基于電器實驗室用氣特點的壓縮空氣動力系統節能改造分析*

丁錦華，苗本健，李賽賽※，趙 婧，周小猛，胥嘉良，郭向榮

（1.廣東產品質量監督檢驗研究院，廣州 510330；2.廣東省標準化研究院，廣州 510220；3.中國科學院深圳先進技術研究院，廣東 深圳 518055）

0 引言

壓縮空氣作為工業領域里一種安全環保的動力源，具有清潔、易調節、輸送便捷的特點，被廣泛用于電力、化工、制藥、電子、機械制造等領域。以壓縮空氣為動力的氣動隔離開關相對于通用的電動或手動隔離開關，具有結構簡單、成本低、開合力矩大、電氣隔離和抗干擾性能強、操作維護簡便等突出的優點，被廣泛應用于電器實驗室中。

壓縮空氣系統雖然優點較多，但其能耗問題也一直較為突出。據不完全統計，在我國壓縮空氣系統的耗電量占全國發電量的9.5%～10%，在工業領域占用企業總耗電量的15%～35%不等［1］。當前我國用戶的壓縮空氣系統中，能源浪費主要表現為泄漏偏多、壓縮機配置及運行僅以保壓為目的、供給壓力不合理、噴嘴低效、設備用氣存在浪費、現場工人用氣成本意識淡薄等問題。在泄漏問題上，工廠中的泄漏量通常占供氣量的10%～30%，而管理不善的工廠甚至可能高達50%［2］。

隨著我國“碳達峰”和“碳中和”目標的提出，節能減排已經越來越受到政府及企業的重視。對于存在很大節能潛力壓縮空氣系統，其節能所能創造的經濟效益愈發顯著［3］。因此，對壓縮空氣系統運行特點及節能改造措施進行研究，是十分必要的。

本文簡要介紹電器實驗室壓縮空氣動力系統的組成、運行特點及已實施的節能措施，并根據實際情況，分析電器實驗室存在的壓縮空氣泄露問題，制定相應的節能改造措施，改造后系統結構簡單易操作、供氣壓力穩定、系統冗余度高，且改造成本低，取得了較好的效果。

1 現有系統泄漏問題分析

電器實驗室壓縮空氣動力系統按照用氣設備最大負荷的條件進行設計和建設，在實際使用中，用氣設備的間歇性、低頻次使用，造成用氣端負荷變化較大，低壓空壓機長期處于加卸載的循環運行方式，不但造成了能源浪費，而且導致供氣管路壓力波動大。為解決這個問題，電器實驗室壓縮空氣動力系統已進行過一次節能改造，現有壓縮空氣動力系統采用高低壓聯機運行的方式［2］，即低壓供氣＋高壓穩壓，如圖1 所示。低壓空壓機可在200 s左右使管路氣壓達到0.7 MPa以上，而高壓空壓機最大流量只有1.5 m3／min，即使不向低壓管路輸氣，開機后也要20 min 才能使高壓儲氣罐、高壓管路氣壓達到1.0 MPa以上，此后壓力開關控制電動閥門打開，高壓開始向低壓管路補氣，雖具有一定的滯后性，但在一定程度上避免了上述問題。

圖1 空氣動力系統主設備

近幾年來，隨著電器實驗室用氣設備的增加，以及氣體泄漏問題日益嚴重［4］，當低壓空壓機卸載運行時，由于系統用氣量、漏氣量大于高壓空壓機最大供氣量，管路壓力將持續下降到低壓空壓機最低閾值，低壓空壓機將進入加卸載的循環運行方式，加載時間短、卸載時間長，原本的高低壓聯機運行方式已無法發揮理想的效果。通過調取低壓空壓機的近一年的運行數據，其年運行800 h，加載時間只有128 h，負荷率只有16%，即空壓機在其余84%的時間里以卸載方式運行，與中國空壓機設備負荷率66%的平均水平相比，相差甚遠，其數據對比如表1 所示。由表可見，從全國平均水平來看，當負荷率為66%時，其能耗和電費為滿載時的78%，能耗浪費比例占實際能耗的15%。此電器實驗室負荷率為16%，其能耗和電費只占滿載時的45.5%，而能耗浪費比例高達實際能耗的64.6%，存在嚴重的能源浪費情況［5］。雖然負荷率高時電費、設備損耗、維護成本會增加，但從經濟運行的角度考慮，負荷率越高，設備的利用程度越高，相應的能耗浪費也就越小，用電越經濟。

表1 空壓機負荷率對比

為更準確地分析造成如此高能耗的原因以及壓縮空氣供需關系，實際測量了壓縮空氣動力系統的運行情況，具體數據如表2 所示。

表2 壓縮空氣動力系統的運行數據

假設儲氣罐和管路總容積為V，漏氣量為Q1，由表1 可得：

式中：V為儲氣罐和管路總容積；P1為管路壓力上限設定值；P2為管路壓力下限設定值；Q0為低壓空壓機供氣量；Q1為氣動管路總漏氣量；T2為管路壓力由P1降到P2時間；T4為管路壓力由P2升到P1時間。

低壓空壓機供氣量Q0＝20 m3／min，管路壓力上下限設定值P1＝0.81 MPa、P2＝0.70 MPa 時，由式（1）、（2）可得出氣動回路總容積V ＝4.76 m3，漏氣量Q1＝8.6 m3／min。漏氣量占空壓機供氣量的43%，存在嚴重的壓縮空氣泄漏情況，經過對管路回路的排查，漏氣現象主要為氣管破裂漏氣、氣管接頭處漏氣等。氣管破裂情況會出現在氣管彎曲處、陽關照射部分、氣管與設備被金屬外殼接觸部分，破裂口長度一般3 cm左右，壓縮空氣在破裂口大量泄漏，持續而又響亮的聲音在30 m外都可以聽到，如圖2（a）所示。氣管接頭包括氣管三通接頭、氣缸氣管接頭、機械閥氣管接頭，接頭處漏氣較小，聲音比較微弱，距離漏氣點5 m 內才能觀察到，雖然每個接頭處漏氣量有限，但數千個接頭造成了的漏氣量非常大，如圖2（b）、（c）、（d）所示。

圖2 出現漏氣現象的節點

圖3 管路增加閥門示意圖

除了漏氣問題，低壓空壓機采用工頻啟動方式，沖擊電流大，通常可達到額定電流的5 ～7倍，對其他設備電源產生電磁干擾，已經造成多個控制器損壞［6］。隨著壓縮空氣動力系統設備的使用壽命逐年增加，出現故障的幾率也在日益增加，當空壓機出現故障無法供氣時，管路氣壓無法保證用氣設備的壓力要求，進而出現嚴重后果。而且，如果低壓空壓機維修周期過長，勢必將影響電器實驗室正常運營，所帶來的損失遠大于設備本身的價值，因此壓縮空氣動力系統的節能改造及制定應急方案勢在必行。

2 節能改造方案

通過對電器實驗室壓縮空氣動力系統存在問題的分析，節能研究應在降低漏氣量、穩定管路壓力、增加備用空壓機3 個方面進行，使管路壓力穩定在0.7 MPa 左右、漏氣量降到2 m3／min以內。

2.1 管路增加閥門

由于氣動隔離開關等用氣設備分布于A、B兩棟樓，A樓分兩層，B樓分三層，所以氣動管路也相應的分為A管、B管，其中B 管又根據用氣設備的不同分為B1 和B2 管。B1管所接的設備用氣壓力要求是0.6 ～0.8 MPa，B2管所接用氣設備壓力要求是0.7 ～0.8 MPa。為避免設備不用氣時的浪費情況，在空壓機房增加球閥QA、QB，在B2 管上增加電動閥門QM。使用人員可根據不同樓設備用氣需求，手動開啟／關閉球閥QA、QB，當需要使用設備組B2 時，可在控制室通過MODBUS通信方式更改管路壓力上下限設定值，通過PLC遠程控制電動閥門QM開啟／關閉［7］。

2.2 降低管路壓力

管路氣流量公式：

式中：P為管路內氣體壓力；V為管路體積；R為氣體常數；T為溫度。可以推測，當降低管路壓力時，可減少壓縮空氣泄漏速度［8-9］。

管路壓力上下限設定值改為P1＝0.75 MPa，P2＝0.65 MPa時，理論漏氣量會降到Q1＝7.8 m3／min。

2.3 更換軟管和氣管接頭

氣動隔離開關等用氣設備使用PU軟管供氣，PU 軟管為聚亞安酯材料，優點是質量輕、耐化學腐蝕、耐高壓、強度韌性高，缺點是易老化，特別是有陽光照射的部分，環境溫度高，在使用一定年限后會變脆、龜裂，易出現破裂情況［10］。氣管接頭為卡套式塑料氣管接頭，具有結構先進、性能良好、使用方便、不用焊接、不必將配管擴口等一系列優點，缺點是強度不夠高，最高耐壓只有1 MPa，伴隨著氣缸的擺動，卡套彈性會下降，密封性降低，出現漏氣現象［11］。

針對以上問題，更換老舊PU 軟管，受太陽照射的部分和跟設備外殼有接觸部分使用耐高壓防爆的PU塑筋增強軟管。漏氣的氣管接頭更換為彈性和耐久性更強的卡套式氣管接頭，在氣缸擺動幅度大的位置使用金屬接頭，其制作工藝復雜，使用材料要求高、耐壓、耐高溫。

2.4 增加變頻低壓空壓機

空氣動力系統最大的用氣設備氣墊車耗氣量為18 m3／min，低壓空壓機是按照氣墊車用氣要求配置的，由于其使用頻率很低，每次使用時間短，低壓空壓機的加載運行時間也就短，頻繁起停造成空壓機壽命縮短，效率不高，停機后排氣造成壓縮空氣嚴重浪費，而其他用氣設備的最大用氣量在0.564 m3／min［2］，所以低壓空壓機的作用基本上是為了彌補管路壓縮氣體泄漏，維持管路氣壓，長期處于卸載運行狀態［12］。為解決這種情況，增加一臺功率22 kW、供氣量為3.6 m3／min 的變頻式低壓空壓機，通過變頻器改變電源的頻率來改變空壓機電動機的轉速，使得空壓機的供氣量發生變化，從而解決普通空壓機由于頻繁加卸載而運行不穩定、波動較大和浪費過多功率的問題［13-14］。變頻空壓機使用永磁電動機，利用永磁體來產生電機的磁場，無需勵磁線圈也無需勵磁電流，從而降低電流消耗、提高電動機的效率［15］。利用壓力變送器將儲氣罐氣體壓力轉變為電信號，輸入到變頻空壓機自帶的控制器內，利用控制器內的PID控制算法算出實際用氣量，并根據實際用氣量調整變頻器供電的頻率和幅值，從而控制電動機的轉速，最終實現對空壓機系統供氣量和相對于用氣量的平衡與實時控制［14］，其控制原理如圖4 所示。增加變頻低壓空壓機另一主要作用是在低壓空壓機出現故障需要維修時，特別是維修周期較長時，可以作為主要供氣設備，維持氣墊車以外設備的用氣需求，保證公司正常的生產經營。

圖4 空壓機變頻控制技術原理

3 改造后運行數據分析

在經過2. 1 節的改造措施后，實際測量值Q1＝7. 9 m3／min，理論推算值與實際測量值相近，符合預期。在經過2. 3 節的改進措施后，當管路壓力上下限設定值P1＝0.75 MPa、P2＝0.65 MPa時，T2＝2 min 46 s，由公式（1）～（2）可得出漏氣量Q1＝1.7 m3／min，與改造前的8.6 m3／min 相比，壓縮空氣泄漏量減少了80%。在經過2.4 節的改進措施后，模擬低壓空壓機故障，只使用變頻式低壓空壓機供氣時，可以在18 min 內使管路壓力由0 升壓到0.70 MPa，在滿足用氣需求和彌補漏氣的同時，可以使管路氣壓穩定在0.7 ～0.01 MPa，由于使用PID 變頻控制的方式，穩壓的同時減少了功耗，僅低壓空壓機的功耗就由改造前的約50 kW／h 降低到現在的每小時15 kW／h，節能70%。以每年工作800 h為例，節能改造前后數據對比如表3 所示。

表3 節能改造前后數據對比

4 結束語

本文通過對電器實驗室壓縮空氣動力系統結構和供需關系的研究，分析出空壓機負荷率只有16%的原因是氣體泄漏量大、空壓機與用氣設備供需不匹配，通過對系統的排查發現氣體泄漏的主要原因是管路壓力波動大、軟管老化、氣管接頭質量參差不齊，同時還發現系統存在的電磁干擾、設備老化故障率增加等問題。結合電器實驗室壓縮空氣動力系統的特點，實施了穩定管路壓力、更換軟管和氣管接頭、增加備用變頻低壓空壓機等節能改造措施，使系統總漏氣量降低到改造前的20%，系統總功耗降低到改造前的43%，滿足節能改造的預期和正常生產的需求，同時新增一臺變頻式低壓空壓機，增加了空氣動力系統的冗余。