廠房小型空壓站工藝系統的設計與優化

□何海峰 胡建成

一、工藝系統設備選型

(一)空氣壓縮機。現在市場中空氣壓縮機的種類很多，按工作原理可分為三類:容積型、動力型(速度型或透平型)、熱力型。由設計輸入表(表1)可以得知，本工程中用戶所需氣量較大且壓力較高，同時考慮用氣品質、冷卻方式以及經濟性等因素，最終選用了風冷螺桿式空氣壓縮機。

空壓機型式選定后，還需要確定排氣量，本工程采用平均消耗量總和為依據計算設計容量Q 的方法:

Q=∑Q0K(1 +φ1+φ2+φ3)m3/h

式中:Q——設計容量，m3/h;∑Q0——用氣設備平均消耗量總和，m3/h;K——消耗量不平衡系數，1．2～1．4;φ1——感到漏損系數。當管道全長小于1km 時，取0．1;1．5km 時，取0．15;大于2km 時，取0．2;φ2——用氣設備磨損消耗系數，0．15～0．2;φ3——未預見的消耗量系數，0．1。

結合本工程實際，由上式計算可知，選用空壓機的排氣量為32m3/min。

表1 設計輸入

隨著技術的發展進步，螺桿式空氣壓縮機在制造使用過程中，噪音得到了有效降低(所選機型噪音≤80dB(A))，工作效率有了大幅度的提高，自動化程度也很高，可以實現無人值班運轉，同時基于自身集約化程度高、結構緊密、基礎簡單等優勢受到青睞，實際工程中應用較多。

(二)過濾器。工藝系統中，過濾器主要功能是過濾壓縮空氣中的灰塵、油份、鐵銹等雜質，避免這些雜質進入到后面的系統流程中，進而影響到系統的正常運行。

由表1可知，本工程對于壓縮空氣用氣品質要求不高，考慮到經濟性并未選用無油螺桿空氣壓縮機，選用兩臺過濾器(一臺預過濾器，一臺精過濾器)即可滿足用戶要求，壓縮空氣經過兩臺過濾器后含油量≤0．1ppm。

過濾器排污閥有手動和自動兩種可選，為了使整個工藝系統自動化程度更高，選用自動排污閥。過濾器濾芯根據使用情況需要按時更換，以保證用氣品質滿足要求。

(三)干燥器。干燥器的主要作用是為了避免空氣中的水分進入后續工藝系統，對整個系統造成破壞。干燥器選型需要考慮壓力露點、干燥速率、耗能、成本等多方面因素，最終確定選用何種型式的干燥器。結合表1中設計輸入，并綜合考慮上述因素，本工程最終選用了一臺匹配的吸附式無熱再生干燥器。

(四)緩沖罐和儲氣罐。設置緩沖罐和儲氣罐能夠避免因壓力過大對整個系統造成威脅，同時可以穩定氣壓，減少氣體沖擊，平緩供氣，長時間儲存還可以進一步除去氣體中的雜質。儲氣罐的選取主要考慮在較小的時間區間內，用氣量波動的大小，而一般機械廠房中會有氣動泵、氣動元件等設備，這些設備需要瞬間較大的用氣量，因此大多需要設置儲氣罐。儲氣罐的容積一般需要綜合考慮空壓站規模和實際末端的用氣特點來選取，一般為設計最大用氣量的1/6～1/10，若有特殊情況，也可酌情增加或減小儲氣罐的容量。

二、管道設計

壓縮空氣的管道系統應滿足用戶對壓縮空氣流量、壓力以及品質的要求，還應從可靠工期、節能、降低成本、方便維護等方面綜合考慮。壓縮空氣管道有多種形式，設計時需要根據不同的要求和條件作技術、經濟比較后才能選擇出合理的方案。

管道計算在工程設計中是很關鍵的部分，直接關系到設計的科學、安全、合理性。選定了空壓機型式，確定了排氣量后，需要做的就是管道管徑的計算，管道內徑可按照下式進行計算:

式中:d——管道內徑，mm;Q——壓縮空氣在工作狀態下的體積流量，m3/h;v——壓縮空氣在工作狀態下的管內流速，m/s。上式中Q 可按照下式進行計算:

Qz為自由狀態下的空氣流量，m3/h;即在溫度20℃，壓力98066．5Pa 時的流量。用氣設備銘牌標定的用氣量均指自由狀態空氣量，t 為壓縮機工作時出口的溫度。

由上述兩個公式計算出管道內徑，內徑確定后，根據設計需要并結合工程實際即可確定管道參數，從而開展具體的管道布置工作。

壓縮空氣在管道內流動時，在直線管段產生摩擦阻力;在閥門、三通、彎頭、變徑管等處產生局部阻力，這兩種阻力導致氣體壓力損耗。因此，在管道布置完畢后，還需要計算管道壓力損失，可通過下式計算:

△H=△H1+△H2Pa

式中:△H——管道壓力損失，Pa;△H1——直線管道摩擦阻力，Pa;△H2——管道局部阻力Pa。

直線管道壓力損失可按下式計算:

式中:L——直線管段長度，m;d——管道內徑，m;ρ——工作狀態下壓縮空氣密度，kg/m3;ν——工作狀態下壓縮空氣流速，m/s;g——重力加速度，m/s2;λ——管道摩擦阻力系數(可據表查詢)。

局部阻力壓力損失，可通過下式計算:

式中:ξ——局部阻力系數(可據表查詢)。

壓降應控制在一定范圍內，不僅要保證滿足用戶所需用氣壓力，還要考慮技術經濟等。例如，機械廠的壓力降一般控制在供氣壓力的5%～8%。但在實際工程設計中可不受此范圍約束，應通過分析比較得出適合本工程項目的總壓力降。

三、結語

隨著我國工業化進程的加快，壓縮空氣在生產上得到日益廣泛的應用，優化空壓站中工藝系統，使其更安全可靠、經濟合理，就顯得很重要。本文探討的空壓站工藝系統設計優化對實際的工程設計有一定的參考價值。

［1］ 中國機械工業聯合會．壓縮空氣站設計規范(GB50029 －2003)［M］．北京:中國計劃出版社，2003

［2］ 劉磊，賀世開．機械廠房小型空壓站設計探討［J］．企業導報，2010，9