壓縮空氣在工業(yè)領(lǐng)域用途廣泛，是優(yōu)秀的動力源，在機械、化工、水泥、裝備、鋼鐵等行業(yè)能耗占比較高。

 

空壓機系統(tǒng)電能消耗占工業(yè)能耗的8～10%左右，2018年全國空壓機耗電量約為4200億kW·h，其中有效能耗只占66%，其余34%的能量（約1420.4億kW·h）被白白浪費，通常認為空壓機能耗成本占工廠的20%左右，空壓系統(tǒng)節(jié)能亟待全面開展。

 

壓縮空氣系統(tǒng)組成

壓縮空氣系統(tǒng)的有哪些部件組成呢？小編帶大家來解剖分析一下吧～首先說一下它的組成成分：氣源、輸送管網(wǎng)和用氣末端設(shè)備三大部分組成了壓縮空氣系統(tǒng)的主軀干。

 

其中，氣源一般為空壓站，內(nèi)含空壓機、干燥機、儲氣罐和凈化過濾裝置（除油、除塵等）。壓縮空氣系統(tǒng)示意圖如下。

 

壓縮空氣（空壓機）系統(tǒng)節(jié)能教科書式講解

（空氣壓縮機系統(tǒng)示意圖）

 

壓縮空氣系統(tǒng)工作原理

知道壓縮空氣系統(tǒng)的組成部分之后，我們來了解一下它們各自的功能。

 

空壓機

 

目前工礦企業(yè)常用的空壓機多為雙螺桿式，空壓機主要有以下系統(tǒng)組成：空氣流程系統(tǒng)、潤滑油流程系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、安全保護系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及電氣線路，如圖所示：

 

壓縮空氣（空壓機）系統(tǒng)節(jié)能教科書式講解

（空壓機工作原理示意圖）

 

干燥凈化裝置（后處理設(shè)備）

 

干燥凈化裝置的作用是對空壓機排出的壓縮空氣進行凈化：干燥（除水）、過濾（除油、除塵等）。通常設(shè)備有干燥機（冷凍式干燥機、吸附式干燥機等）、過濾器等。

 

壓縮空氣（空壓機）系統(tǒng)節(jié)能教科書式講解

輸送管網(wǎng)

 

輸送管網(wǎng)的作用是將氣源（空壓站）產(chǎn)生壓縮空氣利用自身的壓力送至用氣終端，輸送管網(wǎng)含管道、閥門、儀表和過濾裝置，管道一般采用金屬管道。

 

用氣末端系統(tǒng)

 

包含用氣支管閥門、分氣筒、儀表和末端過濾器等，管道壓縮空氣經(jīng)末端進入用氣設(shè)備或系統(tǒng)。

壓縮空氣系統(tǒng)低效運行原因

大量數(shù)據(jù)表明，壓縮空氣系統(tǒng)主要費用都耗費在運行環(huán)節(jié)上，在其生命周期中，運行費用(電費)占比高達78～92%。因此，如何通過精細化管理，對能耗深入挖潛，提高能源使用效率，是每個企業(yè)都要面臨的一個課題。對此，根據(jù)項目工程經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)大部分壓縮空氣系統(tǒng)運行能耗高的主要原因如下：

 

設(shè)備效率低

 

很多年前配置的空壓機大多屬于低能效設(shè)備，與終端等設(shè)備匹配不合理，僅僅為了滿足生產(chǎn)的基本需求；空壓機調(diào)節(jié)方式落后、無集中控制，用氣量隨機變化時，空壓機因卸載而浪費嚴重；末端設(shè)備用氣不合理、效率低，設(shè)備用氣存在浪費。

 

供氣壓力不合理

 

沒有對供氣壓力進行分級規(guī)劃，而是簡單采用高壓供氣外加機械自力式減壓閥來滿足不同的壓力需求，大量的能源浪費在閥門上。此外，當需求側(cè)用氣量變化引起管網(wǎng)壓力的隨機波動，為了避免機組的頻繁啟停，需要設(shè)定一個很寬的壓力變化范圍，造成空壓機出口壓力的大幅波動，增加了空壓系統(tǒng)的運行能耗。

能源浪費的原因

?空載能耗高

 

目前多數(shù)企業(yè)壓縮機為單臺N立方，壓縮機開停只有N或N的倍數(shù)，空壓機設(shè)備開停依賴人工管理。

 

尤其在用氣負載頻繁變化時，系統(tǒng)不能快速反應(yīng)，也不能實現(xiàn)壓縮機排量的微調(diào)，這形成了空壓站各空壓機的空載。空壓機空載時的能耗高達其滿載運行時的40%～70%。

?爬升能耗高

 

螺桿壓縮機有兩種運行模式：加、卸載運行模式或空載、滿載運行模式。

 

加、卸載控制方式使得壓縮氣體的壓力在最低工作壓力值（即能夠保證用戶正常工作的最低壓力-加載壓力）和最高工作壓力（卸載壓力）之間運行。壓差一般在1bar以上。通過理論計算和實際檢測，得知空壓機壓力每增加1公斤，能耗增加4-8%。

 

?傳統(tǒng)管理方式

 

在空壓站的使用管理過程中，存在兩種不可避免的矛盾：

 

一種是企業(yè)對空壓機管理人員有明確的考核，那么會出現(xiàn)氣壓經(jīng)常不夠或能少開就少開的習慣，不利于生產(chǎn)線的正常運行，或出現(xiàn)壓力達不到設(shè)備使用要求導致用氣終端故障增加。

 

一種是對空壓機管理人員沒有明確的考核，這就會導致空壓機多開、空壓站空載能耗高的結(jié)果。無論哪種管理模式，其結(jié)果都會是空壓站電能浪費增大，而且不利于安全生產(chǎn)。

 

壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能手段

空壓機節(jié)能

 

空壓機是壓縮空氣系統(tǒng)中能耗最高的設(shè)備，占總系統(tǒng)能耗的90%以上，因此空壓機的節(jié)能至關(guān)重要，以下為常用的空壓機節(jié)能技術(shù)。

高效機組替代

一般情況下，在壓縮空氣的節(jié)能改造過程中，出于成本的考慮，不會采用空壓機替代的方案，但在特點的場合，如空壓機運行周期過長（8年），能耗明顯增加，維修費用明顯增加的情況下，可以考慮進行高效空壓機替代。

近兩年，國內(nèi)各大空壓機廠商先后推出了永磁變頻空壓機、兩級壓縮空壓機，一級能效壓縮機等，對于空壓機的能效提升、電耗降低，市場用戶給予了極高的贊譽。

機組合理搭配

 

空壓機的合理配置及合理運行對節(jié)省用電非常重要。機組選型一般最大設(shè)計負荷除以臺數(shù)來確定，如機組臺數(shù)過少，當在低負荷時，通過主機調(diào)節(jié)不能滿足機組高效運行，或者導致機組頻繁加減機和加卸載時，可以考慮增設(shè)一套變流量的小機組，增加負荷的可調(diào)性。同時盡量使得各機組在高效去運行。其中變?nèi)萘慷酁槁輻U式。

 

另外，由于管道壓力損失不確定，設(shè)備啟動存在流量高峰等原因，壓縮機的供氣壓力有時比現(xiàn)場要求壓力高出0.2MPa～0.3MPa。而末端設(shè)備每提高0.1MPa，壓縮機的耗電就提高4%～8%，造成了巨大的能源浪費。有時也會為了少數(shù)幾臺壓力要求高的設(shè)備，而整個調(diào)高供氣的壓力，這在能源使用配置上極其不合理，非明智之舉。

 

 

 

空壓機變頻運行

 

空壓機最主要的能量浪費為卸載能耗（工頻機），卸載時電機空轉(zhuǎn)，不產(chǎn)氣。這種方式在沒有供氣的情況下也仍需消耗40%～70%額定功率的電力，浪費非常嚴重。

 

另外工頻空壓機在部分負荷運行時，還容易出現(xiàn)頻繁的加載、卸載循環(huán)交替過程，不僅浪費了能耗，還使得供氣壓力波動，也使電機和壓縮機產(chǎn)生交替疲勞，影響使用壽命。

 

因此，對于中低負載的空壓機進行變頻改造，可大大的削減卸載時間，極大的減少卸載電耗?？諌簷C變頻改造以不改變原有系統(tǒng)為前提，對壓縮機進行變頻升級，采用先進的矢量控制技術(shù)，結(jié)合 PID 算法，對壓縮機進行精確控制。變頻改造出節(jié)能以外，尚有以下優(yōu)點：

 

?延長主電機軸承使用壽命；

 

?延長機頭使用壽命，延長皮帶或彈性聯(lián)軸器使用壽命；

 

?延長冷卻油的使用壽命。

 

因此，在實際的節(jié)能改造工程中，對中低負載的對空壓機進行變頻改造是最理想的節(jié)能措施。

 

機組聯(lián)動控制

 

變頻改造可以很好地消除單臺空壓機的空載，但對于多臺空壓機組成的供氣系統(tǒng)，從平衡系統(tǒng)負荷的角度來講，對每臺空壓機都進行變頻改造既無必要，也不經(jīng)濟。因此，確保工頻空壓和變頻空壓機的協(xié)調(diào)運行的機組聯(lián)動控制至關(guān)重要。

 

聯(lián)控系統(tǒng)最主要的功能可以實現(xiàn)空壓機機組（包括每臺空壓機的后處理設(shè)備）的聯(lián)鎖控制，能根據(jù)總管壓力和空壓機的運行狀態(tài)智能地加卸載對應(yīng)的空壓機等以保證管網(wǎng)的供氣穩(wěn)定和能耗最低。聯(lián)動控制+單機變頻可最大程度的消除系統(tǒng)卸載能耗。

 

 

 

干燥機節(jié)能

 

對于普通的冷凍式干燥機，耗電不耗氣，因其電耗占系統(tǒng)電耗的5%左右，一般在節(jié)能改造過程中很少涉及，除非設(shè)備老舊運行效果差時，才考慮以高效設(shè)備進行替代。

 

吸附式干燥機耗電、耗氣。無熱再生型和微熱再生型耗氣量都在10%以上，極大的浪費了能源。推薦采用余熱再生型干燥機進行替代，余熱再生型耗氣量不高于2%

 

 

 

管道節(jié)能

 

管道節(jié)能來自兩部分：

 

一是降低管道壓損，通過降低空壓的排氣壓力從而降低空壓電耗，通常情況下，排氣壓力降低0.1MPa，空壓機可節(jié)能6%~7%；

 

二是杜絕管網(wǎng)泄漏。管網(wǎng)泄漏在老舊的管網(wǎng)中普遍存在。在泄露問題上，工廠中的泄露量通常占供氣量的10%～30%，而管理不善的工廠甚至可能高達 50%。有時一個汽車組裝車間的泄漏點就有2萬個，其中，泄露量的90%以上來自設(shè)備使用中的零部件老化或破損。

 

而尤為嚴重的是，現(xiàn)場管理人員遠遠地低估了泄漏造成的損失。以1mm直徑的管道腐蝕小孔為例，在0.7MPa工作壓力下，一年浪費的電費約為4000元。

 

普通的碳鋼管道壓損較大，且隨著年頭的增多，腐蝕造成的泄漏現(xiàn)象嚴重，因此屬于不節(jié)能管道。而新型的鋁合金快速管道，阻力小，耐腐蝕，無焊縫不易泄露，且施工快速，獲得了越來越多應(yīng)用，因此在節(jié)能改過程中推薦采用鋁合金快速管道替代老舊的碳鋼管道。管道節(jié)能在壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能工程中越來越受重視，應(yīng)用越來越多。

 

 

 

用氣末端節(jié)能

 

用氣末端節(jié)能來自兩部分，一是管理節(jié)能，對于人工控制啟停的吹掃等用氣，做到使用打開，不用及時關(guān)閉等，杜絕浪費；二是替換低效噴嘴或其它用氣設(shè)備，提高氣體利用率。該部分在節(jié)能改造中一般不受重視，除非用氣企業(yè)有強烈的節(jié)能意識才注重末端節(jié)能。

 

 

 

用余熱回收節(jié)能

 

空氣在壓縮過程中，90%以上的電能轉(zhuǎn)化為熱量散出，在工程中，可回收利用的熱能不小于空壓機電耗70%，余熱回收的能量相當可觀?；厥盏臒崃靠捎糜谏钣脽?、鍋爐給水預(yù)熱、工藝加熱、采暖用熱等多種場合。余熱回收可降低空壓機排氣溫度、延長空壓機使用壽命，延長冷卻油的使用周期等諸多優(yōu)點。在節(jié)能工程中應(yīng)用較多。

 

壓縮空氣（空壓機）系統(tǒng)節(jié)能教科書式講解

（壓機余熱回收裝置及系統(tǒng)示意圖）

 

壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能解決方案

實際的節(jié)能改造工程中，主要針對空壓機、干燥機和管道部分進行節(jié)能改造，用戶末端系統(tǒng)很少涉及。

 

一般的節(jié)能改造，主要對空壓站和輸送管網(wǎng)部分進行，節(jié)能目標如下：

 

? 穩(wěn)定供氣壓力、減少管網(wǎng)壓力波動和確定合理的供氣壓力。

 

? 壓縮空氣供需匹配，盡量減少空壓機卸載時間。

 

? 空壓機余熱回收利用。

 

? 降低干燥機再生耗氣。

 

??注意啦：為實現(xiàn)上述目標，需配置一定的硬件和自動控制措施。

 

 

 

?數(shù)據(jù)采集與布點

 

對壓縮空氣系統(tǒng)進行用電和運行參數(shù)的采集，這是節(jié)能分析和節(jié)能改造的基礎(chǔ)。

 

 

 

?數(shù)據(jù)

 

采集數(shù)據(jù)（如下圖）：

 

壓縮空氣（空壓機）系統(tǒng)節(jié)能教科書式講解

?節(jié)能分析與診斷

 

通過對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行分析，計算各種評價指標，并結(jié)合運行規(guī)律和設(shè)備基礎(chǔ)資料等，可對壓縮空氣系統(tǒng)和其中的設(shè)備進行能效評價。

 

?節(jié)能改造措施介紹

 

? 壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能改造通常以設(shè)備的改造（硬件）和系統(tǒng)運行優(yōu)化控制（軟件）相結(jié)合的方式進行，力求以最小的投入產(chǎn)生最大的節(jié)能效益。

 

? 設(shè)備改造通?？諌簷C變頻改造、增加余熱利用系統(tǒng)和節(jié)能管道替換為主。

 

? 系統(tǒng)運行優(yōu)化控制主要是采用聯(lián)動控制系統(tǒng)。

 

?節(jié)能改造所需硬件配置

 

變頻器：變頻器為調(diào)速的主要設(shè)備，多臺空壓機時，通常只需對其中的一臺進行變頻改造即可。

 

測量儀表：測量儀表用于采集運行參數(shù)，為調(diào)節(jié)之依據(jù)。常用儀表為三線多功能電表、溫度表、壓力表、流量表，上述儀表均應(yīng)為遠傳型。

 

余熱回收系統(tǒng)：含油/水板換，循環(huán)泵、蓄水箱、管路和控制系統(tǒng)等。

 

 

 

結(jié)束語

空壓機行業(yè)這些年高速發(fā)展，市場用戶對設(shè)備的選型及使用維護卻沒有足夠的專業(yè)認知，90%的企業(yè)依然使用著不達標的壓縮空氣。因此，為了幫助用戶提高能源利用效率，降低能耗，節(jié)能服務(wù)企業(yè)要從技術(shù)節(jié)能和管理節(jié)能等多種節(jié)能手段上尋求突破，根據(jù)用戶不同需求提供多層次的定制性服務(wù)。