空氣壓縮系統深度節能技術

劉燁，魏高升，由文江，杜小澤

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空氣壓縮系統深度節能技術

劉燁1，魏高升1，由文江2，杜小澤1

（1．電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，北京市 昌平區 102206；2．北京馳電自動化科技有限公司，北京市 房山區 102488）

空氣壓縮系統一直以來都是傳統工業必不可少的重要系統之一，作為企業的能耗大戶，其從生產、輸送到應用三大環節進行節能具有重要的現實意義。文中以空氣壓縮系統的實際工作流程為切入點，分析了壓縮空氣從生產、運輸到使用的各個環節的主要能耗所在，并針對這3個環節的能源損失提出一系列改進措施，同時對節能方法進行了分析比較。分析表明，對空氣壓縮系統進行深度節能改造是需要各個環節相配合的復雜工作，在傳統的節能措施的基礎上輔以新型的變頻技術、空壓站智能監控系統及余熱回收技術等會從整體上更大程度地降低系統能耗。可為工廠企業的空氣壓縮系統節能改造提供參考。

壓縮空氣；耗能；節能降耗

0 引言

壓縮空氣作為清潔環保的動力源，在電力、石油、鋼鐵、天然氣、醫療、包裝、食品等各領域得到廣泛應用，主要用于氣動機械的動力以及儀表吹掃、輸灰、切割等。但長期以來空氣壓縮系統的節能并沒有得到充分重視，尤其近年來人們對環保的高度關注與傳統空氣壓縮系統的低效率和高耗能形成鮮明的對照。據統計，我國空氣壓縮機在工業生產中占工廠總耗電量的10%左右，而通過電機驅動空壓機對空氣進行壓縮時，只有大約15%的輸入功率轉換為壓縮空氣的勢能[1-6]，其余85%的電能轉化成熱能被排放掉。換言之，如果需要得到15kW的空氣動力能，至少需要100kW的電能，因此空氣壓縮系統的節能潛力很大。以火電廠為例，運行空壓機損耗的電量長期占據廠用電率很大比例，許多電廠近年來逐漸開始進行節能改造，但方式一般僅限于變頻改造。實踐證明，工廠企業只有綜合考慮將多種節能方法相結合，才能更深層次地降低運營成本，提高競爭力，僅通過變頻改造節能是不夠的。

本文通過介紹空氣壓縮系統的構成，針對系統的3個環節的能耗現狀進行了分析，并對現有節能技術進行總結，指出未來空氣壓縮系統節能前景，為火電機組等大型工況企業進行空壓機節能改造提供參考。

1 空氣壓縮系統的組成及工作流程

一個典型的空氣壓縮系統由壓縮空氣的生產，運輸、消耗3個環節組成[7]。如圖1所示，空氣經過過濾器處理后進入壓縮機，與壓縮機內潤滑油混合并被壓縮產生高溫高壓的氣體，隨后經過油氣分離器，被分離出來的壓縮空氣通過后冷卻器冷卻進入儲氣罐，進而被打入用氣管網供末端使用。

圖1 空氣壓縮系統結構組成

通過全生命周期成本分析理論可得出在整個空氣壓縮系統中，在10年運行基礎上，能源費用占到空氣壓縮系統全生命周期成本76%，而初始投資與維護費用僅占12%[8]。所以空氣壓縮系統的節能對企業節約成本而言尤為重要，以下將整體系統劃分為空壓站產氣環節、末端用氣環節以及管道供氣環節，從這3個環節中能源浪費的主要矛盾進行分析，并針對相應的節能措施進行總結。

2 各環節節能措施

2.1 空壓站產氣環節

2.1.1 更換高效率電機

目前仍有許多企業對電機節能的意識不夠，并且現存廠區設備電機普遍存在老化現象。若采用高效稀土永磁同步電機代替普通三相異步電機，將會大大提高功率因數與電機效率，同時高效永磁同步電機具有啟動轉矩大、噪聲低、溫升低、定子電流小、定子銅損小等優點[9-11]。表1列出了兩種電機的損耗對比。永磁同步電機相較于普通異步電機無功功率的節電率可達85%，有功功率節電率達到了23%~25%，有效避免“大馬拉小車”的浪費情況[12]。

表1 普通異步電機與永磁同步電機的損耗對比

2.1.2 降低入口空氣溫濕度及加裝后冷卻器

空壓機吸氣溫度及濕度的水平對整個空氣壓縮系統的生產成本有重要影響。研究表明，隨著吸氣溫度升高，機組的輸入比功率降低[13]，當空氣濕度不變時，溫度每增加1℃，單位能耗增長0.39%。同樣當吸氣溫度保持不變時，含濕量每增加1g/kg，單位能耗將增長0.59%[14-15]。此外，濕熱空氣在壓縮后很容易凝結成水滴，造成金屬器件、閥門、管道生銹或腐蝕，甚至使氣動元件動作失靈或漏氣。為此，建議在壓縮空氣的進口管道上增設過濾除濕裝置，一般方法為加裝簡易鋼絲濾網和固體吸附，以減少進口空氣的含濕量與雜質，同時為空壓站房加裝天窗和換氣扇降低吸氣溫度[16]。

其次后冷卻器對用戶的實際所得壓力有一定影響，若加裝后冷卻器，壓力水平會提高20%左右[17]。后冷卻器的冷卻介質一般為水或者空氣，它的作用是將從被油分離器分離出的空氣進行冷卻，然后排到干燥塔內，起到改善空氣品質，減少流動壓損的目的。一般情況下水冷式冷卻系統造價高于空冷式冷卻系統，但其每年可比空冷式系統節省很大一部分電費，并且后續維修費用較低、故障較少，所以越來越多的電廠開始采用水冷式冷卻系統。南屯電廠在對原有空氣壓縮系統進行改造前后對主要空壓機的運行參數進行了測試，結果如表2[18]所示。該改造表明水冷系統會顯著降低主機排氣溫度與電機溫度，從而提高系統效率并為生產安全提供保障。

2.1.3 空壓機合理選型

目前市場上主流空氣壓縮機有往復活塞式、螺桿式和離心式。就效率而言，往復活塞式空壓機效率通常在50%左右，離心式空壓機在60%左右，而螺桿式空壓機則可以達到70%~80%[19-20]。其中雙級壓縮螺桿空壓機通過兩級串聯工藝，與單級壓縮空壓機相比降低了壓比，而且兩對轉子同時做功，打氣速度快，出氣量大，這是單級無法替代的優勢。同等功率的電機做功產生的出氣量，雙級普遍比單級高13%~15%，相當于90kW的一臺雙級壓縮空壓機同等能耗下能產出一臺110kW單級壓縮空壓機的氣量[21]。

表2 改造前后各主要空壓機的運行參數

表3[22]為某鋼鐵廠實測螺桿空壓機能效測試數據，計算可得該公司所用雙級螺桿空壓機比單級螺桿空壓機平均節電21.98%。但是實際生產中還要根據空壓站的設計容量及生產車間的用氣要求進行選型[23]，通常螺桿式與往復活塞式用于中小流量系統，大流量系統則多采用離心式壓縮機。針對于現代化電廠，控制水平相較于從前有了很大的提升，壓縮空氣應用于重要的熱工控制及氣動執行元件，所以穩定的壓縮空氣供給是生產的保障，否則會對電廠造成難以估量的損失。鑒于此，螺桿式壓縮機運行可靠、出氣平穩等優點使其在電廠的適用性遠高于活塞式壓縮機。

表3 單級和兩級噴油螺桿壓縮機能效測試數據對比

2.1.4 變頻控制

在空壓機選型時，為了保證生產需要，空壓機額定供氣能力為最大生產用氣量的1.1~1.2倍，但是工廠的實際需求大多數情況只能用到額定供氣量的50%~60%[24]。為了保證供氣量與用氣量的平衡，傳統的空壓機啟動方式多為加卸載方式，這種方式下空壓機經常處于空載狀態，造成嚴重的能源浪費。而變頻控制的原理就是以供氣壓力為控制對象，現場壓力由傳感器監測，通過空壓機出口管道的壓力變送器將壓力轉變成電信號后反饋到變頻器，變頻器通過內置算法計算得到輸出功率并進行調節，達到恒壓供氣的目的。

變頻控制消除了電機頻繁啟停對系統的沖擊并減少了無功電流，提高了電能使用效率[25-27]。根據實際情況，繪制出圖2[28]的壓縮機負荷效率狀況曲線，可知空壓機采用變頻調速后，節電率在15%~30%范圍內，當負荷在65%時，變頻調節控制節省了25%左右的能源。同時，如圖3[28]所示由于變頻控制的技術優勢保證了用氣管網壓力穩定，減少了管路壓力波動引起的能耗約0.5%~1%。

圖2 負荷效率曲線

圖3 管路壓力波動狀況

表4[29]為漳山電廠空壓機變頻改造工程實際效果，經過改造后可見空壓機單耗下降0.418kW·h/t，若年利用時間為5000h，煤耗以及熱值分別按345g/(kW·h)、4800×4.18kJ/kg測算，則年耗煤量為452.81×104t，年節電量達到189.27×104kW·h。預計兩年內可以回收成本。

表4 全廠空壓機能耗情況對比

控制技術雖有一定的節能效果，但是針對大的離心式空壓機，變頻器意義不大，因為本身離心式空壓機就能通過進氣閥調整輸出功率，而且離心式空壓機的電流有限制，電流過低，空壓機會喘振。同時變頻器還有一個制約節能的因素，就是控制邏輯，變頻器的調頻只能按照固定的設置運行，比如出口壓力高于700kPa，那么變頻器就按照預設好的例如40Hz開始運行，減少輸出，但是節能量并沒有達到最大。基于以上兩點問題，現在國內部分電廠及鋼鐵企業引進了一項索林優化控制系統，該系統針對所有類型的空壓機都可以進行控制和管理，特別是離心式空壓機的自動控制，節能效果更佳優秀，并且索林優化可以通過電腦后臺實時調整變頻器的控制邏輯，不再按照固定的預設值運行，達到深度節能的效果。

2.1.5 空壓站智能監控

對于用氣量大的場合，由于單臺空壓機容量不滿足要求，需要多臺機組并聯工作[30-31]。目前大多數工廠企業的運行方式是由空壓機自帶的電腦控制器控制自身的運行狀態，但這種方式的缺點是不能反映空壓機組整體情況，容易使單臺空壓機頻繁啟停，加速設備老化，同時需要工作人員24 h值守，監視空壓機運行工況，這種高強度勞動還容易造成工作人員的疲勞。因此空壓站智能監控系統對于生產安全，提高效率有著積極的意義。圖4[32]為以國產T910程序控制器為核心的智能監控系統，通過對原有空壓站的進一步改造，通過增設少量傳感器將子站的實時數據傳遞給控制柜，使空壓機總管出口壓力保持在合適范圍之內，大大減少了。

圖4 空壓站群控系統圖

目前空壓站智能監控系統有集中式與分布式兩種形式，集中式監控系統會自動控制多臺空壓機穩定供氣，根據末端設備需求選擇所需空壓機臺數，保證所有空壓機工作時間的均衡，避免不必要的能源浪費。這種系統將所有功能及操作集中于主機，整體性及協調性均優于分布式系統，但對主機的性能要求非常高，可靠性相對不足。分布式監控系統的特點是集中管理，分散控制，各子系統資源相對獨立，互不干擾，通過功能分層，危險分散保證了高可靠性與靈活性[33]。

2.1.6 改變空壓站設置方式

表5[34]為某燃煤電廠2×1000MW機組的空氣壓縮系統，設計成分散配置與集中配置兩種布置形式的經濟性差異比較，在滿足電廠用氣需求的前提下，分布式配置方式需要單臺設備氣量 48m3/min等級的空壓機，2備4用。單臺設備氣量40m3/min(標準狀態)等級的空壓機，2備2用，共需10臺空壓機以及7臺凈化裝置并且需要占用2個空壓機站房。集中式配置方式才采用單臺設備氣量4m3/min(標準狀態)等級的螺桿式空壓機6臺以及6臺凈化裝置，只需要一個空壓機站房。

由表5可看出采用集中式配置方式相較于分散配置方式有明顯優勢，不但可減少一次性投資及后續維修費用，還將年耗電量減少12%左右。所以從經濟性、可靠性來講集中式配置方式都具有很大的優先選擇性。

表5 全廠常規分散配置方案與集中配置方案經濟比較

2.1.7 余熱回收利用

空壓機輸入功率的85%會以熱能形式耗散，實踐證明，除去輻射到環境中的熱量和壓縮空氣自身熱量，其余94%的熱量均可以通過一些措施及設備加以利用，具體熱量占比如表6所示[35]。

表6 空壓機運行熱量占比

一般可直接將空壓機的冷卻熱風通過管路引入生產車間供冬季采暖、特殊工藝加熱或者通過對冷卻系統改造，增加換熱器將高溫潤滑油的熱量置換出來加熱生活用水。圖5[36]即為一種典型的空壓機余熱回收機組示意圖。

比如《沙漠中的綠洲》，介紹阿聯酋人民買來泥土、淡水、樹木，挖去鹽堿土，埋上水管，填入泥土，這一過程循序而往，不能調換。《金蟬脫殼》一課寫蟬尾脫殼過程的幾句話，是按照事情先后順序寫的，如果改變了就會讓讀者混亂。上課時老師不必多講解，只需請學生試著把這些句子變換順序，學生就會發現句與句之間的內在關聯。然后請學生用“先…接著…然后…”這樣的句式寫話。通過這樣的語序調換，學生明白了一個句群中句與句之間應該有內在的邏輯順序。這就為他們寫出通順的話奠定了基礎。

圖5 空壓機余熱回收示意圖

余熱回收技術的優勢在于不消耗其他能源的前提下，提高了機組的能源利用率，減少了系統的熱耗，整體來講是一種綠色環保的節能手段。寧建軍[37]在對空壓機實施余熱回收改造后，熱回收效率達到90%以上，產氣量提高了8%—10%。王近鄰[38]在循環冷卻水管上增設了一路高溫水源熱泵，將冷卻水的低品位熱能得以利用，擴大了余熱回收的范圍。此外，還可運用冷卻水驅動溴化鋰吸收式制冷機組進行制冷，將低品位熱能得以利用，產生的冷媒水可為生產車間提供冷源[39]。

2.2 末端用氣環節

壓縮空氣生產出來后經過管路運輸最終被氣動元件所利用，將壓縮空氣勢能轉換成機械能。氣缸是應用廣泛的氣動執行元件，消耗了絕大多數的壓縮空氣。所以氣缸的合理選配與優化是很重要的節能方法。一般氣缸的公稱直徑按照公比1:1.25的等比級數分檔，若將氣缸直徑提升一個檔次，耗氣量增大56%，所以選用合理的氣缸直徑是必要的。孫建輝[40]等人利用數值模擬方法得到一種無摩擦氣缸活塞流體模型從而解決現有的氣缸—活塞結構的問題。王文深[41]設計了一種雙級節能氣缸，相較傳統氣缸減少了空行程，提高了壓縮空氣利用率。

2.3 管道供氣環節

2.3.1 管道漏點檢測與優化

空氣壓縮系統是一個持續運行的整體，氣動部件及管路各個接頭處在長期運行時會出現性能下降及漏氣等問題，工廠現有系統中的泄漏量一般為10%~30%，以0.5MPa壓力下直徑為1mm的泄露孔為例計算，一年泄漏量為7500m3，按照壓縮空氣單價0.3元/m3來計算，損失費用為2200元/a[42-43]。現有對管路漏點進行檢測的方法主要有基于硬件的檢測方法、生物學方法和基于軟件的檢測方法，如圖6[44]所示。

圖6 管道泄漏檢測方法

不同的檢測方法有不同的性能，具體方法應該根據實際情況進行選擇，現將這些方法的對比列于表7[44]。

此外單位能耗取決于壓力水平，工廠內部由于一次性投資的節省等原因導致空氣管路走向的不合理以及過多的管路連接處的直角彎頭，造成壓力損失過大，所以空壓站必須提供更高的氣體壓力以維持末端所需壓力水平，若采用高效的輻射狀、多點環狀輸送形式并且合理優化直角彎頭，可以顯著降低能源損耗[45]。

表7 管道泄漏檢測方法對比

在有些領域，工廠內空氣壓縮系統的不同使用環節中，所需工作壓力不盡相同，為了保證系統正常運轉，供氣壓力必須維持在系統所需的最高壓力，導致耗氣量增加，隨之功耗加大。針對這種問題，目前已有2種解決方法：1）分壓供氣，即根據不同需求將空壓機組分為不同組別，每一組提供相應的空氣壓力[46]，如對氣壓傳動系統提供高壓氣體，對氣動控制系統提供低壓氣體。2）局部增壓技術，克服了系統因局部需要高壓力而必須提高整體壓力水平的缺點。

3 結語

壓縮空氣作為工業領域廣泛應用的清潔動力源，同時作為企業的能耗大戶，其從生產、輸送到應用三大環節的節能具有重要的現實意義。目前我國大部分工廠企業普遍存在空氣壓縮系統效率低下，能源浪費嚴重等問題，而且相關節能意識與經驗不足導致運行費用年年增高。

對空氣壓縮系統進行深度節能改造是需要各個環節相配合的復雜工作，在傳統的節能措施的基礎上輔以新型的變頻技術、空壓站智能監控系統及余熱回收技術等會從整體上更大程度地降低系統能耗。這樣的方法雖會增加一次性投入，但對應的是改造過后持續的能耗降低，優化了用氣參數并保證了企業的用氣質量。本文介紹了空氣壓縮系統普遍存在的問題和相應的解決方案，對企業的技術改造與節能優化具有推廣作用。

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(責任編輯 車德競)

Deep Energy Saving Technology in Air Compression System

LIU Ye1, WEI Gaosheng1, YOU Wenjiang2, DU Xiaoze1

(1. Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Education (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China; 2. Beijing Chidian Automation Technology Co., LTD, Fangshan District, Beijing 102488, China)

Compressed air system is one of the most important systems in traditional industries. As a main energy consumer, it has important practical significance to save energy from three major links of production, transportation and application. This paper analyzed the main energy consumption of compressed air from production and transportation to the utilization, and a series of improvement measures on energy saving were put forward and analyzed based on the actual working process of compressed air system. The analysis shows that the deep energy conservation transformation is a complex work which needs to be matched with each link, the energy consumption will be greatly reduced when traditional energy saving measures assisted by new frequency conversion technology, air compressor station intelligent monitoring system and heat recovery technology. This paper can provide reference for energy saving reconstruction of air compressor system in factories and enterprises.

compressed air; energy consumption; energy-saving and cost-reducing

2017-12-15。

劉燁(1993)，男，碩士研究生，主要從事火電機組節能方面的研究工作，13167578122@163.com；魏高升(1975)，男，博士，教授，主要從事火電機組節能，熱物性測試技術，太陽能熱發電等領域的研究工作，gaoshengw @126.com。

國家自然科學基金(51376060)。

Project Supported by National Natural Science Foudationof China (51376060).

10.12096/j.2096-4528.pgt.2018.012