工頻螺桿空壓機節能技術改造應用

姜文雍　黃增陽　曾燕平　楊宇龍

摘 要：大多數傳統工業用普通工頻螺桿空壓機在頻繁加/卸載過程消耗的能量最嚴重，也是造成空壓機整機設備使用壽命降低、故障率提高、維修成本增大的主要原因之一。通過廉價手段降低空壓機在頻繁加/卸載過程消耗的能量顯得尤為重要。理論上空壓機24 h內加/卸載頻率與儲氣罐容積之間呈反比例關系。管網末端壓力補償方法有效降低了空壓機加/卸載啟停頻率，同時使整個空壓機管道系統得到壓力補償。

關鍵詞：空壓機;能源效率;能耗;加/卸載頻率;節能;管網末端;壓力補償;儲氣罐

中圖分類號：TB493文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.02.004

Energy Saving Technology Reform and Application of Power Frequency Screw Air Compressor

Jiang Wenyong1，Huang Zengyang2，Zeng Yanping3，Yang Yulong4

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering， Quzhou Vocational and Technical College， Quzhou 324000， China;

2.National Inspection Office of Quzhou City Quality and Technical Supervision and Testing Center， Quzhou 324000， China;

3.Technology Department of Zhejiang Shanhai Energy Equipment Co.， Ltd.， Quzhou 324000， China;

4.Mobile Department of Liaoshen Industrial Group Co.， Ltd.， Shenyang 110045， China）

Absrtact：Most of the traditional industry with normal frequency screw air compressor in the process of frequent loading/unloading energy consumption is the most serious， is also the air compressor equipment service life reduced， failure rate increased， maintenance costs increase one of the main reasons.It is very important to reduce the energy consumption of air compressor in the process of frequent loading/unloading by cheap means.In theory， the loading/unloading frequency of overhead compressor within 24h is inversely proportional to the volume of air storage tank.The method of pipe network end pressure compensation effectively reduces the start and stop frequency of air compressor adding/unloading， and makes the whole air compressor pipeline system get pressure compensation.

Key words： air compressor;energy efficiency;energy consumption;add/unload frequency;energy saving;end of network;pressure compensation;storage tanks

基金項目：衢州市科技計劃項目（2018k27），浙江省教育廳一般項目（Y201941532）

作者簡介：姜文雍（1982-），男，浙江衢州人，碩士研究生，講師，主要從事機械設計及能源動力研究，E-mail： jwyws2006@foxmail.com。

1 空壓機能耗概述

空氣壓縮機是用以壓縮空氣的機械設備，是氣動系統的核心設備，它可以把原動機的機械能轉換為氣體壓力能。由于其具有設計和控制簡單、運行成本低、環境適應性強等優點，因此被廣泛應用于工業、農業、國防、交通運輸及生活的各個領域[1-2]。空壓機在工業領域使用非常廣泛，但因其能耗較大、能效比低等原因，節能一直是空壓機研發制造相關領域重點關注的問題。據不完全統計，在大部分相關的生產企業之中，空氣壓縮機所占的能源消耗約為總電力消耗的10%～30%[3]。壓縮空氣領域很多人士對壓縮機的能耗方面進行了大量研究，王桂榮[4]通過對空氣壓縮機的熱力學分析，研究了空氣壓縮機進氣溫度與壓力對能耗影響;甘方成等人[5]對空氣壓縮機能耗進行了分析，結果表明空氣壓縮機具有較大的節能空間，并介紹了變頻技術在空氣壓縮機節能中的應用;王曉霞[6]將空氣壓縮機工作過程中的能耗分成三部分，分別為壓縮之前電動機的熱損失，壓縮過程中由于工況偏離所造成的等溫壓縮帶來的能耗，壓縮之后管道及換熱器中的阻力損失，提出可在重點能耗的地方采取集中能量回收的方法進行節能;Carello 等人[7]通過測量壓縮空氣管道上的流動參數，繪制了流量壓強曲線，綜合考慮到管道的粗糙度、內徑等因素，從理論上計算出在不同的流量下管路的沿程阻力損失;白學利等人[8]對活塞式空氣壓縮機能耗進行監測分析，結果表明排氣壓力對空氣壓縮機能耗有較大影響;馬富芹等人[9]從空氣熱力學的角度出發，分析了干、濕空氣對活塞式空氣壓縮機能耗的影響，結果表明空氣壓縮機的進氣越濕，能耗越大。以普通螺桿式空壓機為例，在其運行過程中，能耗主要體現在以下幾個方面：①運行過程中排氣溫度過高;②頻繁加/卸載啟停;③儲氣罐選取不當;④維修保養不及時;⑤老舊技術不足缺乏改進;⑥管理疏忽等。以上諸多原因綜合來看并結合生產實際，大多數傳統工業用普通工頻螺桿空壓機在頻繁加/卸載啟停過程能耗最嚴重，也是空壓機整機設備故障率提高、維修成本增大、使用壽命降低的主要原因之一，因此，通過廉價手段降低空壓機在頻繁加/卸載啟停過程消耗的能量顯得尤為重要。

2 加/卸載過程能耗損失分析

普通工頻螺桿空壓機在運行過程中，由于車間用氣設備的用氣量不斷變化，使空壓機不斷地在啟動、加載、保壓、卸載、停機之間往復循環以滿足車間穩定的氣壓。其中頻繁的加/卸載啟停，嚴重浪費能源，降低空壓機使用壽命。空氣壓縮機分3種情況進行加載或卸載：①當用氣量大于產氣量時，壓縮機啟動加載;②當用氣量小于供氣量時，壓縮機卸載空運行進入保壓狀態直至停機;③ 隨著卸載時間的延長，系統壓力不斷降低，當壓縮機出口壓力低于設定最小值后，壓縮機重新進入加載運行，如此反復循環維持系統壓力穩定[10]。據調研，在全國發電總量中，空壓機耗電量占到9%～10%，在企業總耗電量中，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%[11]。因此控制普通工頻空壓機加/卸載啟停頻率是節約能源的有效途徑之一。

3 當前節能技術改造的探討

目前，傳統工業領域大多數空壓機系統仍然是普通的工頻螺桿式空壓機，因運行時間久，設備老化等原因使用維護等投入成本逐年升高，加之原始空間利用受限，生產安排無法停機等因素制約，雖然其運行能耗較高，但確始終維持運行，給我國能源消耗造成巨大的潛在浪費。目前，針對空壓機頻繁加/卸載啟停的節能技術改造主要是通過增加變頻器將定頻改變頻，雖然有一定效果，但改造成本較高，而且從技術角度分析變頻器只是改變了空壓機啟停方式，即硬啟動變軟啟動，并不是真正意義上的變頻驅動，在小規模空壓系統運行過程中能耗降低并不明顯。此外，通過單純的增加儲氣罐容積的方式在原有的空壓系統布局情況下難免會受到空間限制，而且空壓機的標準儲氣罐內部結構相對復雜，成本高，更換儲氣罐需要論證的條件較多。因此，在不改變整體空壓機系統的前提下，通過廉價的技術手段控制空壓機頻繁加/卸載啟停頻率，降低能耗，延長空壓機整機使用壽命顯得尤為重要。

4 節能技術改造新方案

4.1 方案理論依據

管網末端壓力補償的實質是變向增加了空壓機儲氣罐的容積，改變了空壓機加載和卸載時效比例，降低了運行過程啟停頻率，從而節約了電能消耗。特定的工況條件尋求空壓機加/卸載頻率與儲氣罐容積的定量關系，對合理匹配空壓機的參數及管網布局提供有力的理論基礎。

假設某空壓機系統當前存在如下已知參數：

最低加載啟動壓力為：Pmin（MPa）;

最高卸載停機壓力為：Pmax（MPa）;

吸氣壓力：Px（MPa），數值為0.1 MPa;

當前系統儲氣罐容積為：V（m3）;

空壓機的額定排氣量為：Q（m3·min-1）。

則該空壓機從標準大氣壓加載啟動直至儲氣罐壓力達到Pmin時所用時間T1為

T1=V1（Pmin+Px）[]Q·Px（1）

式中：Pmin單位為MPa，這里定義為Pmin個標準大氣壓。

該空壓機從標準大氣壓加載啟動直至儲氣罐壓力達到Pmax時所用時間T2為

T2=V1（Pmax+Px）[]Q·Px（2）

式中：Pmax單位為MPa，這里定義為Pmax個標準大氣壓。

空壓機從儲氣罐壓力為Pmin加壓至儲氣罐壓力為Pmax所需時間T加載為

T加載=T2-T1=V（Pmax-Pmin）Q·Px（3）

車間用氣設備在使用氣源的過程中勢必使得儲氣罐壓力從Pmax向Pmin下降，該過程儲氣罐中的有效可利用氣量Q有效為

Q有效=T加載·Q=V（Pmax-Pmin）Px（4）

假設車間所有用氣設備的平均用氣量為Q總（單位：m3·min-1）

則儲氣罐壓力從Pmax向Pmin下降的一次循環過程中，有效可利用氣量Q有效所能維持車間使用的有效時間可知，該時間即為空壓機卸載保壓和停機時間之和。空壓機停機并不消耗能量，這里定義儲氣罐壓力從Pmax向Pmin下降的一次循環過程中所需時間T卸載為

T卸載=Q有效Q總=V（Pmax-Pmin）Q總·Px（5）

空壓機在運行過程中一次循環加/卸載所需的時間T一次加/卸載循環為T加載與T卸載之和

T一次加載/卸載循環=Q+Q總Q·Q總·V·（Pmax-Pmin）Px（6）

假設空壓機全天24 h工作，設空壓機24 h內加/卸載頻率為f：

f=1440·Q·Q總·Px（Q+Q總）·（Pmax-Pmin）·1V（7）

公式（7）給出了24 h內空壓機加/卸載頻率與儲氣罐容積的定量關系，一般情況下空壓機的排氣量Q為設備出廠規定，為定值，而整個車間的平均用氣量Q總特定環境下一般波動不大，也可假設為定值。（Pmax-Pmin）為空壓機可調整的壓力范圍，取決于車間用氣設備的標準，設定后其差值為常量，由此可知，空壓機24 h內加/卸載頻率與儲氣罐容積之間呈反比例關系，適當增大空壓機儲氣罐容積能有效降低頻繁加卸載頻率。空壓機加/卸載頻率與儲氣罐容積之間的定量關系為管網末端壓力補償方法提供了有力的理論支持。

4.2 方案流程圖

通過上述理論分析論證并結合實踐經驗驗證，管網末端壓力補償方法有效降低了空壓機頻繁加/卸載頻率，同時使整個空壓機管道系統得到壓力補償，對氣源壓力波動要求較高的設備提供了生產保證。結合生產實際將管網末端壓力補償方案的流程圖繪制如圖1。

如圖1所示，在正常的空壓機系統管網的末端增加二級緩存罐，通常儲氣罐選取原則在空壓機排氣量的15%～30%之間為宜，考慮安全及能耗等實際情況，最低不小于空壓機排氣量的10%，最高不大于排氣量的50%，并配備相應標準的安全泄壓閥。在二級緩沖罐的進氣（標識1處）和排氣（標識2處）管路均采用氣動單向電磁閥（以下簡稱1號電磁閥和2號電磁閥）控制氣流流向，并在標識1處和標識2處配相應壓力傳感器將壓力信號轉換為電信號，通過控制器采用PLC程序與空壓機主機配電系統并聯。整個空壓機系統加載進氣運行過程中，1號電磁閥開啟，2號電磁閥處于關閉狀態，當標識1處壓力傳感器給出信號達到二級緩存罐設定的最大進氣壓力時，1號電磁閥關閉，空壓機卸載停機，系統處于保壓狀態，隨著設備用氣量的消耗，系統管路壓力逐漸降低，當壓力達到2號電磁閥設定的最小釋放壓力時，2號電磁閥開啟，二級緩沖罐向系統進氣以保證管路正常使用壓力，當二級緩沖罐壓力逐漸減小并達到與管路壓力平衡時，因無壓力差存在，二級緩存罐已經無法再向管路系統加壓，此時系統控制空壓機加載運行，同時1號電磁閥啟動，2號電磁閥關閉，如此反復循環，加載保壓。若車間用氣量增加，可通過相應的原理增設三級緩存罐、四級緩存罐解決壓力不足和空壓機頻繁啟動問題。原則上緩存儲氣罐內的壓縮空氣是壓縮機排出后的凈化氣體，也可以在每級緩存罐排氣管路末端加裝空氣凈化三聯件保證更優質的氣源。

4.3 方案實施與應用

以東北某軍工企業的機械加工車間為例，對空壓機系統實施管網末端壓力補償技術改造，車間采用的是英格索蘭固定式螺桿空壓機ML55，基本參數為：容積流量10.1 m3·min-1，排氣壓力0.75 MPa，額定功率為55 kW，用氣設備約53臺（數控電火花、加工中心等），管網末端壓力補償有效解決了頻繁加卸載問題，延長了空壓機的使用壽命。

由圖2可以看出現場空間利用有限，管路采取架空和地埋混合鋪設，改造比較困難，儲氣罐空間位置緊張，在原有位置改造儲氣罐容積受空間限制。

圖3為管網末端增設的二級緩沖罐實物圖，由于在車間外面，避免了空間區域受限的弊端，同時整體改造費用較低。儲氣罐日常維護較為簡單，定期放水排氣，檢查相關儀器儀表正常運行即可。

5 綜合效益評定

通過上述理論及實踐經驗分析，管網末端壓力補償的方法在普通工頻螺桿空壓機上應用具有可行性和優越性，主要表現在以下幾個方面：①避免了老舊設備局部空間受限帶來的改造困擾;②投入的改造費用較低，后續維護保養方便;③空壓機加/卸載頻率降低，能耗下降; ④空壓機故障率降低，提供更長的維修間歇，使用壽命延長;⑤對過長的風管路壓力損失有補償功能，提供更穩定氣源;⑥可根據車間用氣設備的需要關閉和開啟緩沖罐，避免車間改造空壓機重新選型改造。

將改造前后90天相關指標統計結果匯總成表格對比情況如表所示。

由表中數據可以看出，改造前后的相關指標還是很明顯的，通過總結，能耗的有效降低主要原因在于空壓機的啟停頻率下降，這也變向提高了空壓機的使用壽命。

6 結論

本文通過理論分析并結合大多數生產車間現狀，考慮空間位置及當前管網系統規劃布局等因素的束縛，推導出空壓機24 h內加/卸載頻率與儲氣罐容積之間呈反比例關系，給出了管網末端壓力補償方法來降低空壓機頻繁加/卸載啟停頻率，同時使整個空壓機管道系統得到壓力補償，為類似空壓機節能技術改造提供了有力的支持。

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