基于負荷變化的空氣壓縮系統節能優化

付楊　李志斌

摘 要：針對空氣壓縮系統能耗過大問題，基于分析空氣壓縮機、冷凍式干燥機、過濾器和輸氣管網特性的基礎上，以某電廠的一套空氣壓縮系統為例，分析了負荷變化時引起的系統壓力降改變導致的末端供氣壓力過高造成的能量浪費現象。提出在用氣負荷變化時可以依照本文提出的系統模型進行定量計算，通過分析計算得到空氣壓縮機排氣壓力可以降低的理論值，從而得出當負荷降低到30%時系統可以實現6.678%的節能效果，對提高相關企業工廠的經濟效益具有一定的指導意義。

關鍵詞：空氣壓縮系統；節能優化；變負荷；節能率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.045

0 前言

空氣壓縮系統因其元器件造價低廉、系統易維護等特點，從20世紀70年代開始在工業自動化領域的應用漸漸擴大。本文對空氣壓縮系統節能優化的研究主要涉及到四個部分，空氣壓縮機、冷凍式干燥機、過濾器、輸氣管網。其中空氣壓縮機和冷凍式干燥機是耗能設備，而過濾器和輸氣管網本身并不耗能，但是由于其本身特性當壓縮空氣經過時會產生一定的壓力降。由于壓力降的原因，末端壓縮空氣壓力始終會低于空氣壓縮機的排氣壓力，當末端壓力無法滿足用戶需求時，就需要空氣壓縮機提供更高的排氣壓力，由空氣壓縮機的特性可以知道提高排氣壓力會增加空氣壓縮機的能耗。相反當末端壓縮空氣壓力超過用戶的使用壓力時，多出的壓力就會浪費掉，從而浪費大量的能量。如果降低空氣壓縮機的排氣壓力的同時可以滿足用戶的需求就會節約大量的能量。空氣壓縮系統的設計或設備選型一般都遵循最大負荷條件（即100%負荷）原則，但是實際使用中，通常都不會滿負荷運行的[1]，當負荷發生變化時，不僅需要空壓機功率與之匹配而且會引起過濾器和輸氣管網的壓力降變化。本文通過建立空氣壓縮系統模型，把壓縮空氣的流量當作系統負荷，研究負荷變化對空氣壓縮機功率的直接影響，以及基于負荷變化引起的壓力變化對空氣壓縮機功率的間接影響。通過分析負荷變化對空氣壓縮機的影響，可以得到在不同的負荷下系統的節能率和節能量。

1 空氣壓縮系統的構成

本文研究的空氣壓縮系統主要由空氣壓縮機、儲氣罐、冷凍式干燥機、過濾器、輸氣管網組成，如圖1所示。

其中空氣壓縮機和干燥機是耗能設備，過濾器和輸氣管網由于其本身特性當壓縮空氣通過時會產生一定的壓力降。空氣壓縮系統中壓縮機的耗電量約占總耗電量的96%，冷干機等空氣凈化設備約占總耗電量的3%，電磁閥等控制元器件占總耗電量不足1%[2]。

2 空氣壓縮機的特性[3]

本文選用的空氣壓縮機為小型兩級活塞式空氣壓縮機，額定排氣流量為10m3/min，額定排氣壓力為700kpa，其中空氣壓縮機的功率P空可由下式確定：

（1）

式中，n為中間冷卻器個數，k為等墑指數，pa為大氣的絕對壓力，pc為空壓機的排氣壓力，kpa；qc為空壓機的吸氣流量，m3/min（ANR）；其中空氣壓縮機的排氣壓力pc可由下式確定：

pc=p末端+∑Δp （2）

式中p末端為末端氣動執行元件最高用氣壓力，∑Δp 為空氣壓縮系統總壓力降，∑Δp 可由下式確定：

∑Δp =Δp過濾器+Δp管網 （3）

式中Δp過濾器、Δp管網分別為過濾器壓力降和輸氣管網壓力降。

3 冷凍式干燥機的特性分析

冷凍式干燥機通常由制冷壓縮機、冷凝器、蒸發器、預冷器等設備及部件組成，壓縮空氣的熱力變化在h-d圖上的變化如圖2所示。因為從C至D狀態為顯熱過程，雖然相對濕度變小，但是含濕量未變化，所以C狀態到D狀態為等濕加熱過程即dC=dD[4]。

當壓縮空氣流經冷干機各設備及部件時產生的壓力降對于整個空氣壓縮系統而言很小，可以忽略不計。但是制冷壓縮機和冷凝器中的冷凝風扇作為耗能設備在工作時會耗電，冷凝風扇的輸入功率P風扇通過計算其取值大概為0.3～0.5kw，本文取0.5kw[5]，制冷壓縮機的輸入功率P冷壓（kw）可由下式確定：

（4）

式中q空為壓縮空氣的體積流量，ρ=1.293kg/m3；機械效率η1一般為 0.75-0.85，電動機效率η2一般為0.65-0.85，h1、h4分別為R22制冷劑蒸發溫度為0℃時對應的蒸汽狀態焓值和冷凝溫度為30℃時對應的液體狀態焓值，hB、hC分別對應圖中A、B點的狀態焓值。

冷干機的輸入功率P冷干可由下式求得：

P冷干=P風扇+P冷壓 （5）

4 過濾器的流量特性分析

不同型號的空氣過濾器有不同的流量特性，其流量特性由廠家提供，本文選用的是494系列中494.49壓縮空氣過濾器其最大工作壓力為1.0MPa[6]。對廠家提供的流量特性曲線進行擬合。通過比較二次多項式表現較好，所以選用二次多項式，Δp過濾1、Δp過濾2、Δp過濾3分別為進氣壓力為0.3MPa、0.5MPa、0.7Mpa時的壓力降，分別用（6）、（7）、（8）式表示：

（6）

（7）

（8）

5 管路壓力損失模型[7]

壓縮空氣在管路中傳輸時，由于氣體流經閥門、接頭、冷卻器等元件是會產生流動阻力，管路的中阻力Δp管網由沿程阻力和局部阻力組成。本文針對特定的簡化模型進行建模，其中沿程阻力Δp沿程可由下式求得：

（9）

式中λf為沿程壓力損失系數，無因次量；L為管路長度，m；d為管路內徑，m；ρ平均為壓縮空氣平均密度；m為標準狀態下空氣的質量流量。當雷諾數Re在105—108之間時，λf僅與管道內壁的粗糙度有關，而與Re無關，通過計算Re剛好在這個范圍內。

當氣流經過彎頭、三通、變徑管、閥門等構建時，流動狀態會發生急劇改變時造成的壓力損失為局部損失，局部損失Δp局部可由下式求得[8]：

（10）

式中ξ為局部結構形式相關系數，G為空氣質量流量。

6 基于負荷變化空氣壓縮機節能優化

空氣流動時，空氣流束所含的有效能表現為動力形式，稱之為氣動功率。由氣動功率的概念，使用壓縮空氣的能耗可以表示為：；式中t為使用壓縮空氣的時間，由此可以看出，只要降低流量q空、壓力pc、時間t中的任何一個值，都可以降低壓縮空氣的能耗[9]。本文主要研究當系統負荷變化時引起供氣壓力的改變，從而通過降低排氣壓力達到節能的目的。

某空氣壓縮機廠生產的小型活塞式空氣壓縮機100%負荷時排氣壓力為0.7MPa，排氣流量為10m3/min，空壓機功率為53.7488kw，利用已建立的模型求出冷干機功率為0.83W，過濾器和管網的壓力降之和為84.77kpa，最終用氣壓力為615.23kpa，而用戶端需求壓力設為611kpa。規定0.5kpa≤p末端1-p末端2≤5kpa時系統是節能的，其中p末端1為系統末端供氣壓力，p末端2為末端用戶需求壓力。當負荷改變時，利用已經建立的系統模型并依照0.5kpa≤p末端1-p末端2≤5kpa原則對空氣壓縮機排氣壓力和功率進行優化。優化前不同負荷下空壓機的功率及末端供氣壓力如表1所示。

表2中P`空、P`冷干、Δp`過濾、Δp`管網、p`末端1分別為對應表一中優化后的參數，p`c為優化后的空壓機排氣壓力，Δpc為空壓機排氣壓力優化量，ΔP空空壓機功率優化量，θ優化后空壓機的節能率，優化后空壓機的功率和排氣壓力等參數如表2所示。

本文選取表2所示參數進行研究，由圖3可以看出隨著負荷的降低空氣壓縮機節能率增大，當負荷降低到30%可以取得6.678%的節能效果。

某工廠有10臺此類的空氣壓縮機，一年工作300天、白天在負荷80%狀態下工作12小時，夜間在50%負荷下工作8小時，采用此優化方法每年可以節約76292kw·h電量，如果當地的電費為0.6元/kw·h，每年可以省45777.6元錢。

7 結論

對比表1和表2，當系統壓力降低時，冷干機的功率增大了，可以看出負荷降低時冷干機并沒有節能的空間，并且相比空氣壓縮機冷干機的耗能很少，所以空壓機才是重點的節能對象。

對于可變頻空氣壓縮機當系統負荷降低時通過變頻等手段改變空壓機的排氣壓力以可適應系統壓力變化可以節約大量的能量，當負荷越低時節能率越高，節能效果越明顯。對于定頻系統可以增加儲氣罐，使壓縮空氣壓力波動穩定的同時減少空氣壓縮機的工作時間，從而達到節能效果。本文提出的研究方法同樣適用于其他空氣壓縮系統系統，只是不同的空氣壓縮系統具體的設備特性會發生一定的變化，只需針對不同的設備對模型進行相應的改變。

參考文獻：

[1]蔡茂林.壓縮空氣系統的節能技術[J].流體傳動與控制，2012（06）：1-5.

[2]蔡茂林.氣動系統的節能[J].液壓與氣動，2013（08）：1-8.

[3]SMC（中國）有線公司.現代實用氣動技術[M].北京：機械工業出版社，2003：67-71.

[4]魏艷萍，于振生，馬啟明.冷凍式壓縮空氣干燥機系統的熱工計算[J].河北煤炭建筑工程學院學報，1995（02）：38-42.

[5]蘇許輝.壓縮空氣冷凍干燥機系統的優化研究[D].浙江大學，2005：69-71.

[6]北方工業大學流體傳動與控制教研室，濟南華能氣動元器件公司. 氣動元件及系統設計[M].北京：機械工業出版社，1996：7-10.

[7]王旭.船舶壓縮空氣系統動態建模與仿真[D].大連海事大學，2013：27-29.

[8]蓋玉收，石巖，蔡茂林.多源多出復雜壓縮空氣管網建模及能效分析[J].北京航空航天大學學報，2013，39（09）：1243-1248.

[9]蔡茂林.第四講：壓縮空氣的能量[J].液壓氣動與密封，2007，27（05）：54-59.

作者簡介：付楊（1989-），男，安徽宿州人，碩士研究生，主要研究方向為檢測技術與自動化裝置，節能技術。