空壓機能耗檢測分析

董旭慧

（山西科林礦山檢測技術(shù)有限公司，山西陽泉 045000）

1 空壓機及能耗的概述

空壓機，即空氣壓縮機，是利用電能做功壓縮空氣產(chǎn)生高壓來驅(qū)動其他機械裝置運行的設(shè)備，是構(gòu)成氣源裝置的核心部件[1]。空壓機依據(jù)其工作原理可分為：容積式、動力式。容積式壓縮機提高空氣壓力是依靠活塞在汽缸內(nèi)作往復(fù)運動，將氣體的體積壓縮，從而提高單位體積內(nèi)的分子密度，其根據(jù)結(jié)構(gòu)以及活塞運動方式的不同可分為：往復(fù)式與回轉(zhuǎn)式。動力式壓縮機提高空氣壓力是通過葉輪高速旋轉(zhuǎn)，增加氣體分子動能，然后將其轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能，廣泛使用的主要有4種類型：離心式壓縮機、軸流式壓縮機、混流式壓縮機、旋渦式壓縮機[2]。

空壓機雖然應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其在工業(yè)中占據(jù)不可取代的位置，其優(yōu)點也顯而易見，但是由于需要消耗電能做功增壓，其能耗問題一直以來是一個棘手的問題。據(jù)調(diào)研，在全國發(fā)電總量中，空壓機耗電量便占到9%～10%，在企業(yè)總耗電量中，更是高達15%～35%，年耗電成本在整個運行成本中更是一直居高不下，高達到80%[3]。然而如此迫在眉睫的能耗問題，卻很少有企業(yè)會去做定性、定量的能耗檢測與分析，所以針對目前空壓機能耗存在的浪費現(xiàn)象，本論文將對空壓機能耗問題的檢測與分析進行一個詳盡的論述。

2 空壓機的工作原理

空壓機是能量轉(zhuǎn)換裝置，以空氣為原料，通過壓縮作用改變空氣分子密度的原理使得被壓縮空氣超過大氣壓力，將電動機的機械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能[4]。

2.1 單螺桿式空壓機的工作原理

單螺桿空壓機的工作原理是依靠兩個對稱配置的星輪將壓縮空間分為兩個，其中兩個空間內(nèi)的平衡力對稱，這兩個星輪交互轉(zhuǎn)動，分別壓縮各自空間內(nèi)的氣體產(chǎn)生高壓空氣[5]。由于星輪的制作材料為塑料，在與螺桿高速高溫的相對運動中，會加速星輪的快速磨損，造成產(chǎn)生的壓縮氣體總量快速下降，所以該問題是現(xiàn)制造行業(yè)亟待解決的問題之一。

2.2 活塞式空壓機的工作原理

活塞式空壓機內(nèi)有一套改變運動方式的裝置——曲柄連桿機構(gòu)，可以將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊闹本€往復(fù)運動，其中通過進氣閥、排氣閥循環(huán)地自動打開與閉合完成吸氣、壓縮和排氣過程[6]。它是空壓機最早采用的方式，技術(shù)手段相對比較落后，而且由于氣與油沒有明顯分開，導(dǎo)致氣體中含有一定量的機油，故此種空壓機只能用于精度要求不是很高的行業(yè)，同時還存在一些不可避免的缺點：主機壽命短、噪音大，氣體脈沖現(xiàn)象嚴(yán)重等。

2.3 滑片式空壓機的工作原理

滑片式空壓機的主要結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)子，在其長度方向有一定數(shù)量切割的槽，槽內(nèi)涂有油膜，油膜上嵌有滑片，滑片在油膜的作用下可以在槽內(nèi)滑動。其具體的工作原理是轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)的定子中旋轉(zhuǎn)，由于旋轉(zhuǎn)作用產(chǎn)生離心力，滑片受到離心力的作用脫離滑槽，形成數(shù)個密閉的壓縮室，隨著旋轉(zhuǎn)，壓縮室的體積逐漸減小，達到增大空氣壓力的目的。滑片式壓縮機與活塞式壓縮機類似，應(yīng)用比較早，方式落后，油氣難以分離，需采用油氣分離器進行分離，同樣不可應(yīng)用于精度要求很高的制造行業(yè)。

2.4 離心式空壓機原理

離心式空壓機的主要結(jié)構(gòu)是葉輪，進入壓縮機的空氣會隨著葉輪急速旋轉(zhuǎn)，氣體便會被壓入擴壓器，葉輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，空氣被逐步加壓。該種空壓機避免了油氣難以分離的缺點，實現(xiàn)了無油壓縮，能耗低，維修方便，排氣量大。

3 空壓機能耗的影響因素

對于電動機驅(qū)動的空壓機而言，能耗便可以認為是電耗，電耗一般與兩類條件有關(guān)：可控因素與不可控因素，可控因素包括：進氣壓力、氣泵的等溫效率、排氣壓力、排氣量；不可控因素包括：環(huán)境溫度、空壓機的機械效率。

（1）環(huán)境溫度降低以降低電耗。環(huán)境溫度人為很難控制，在能耗研究方面，不是主要的研究因素。

（2）進氣壓力提高以降低電耗。進氣壓力主要由自然因素與非自然因素兩方面控制，自然因素便是當(dāng)?shù)氐拇髿鈮海亲匀粭l件便是吸氣系統(tǒng)阻力，主要由過濾器的阻力決定，所以在使用過程中，需要定期清潔過濾器，使得阻力不至于過高而造成電能不必要的浪費。

（3）氣泵的等溫效率提高以降低電耗。空壓機的等溫效率是指在氣體壓縮過程中，盡量使得氣體在相同的溫度下壓縮，而等溫壓縮與使用方式密不可分。所以在使用過程中，著重注意氣體在各級冷卻器中的冷卻效果，改善空壓機等溫效率，節(jié)能減耗。

（4）空壓機的機械效率提高以降低電耗。空壓機一旦被制造并投入生產(chǎn)后，該因素便成為不可人為控制的因素，因為它是空壓機的一個固有屬性，決定于它的制造過程，在正常運行過程中，該參數(shù)基本沒有變化。

（5）排氣壓力降低以降低電耗。基于空壓機特性曲線：排氣壓力降低，排氣量會增加，不僅可以降低電耗而且可以增加排量。

（6）空壓機排氣量降低以降低電耗。當(dāng)壓縮空氣壓力過剩，用氣設(shè)備應(yīng)降低負荷工作，可以通過調(diào)節(jié)空壓機的導(dǎo)葉部件減少空氣流量，從而降低電耗。

4 空壓機能耗分析

壓縮空氣系統(tǒng)的流程如下：空壓機→管網(wǎng)→用氣設(shè)備，故主要從這3個系統(tǒng)進行能耗分析。

4.1 空壓機

空壓機是能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，將電能轉(zhuǎn)化為空氣壓力能，在其連續(xù)工作過程中，空壓機效率直接影響能量的轉(zhuǎn)換率，即電能的利用率。

以螺桿式空壓機為例，其主要結(jié)構(gòu)是螺桿轉(zhuǎn)子，在工作一段時間后，螺桿轉(zhuǎn)子勢必有一定程度的磨損，單位時間內(nèi)排氣量降低。依據(jù)此問題，考慮更換一個新的轉(zhuǎn)子，經(jīng)過一年的時間運行，對更換轉(zhuǎn)子的空壓機進行能耗以及排氣量的測量，對比先前未更換轉(zhuǎn)子一年內(nèi)的能耗與排氣量，可以發(fā)現(xiàn)，由于空壓機效率的降低，更換轉(zhuǎn)子前后年耗電量成本的差值按現(xiàn)有電價計算高達十幾萬元，接近一個新的轉(zhuǎn)子價格。

4.2 壓縮空氣管網(wǎng)

壓縮后的高壓空氣需要輸送到用氣設(shè)備，這就需要用到管網(wǎng)，它對整個空氣系統(tǒng)有著不可替代的作用，管網(wǎng)需要有效地降低壓力的損耗。在確保用氣設(shè)備氣壓不改變的條件下，管網(wǎng)的壓力損耗越小，空壓機的出口壓力就越高。由于電動機消耗的能量轉(zhuǎn)換為壓縮空氣的壓力與流量，管網(wǎng)的壓力損耗越小，相同流量的條件下，電動機消耗的能量便越小。所以在管網(wǎng)管理中，要盡可能找到管網(wǎng)的瓶頸部位，即管徑最細的部位，在該部位流量較大時會產(chǎn)生較大的壓降，增加能耗，這就需要工廠管理者解決好這一管道問題，以便節(jié)能減耗。

4.3 用氣設(shè)備

通過對主要用氣設(shè)備的了解，明確了其對空氣壓力的具體要求。為保證實際生產(chǎn)的連續(xù)不間斷以及安全的前提下，管網(wǎng)中的空氣壓力需要高于實際所需的壓力，因為用氣量會不斷變化，同時引起的空氣壓力變化，用氣設(shè)備仍需維持其最低需求。由于該用氣壓力的限制，雖確保了用氣設(shè)備的最低壓力，但是不可避免地造成了壓力過剩，勢必導(dǎo)致能耗增加。

5 空壓機能耗檢測方法

通過上一節(jié)對能耗的定性分析，那么運用指標(biāo)比功率(kW·h)∕m3可以定量地檢測能耗水平，其計算公式為[7]：

比功率=空壓機輸出功率（kW）∕空壓機排氣量（m3h）

可以借助于流量計檢測空壓機性能，通過比功率與實際電耗計算空壓機效率，空壓機效率越高，說明能量損耗越小，電能所做的有用功越多，該空壓機性能越好，同時可以通過對檢測結(jié)果分析，科學(xué)地使用、維護、管理以及更換空壓機。

6 總結(jié)

在全球能源嚴(yán)重供不應(yīng)求的惡劣形勢下，能耗問題已然成為企業(yè)極為突出的問題，目前多數(shù)企業(yè)已經(jīng)開始關(guān)注這一問題并不斷尋求能源浪費的主要原因，力求在保證生產(chǎn)的前提下，降低能耗。據(jù)調(diào)研，空壓機耗電量占總耗電量的比例：在部分行業(yè)竟高達70%，而在整個行業(yè)內(nèi)平均耗電量仍不低于30%。所以，對于企業(yè)而言，空壓機能耗檢測與分析勢在必行，通過檢測與分析，以尋求節(jié)能的空間。