、“壓縮空氣系統管路優化”和“空壓機熱回收技術”等多項技術措施[6]。

2 壓縮空氣系統主要節能技術綜述

目前，國內外關于空壓機主要的節能技術有如下幾個方面：壓力流量控制技術、提高空壓機自身效率、空壓機中央集中控制系統、空壓機采用變頻調速技術、壓縮空氣系統管路優化、空壓機熱回收技術和壓縮空氣干燥工藝改進技術。

2.1 壓力流量控制技術

1)工作原理

由于用氣設備及用氣點很多，用氣量隨著生產負荷的波動，有時會出現瞬時用氣量很大的情況，這通常會造成一個壓縮空氣系統管網壓力波動很大。所有壓縮空氣系統都具有保證系統正常運行的最低壓力，系統供氣壓力超過最低壓力，那么系統將正常運行，系統供氣壓力再高則會導致系統耗氣量和空壓機能耗的增加。為了保證系統供氣始終滿足所有生產的正常運行，通常企業會抬高整個系統的供氣壓力，使系統壓力波動的最低點在大負荷事件發生時仍然高于系統中最高用氣壓力設備的壓力需求值。這就導致了在其它時段內系統供氣壓力高于系統實際的壓力需求，系統耗氣量也隨之增加，最終使壓縮機能耗增加。壓力流量控制器安裝于供氣側(空壓站)和用氣側(用氣設備)之間，其作用類似于水庫出口的水壩。利用其前后的壓力差和其上游配備的儲氣罐存儲的一定量的壓縮空氣，從而保證系統間歇大用氣量用戶引起的系統壓力波動，使系統在供應側和需求側之間達到動態平衡的同時，減少系統的放散，使系統耗氣量最小。

2)技術特點

壓力流量控制器可以使壓縮空氣系統在任何情況下的供氣壓力保持穩定，通常在±0.01MPa范圍內，而一般壓縮空氣系統的壓力波動范圍通常為0.07MPa，有的甚至超過0.3MPa。這樣可以減少系統人為虛假用氣量和系統泄漏量、提高系統儲氣能力和供氣可靠性。

3)適用對象

適用于壓力波動大的系統，對于用氣設備現場無減壓控制的系統效果更好。

4)工程案例

寶鋼熱軋2050單元空壓站已安裝了壓力穩定裝置，安裝該裝置后年效益達37.4萬元[7]。

2.2 提高空壓機自身效率

1)技術原理

提高空壓機自身的運行效率是保持壓縮空氣系統高效運行的最基本的要求，主要是通過對現有空壓機的組成部件進行周期性保養或用高效機組替換原有機組的方式來達到。根據產品供應商要求對現有機組及時地進行保養對于維持機組的高效運行非常關鍵。判斷壓縮機是否得到很好維護的最好辦法就是定期測試壓縮機的運行功率、排氣壓力和流量，如果空壓機在一定的排氣壓力和流量情況下功率消耗增加了，則表明其效率已經下降。目前隨著壓縮機技術的不斷進步，空壓機效率也在逐步提高，如雙級螺桿式空氣壓縮機和離心式空氣壓縮機。企業可以考慮在進行產品更新時選擇效率比較高的空壓機，則會達到非常好的節能效果。

2)技術特點

采用提高空壓機自身效率的方法來提高整個壓縮空氣系統的運行效率比較簡單易行。

3)適用對象

對系統進行定期保養來保持空壓機高效運行適用于任何機組。企業對一些老的空壓機進行更新換代時更適宜用高效機組替代老的機組。

2.3 空壓機中央集中控制系統

1)技術原理

空壓機中央控制系統就是根據系統壓力和需求變化，通過中央控制系統的分析來控制不同容量和控制方式的空壓機的啟動/停止、上載/下載和容積變化等等，確保系統一直有合適數量和容量的空壓機處于運行狀態，維持系統供氣壓力的穩定和整個系統高效運行。

2)技術特點

空壓機中央控制系統的特點是技術含量高，可以協調控制整個空壓機系統的高效運行。與人為控制空壓機的運行相比，壓力控制精度更高，對于系統需求變換做出反應的時間更及時，可靠性更高。

3)適用對象

空壓機中央控制系統特別適合于多臺空壓機同時運行的場合，如果系統負荷變化范圍越大節能效果越明顯。

4)工程案例

例如英格索蘭公司的ISC智能系統控制器，最多可以同時控制8臺同類型空壓機。它利用微電子通訊方式，可根據用戶各種運行工況模式，進行預先的設定。同時ISC可通過設置的傳感器測出的系統壓力來自動控制各臺空壓機的加載和卸載，實現用戶壓縮空氣的自動控制，并最大限度的節能。

針對離心壓縮機控制系統，英格索蘭推出了ASC和ASM壓縮空氣管理系統[8]，其可以適用于復雜的壓縮空氣系統，能有效的整合壓縮機與其他的輔助設備，最多可同時控制16臺空壓機及其輔助設備，使能源利用和系統管理最優化。

2.4 空壓機采用變頻調速技術

1)技術原理

空壓機變頻調速技術[9]目前主要應用于螺桿式空壓機中，變頻器控制通常低速啟動，系統正常運行時，變頻器通過檢測安裝在系統中（通常在干儲氣罐）的壓力傳感器信號，作為變頻器恒壓調節的反饋量，與變頻器內的設定壓力值相比較，經過計算得出變頻器所需頻率信號，自動調節電機轉速，達到所需壓力。當系統檢測點的壓力低于設定壓力時，變頻器輸出頻率升至50HZ，空壓機電機轉速達到最高。當變頻器控制電機轉速達到最低，但系統壓力還高于設定值時，空壓機開始下載。通常在安裝變頻控制器后，系統原有的各項保護功能（如水壓、油壓過低保護等）及故障報警、運行狀態顯示、手動/自動運行等功能仍起作用，可以實現工頻和變頻運行之間的切換。與離心式風機、水泵不同，空壓機屬于恒轉矩，其功率與轉速并非成三次方關系，而是近似一次方的關系。

2)技術特點

每個壓縮空氣系統的負荷都是不斷變化的，這就意味著在每個壓縮空氣系統中至少有一臺空壓機處于調節狀態，螺桿式空壓機的卸載功率通常為其加載功率的30%~40%。對現有處于部分負載狀態的空壓機進行變頻控制，不但可以節省空壓機的空載功耗，還可以維持系統供氣壓力的穩定，減少系統虛假負荷和泄漏量，提高系統供氣可靠性。

3)適用對象

空壓機變頻技術改造目前主要應用于螺桿式空壓機的改造，特別是噴油螺桿空壓機。需要注意的是，與水泵和風機變頻不同，在一個不同容量的多臺空壓機并聯運行系統中，通常只對一臺空壓機進行變頻改造即可，但由于有的壓縮空氣系統的負荷變化范圍比較大，對哪臺空壓機進行變頻改造需要對系統負荷特性進行全面的測試評估后才能決定。如果出現了選擇性錯誤，則很難達到預期的效果。

4)工程案例

變頻調速技術分兩種，一種是目前最先進的純變頻壓縮機，可節約能源25%~35%，如英格索蘭NIRVANA調速螺桿壓縮機。

另一種是普通螺桿壓縮機加變頻器，可節約能源10%~15%。如廈門立恒股份有限公司對其動力廠2＃空壓站的一臺噴油螺桿空壓機，型號為英格索蘭EP200，進行變頻改造，通過對改造前后一個月機組的運行記錄的統計，以及一年多的運行情況來看，其一年實際節約電能為135000kWh，節電率為11.25%。

2.5 壓縮空氣系統管路優化

1)技術原理

一個設計合理的壓縮空氣系統，管路系統的壓力降不應該超過工作壓力的1.5%。管路改造是指通過全面的系統測試，找出系統管路配置不合理的地方，從而加以改進。常見的改進方法有：將支路布置的管線改為環路布置管線、將局部阻力偏大的管線優化等等。由于空壓機排氣壓力每增加0.1MPa，空壓機功耗將會增加約7%。如果系統某部分管段存在阻力偏大問題，使系統壓降增大0.1MPa，沒有儀器測試，很難察覺問題所在，企業常用的方法是將系統壓力提高0.1MPa。如果將這部分管路優化，則系統供氣壓力就可以相應降低0.1MPa，整個系統的節能率就會達到7%以上。

2)技術特點

管路改造需要在對系統管路壓力梯度進行全面測試分析的基礎上進行，一旦問題找到后，改造起來比較簡單。

3)適用對象

適用于任何壓縮空氣系統，特別是用戶突然發現某一生產設備用氣壓力不足時。

4)工程案例

例如，寶鋼冷軋2030空壓站壓縮系統管網，3＃吹掃壓力時常達不到使用要求，經測試3＃吹掃口前端的DN150電動閥閥門前后的壓差高達0.07~0.09MPa，利用該機組定修的機會，對這部分管網進行局部改造，目前3＃吹掃壓力可以達到使用要求。

2.6 空壓機熱回收技術

1)節能原理

空氣在壓縮過程中會產生大量的高溫熱量，為了提高壓縮機的工作效率，大部分熱量隨冷卻水被排放掉，造成大量的能量損耗。壓縮空氣系統的余熱回收可以采用一些技術措施和必要的設備，比如采用壓縮機熱泵以及換熱設備，將空氣壓縮過程中產生的高溫熱量充分的利用起來，作為輔助采暖、工業工藝加熱、鍋爐補水的預熱和生活用水等方面。實踐證明：通過合理改進，50%~90%的熱能可以回收利用。

2)技術特點

熱回收可以充分利用空壓機原來完全浪費掉的能量，至于回收方法可以根據每個企業不同的需求和條件進行。

3)適用對象

適用于風冷式螺桿式空壓機和水冷式空壓機。

4)工程案例

2008年，英格索蘭為強生（中國）有限公司成功實施了壓縮空氣余熱回收系統的建設和應用。強生公司使用的空壓機為英格索蘭EP200噴油螺桿壓縮機，改造完成后做到了一天內完成30噸鍋爐補水提溫40攝氏度的目標，節能率達到20%。

2.7 壓縮空氣干燥工藝改進技術

1)技術原理

當空氣被壓縮時，空氣當中的任何物質也同時被壓縮，包括固態顆粒、碳水化合物蒸汽、化學物質蒸汽以及水蒸汽等。如果環境空氣當中的污染物不能從壓縮空氣當中清除，那么這些污染物將凝聚在使用壓縮空氣的空分系統內和設備中。壓縮空氣干燥的主要目的是根據不同工藝對壓縮空氣的露點需求對壓縮空氣進行冷凍干燥、再生干燥、吸收干燥，從而保證生產的正常進行。壓縮空氣干燥工藝改進主要有兩種：一種是根據壓縮空氣系統的實際需求，選擇合理的干燥工藝對其進行處理。比如，對于壓力露點只需0~5℃的壓縮空氣系統，選擇冷凍式干燥處理最為合適，不要盲目追求低露點而選擇無熱再生干燥處理。另一種是通過改進干燥工藝以較少的能源消耗達到相同的壓縮空氣露點需求，如將無熱再生干燥改為無熱微風干燥，干燥壓縮空氣的耗氣量將會減少10%以上。

2)技術特點

將再生干燥改為冷凍干燥使得壓縮空氣露點由-40℃變為5℃左右，通過更改系統的壓力露點指標達到節能目的。將無熱再生干燥改為無熱微風干燥使得壓縮空氣露點不變，但空氣耗氣量減少10%以上，通過改進工藝達到節能的目的。

3)適用對象

將再生干燥改為冷凍干燥適用于生產需要的壓力露點為5℃右的情況，改進前要慎重，需要對系統所有需求進行全面細致調研。通過改進干燥工藝以較少的能源消耗達到相同的壓縮空氣露點需求，特別適用于企業原來使用無熱再生干燥工藝的情況。

3 我國壓縮空氣系統的主要節能方向

在我國，壓縮空氣系統在工業企業中大量應用，比如在氣動傳動、風動工具、冷卻、儀表吹掃、干燥、切割及火焰處理等。根據筆者調查，存在的主要問題如下：

○ 空壓機老化問題；

○ 空壓站備機數問題；

○ 供氣壓力與用氣壓力合理匹配問題；

○ 壓縮機和管網運行調節模式優化問題；

○ 壓縮空氣系統能源計量考核問題；

○ 壓縮空氣系統的輔助設備配置問題。

上述問題的存在都會對壓縮空氣系統能耗產生較大影響，但是通過采取一定的技術措施和管理手段可以達到節能降耗的目的。

因此，壓縮空氣系統的節能應該從三個層面考慮：

一是機組性能的提高，包括壓縮機本體優化設計和壓縮機系統的調節技術以及輔助設備技術的改進；

二是壓縮空氣系統的管網設計、運行參數的匹配以及日常管理和維護；

三是先進節能技術的使用，比如壓力流量控制技術、空壓機集中控制技術和空壓機余熱回收技術等。

4 結論

壓縮空氣系統在工業企業中是能耗大戶，對于高耗能的壓縮空氣系統進行節能改造，提高其運行效率，是一個系統工程，主要包括高效電動機與壓縮機的優化匹配，空壓機的設計制造技術的提升以及空壓機調節技術的更新，優化壓縮空氣運行參數和減少壓縮空氣的浪費等等技術應用。

做好空壓機系統的降低能耗工作，對降低企業生產運行成本，緩解我國電力供應緊張具有一定作用和意義。

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