姜文雍　黃增陽　曾燕平　楊宇龍

摘 要：大多數(shù)傳統(tǒng)工業(yè)用普通工頻螺桿空壓機(jī)在頻繁加/卸載過程消耗的能量最嚴(yán)重，也是造成空壓機(jī)整機(jī)設(shè)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(jià)手段降低空壓機(jī)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(jī)24 h內(nèi)加/卸載頻率與儲(chǔ)氣罐容積之間呈反比例關(guān)系。管網(wǎng)末端壓力補(bǔ)償方法有效降低了空壓機(jī)加/卸載啟停頻率，同時(shí)使整個(gè)空壓機(jī)管道系統(tǒng)得到壓力補(bǔ)償。

關(guān)鍵詞：空壓機(jī);能源效率;能耗;加/卸載頻率;節(jié)能;管網(wǎng)末端;壓力補(bǔ)償;儲(chǔ)氣罐

中圖分類號：TB493文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàng)目：衢州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2018k27），浙江省教育廳一般項(xiàng)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(jī)械設(shè)計(jì)及能源動(dòng)力研究，E-mail： jwyws2006@foxmail.com。

1 空壓機(jī)能耗概述

空氣壓縮機(jī)是用以壓縮空氣的機(jī)械設(shè)備，是氣動(dòng)系統(tǒng)的核心設(shè)備，它可以把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能。由于其具有設(shè)計(jì)和控制簡單、運(yùn)行成本低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通運(yùn)輸及生活的各個(gè)領(lǐng)域[1-2]?？諌簷C(jī)在工業(yè)領(lǐng)域使用非常廣泛，但因其能耗較大、能效比低等原因，節(jié)能一直是空壓機(jī)研發(fā)制造相關(guān)領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在大部分相關(guān)的生產(chǎn)企業(yè)之中，空氣壓縮機(jī)所占的能源消耗約為總電力消耗的10%～30%[3]。壓縮空氣領(lǐng)域很多人士對壓縮機(jī)的能耗方面進(jìn)行了大量研究，王桂榮[4]通過對空氣壓縮機(jī)的熱力學(xué)分析，研究了空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度與壓力對能耗影響;甘方成等人[5]對空氣壓縮機(jī)能耗進(jìn)行了分析，結(jié)果表明空氣壓縮機(jī)具有較大的節(jié)能空間，并介紹了變頻技術(shù)在空氣壓縮機(jī)節(jié)能中的應(yīng)用;王曉霞[6]將空氣壓縮機(jī)工作過程中的能耗分成三部分，分別為壓縮之前電動(dòng)機(jī)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(diǎn)能耗的地方采取集中能量回收的方法進(jìn)行節(jié)能;Carello 等人[7]通過測量壓縮空氣管道上的流動(dòng)參數(shù)，繪制了流量壓強(qiáng)曲線，綜合考慮到管道的粗糙度、內(nèi)徑等因素，從理論上計(jì)算出在不同的流量下管路的沿程阻力損失;白學(xué)利等人[8]對活塞式空氣壓縮機(jī)能耗進(jìn)行監(jiān)測分析，結(jié)果表明排氣壓力對空氣壓縮機(jī)能耗有較大影響;馬富芹等人[9]從空氣熱力學(xué)的角度出發(fā)，分析了干、濕空氣對活塞式空氣壓縮機(jī)能耗的影響，結(jié)果表明空氣壓縮機(jī)的進(jìn)氣越濕，能耗越大。以普通螺桿式空壓機(jī)為例，在其運(yùn)行過程中，能耗主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①運(yùn)行過程中排氣溫度過高;②頻繁加/卸載啟停;③儲(chǔ)氣罐選取不當(dāng);④維修保養(yǎng)不及時(shí);⑤老舊技術(shù)不足缺乏改進(jìn);⑥管理疏忽等。以上諸多原因綜合來看并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，大多數(shù)傳統(tǒng)工業(yè)用普通工頻螺桿空壓機(jī)在頻繁加/卸載啟停過程能耗最嚴(yán)重，也是空壓機(jī)整機(jī)設(shè)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(jià)手段降低空壓機(jī)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(jī)在運(yùn)行過程中，由于車間用氣設(shè)備的用氣量不斷變化，使空壓機(jī)不斷地在啟動(dòng)、加載、保壓、卸載、停機(jī)之間往復(fù)循環(huán)以滿足車間穩(wěn)定的氣壓。其中頻繁的加/卸載啟停，嚴(yán)重浪費(fèi)能源，降低空壓機(jī)使用壽命?？諝鈮嚎s機(jī)分3種情況進(jìn)行加載或卸載：①當(dāng)用氣量大于產(chǎn)氣量時(shí)，壓縮機(jī)啟動(dòng)加載;②當(dāng)用氣量小于供氣量時(shí)，壓縮機(jī)卸載空運(yùn)行進(jìn)入保壓狀態(tài)直至停機(jī);③ 隨著卸載時(shí)間的延長，系統(tǒng)壓力不斷降低，當(dāng)壓縮機(jī)出口壓力低于設(shè)定最小值后，壓縮機(jī)重新進(jìn)入加載運(yùn)行，如此反復(fù)循環(huán)維持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定[10]。據(jù)調(diào)研，在全國發(fā)電總量中，空壓機(jī)耗電量占到9%～10%，在企業(yè)總耗電量中，更是高達(dá)15%～35%，年耗電成本在整個(gè)運(yùn)行成本中更是一直居高不下，高達(dá)到 80%[11]。因此控制普通工頻空壓機(jī)加/卸載啟停頻率是節(jié)約能源的有效途徑之一。

3 當(dāng)前節(jié)能技術(shù)改造的探討

目前，傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域大多數(shù)空壓機(jī)系統(tǒng)仍然是普通的工頻螺桿式空壓機(jī)，因運(yùn)行時(shí)間久，設(shè)備老化等原因使用維護(hù)等投入成本逐年升高，加之原始空間利用受限，生產(chǎn)安排無法停機(jī)等因素制約，雖然其運(yùn)行能耗較高，但確始終維持運(yùn)行，給我國能源消耗造成巨大的潛在浪費(fèi)。目前，針對空壓機(jī)頻繁加/卸載啟停的節(jié)能技術(shù)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(shù)角度分析變頻器只是改變了空壓機(jī)啟停方式，即硬啟動(dòng)變軟啟動(dòng)，并不是真正意義上的變頻驅(qū)動(dòng)，在小規(guī)模空壓系統(tǒng)運(yùn)行過程中能耗降低并不明顯。此外，通過單純的增加儲(chǔ)氣罐容積的方式在原有的空壓系統(tǒng)布局情況下難免會(huì)受到空間限制，而且空壓機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)氣罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，成本高，更換儲(chǔ)氣罐需要論證的條件較多。因此，在不改變整體空壓機(jī)系統(tǒng)的前提下，通過廉價(jià)的技術(shù)手段控制空壓機(jī)頻繁加/卸載啟停頻率，降低能耗，延長空壓機(jī)整機(jī)使用壽命顯得尤為重要。

4 節(jié)能技術(shù)改造新方案

4.1 方案理論依據(jù)

管網(wǎng)末端壓力補(bǔ)償?shù)膶?shí)質(zhì)是變向增加了空壓機(jī)儲(chǔ)氣罐的容積，改變了空壓機(jī)加載和卸載時(shí)效比例，降低了運(yùn)行過程啟停頻率，從而節(jié)約了電能消耗。特定的工況條件尋求空壓機(jī)加/卸載頻率與儲(chǔ)氣罐容積的定量關(guān)系，對合理匹配空壓機(jī)的參數(shù)及管網(wǎng)布局提供有力的理論基礎(chǔ)。

假設(shè)某空壓機(jī)系統(tǒng)當(dāng)前存在如下已知參數(shù)：

最低加載啟動(dòng)壓力為：Pmin（MPa）;

最高卸載停機(jī)壓力為：Pmax（MPa）;

吸氣壓力：Px（MPa），數(shù)值為0.1 MPa;

當(dāng)前系統(tǒng)儲(chǔ)氣罐容積為：V（m3）;

空壓機(jī)的額定排氣量為：Q（m3·min-1）。

則該空壓機(jī)從標(biāo)準(zhǔn)大氣壓加載啟動(dòng)直至儲(chǔ)氣罐壓力達(dá)到Pmin時(shí)所用時(shí)間T1為

T1=V1（Pmin+Px）[]Q·Px（1）

式中：Pmin單位為MPa，這里定義為Pmin個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

該空壓機(jī)從標(biāo)準(zhǔn)大氣壓加載啟動(dòng)直至儲(chǔ)氣罐壓力達(dá)到Pmax時(shí)所用時(shí)間T2為

T2=V1（Pmax+Px）[]Q·Px（2）

式中：Pmax單位為MPa，這里定義為Pmax個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

空壓機(jī)從儲(chǔ)氣罐壓力為Pmin加壓至儲(chǔ)氣罐壓力為Pmax所需時(shí)間T加載為

T加載=T2-T1=V（Pmax-Pmin）Q·Px（3）

車間用氣設(shè)備在使用氣源的過程中勢必使得儲(chǔ)氣罐壓力從Pmax向Pmin下降，該過程儲(chǔ)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(shè)車間所有用氣設(shè)備的平均用氣量為Q總（單位：m3·min-1）

則儲(chǔ)氣罐壓力從Pmax向Pmin下降的一次循環(huán)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(shí)間可知，該時(shí)間即為空壓機(jī)卸載保壓和停機(jī)時(shí)間之和。空壓機(jī)停機(jī)并不消耗能量，這里定義儲(chǔ)氣罐壓力從Pmax向Pmin下降的一次循環(huán)過程中所需時(shí)間T卸載為

T卸載=Q有效Q總=V（Pmax-Pmin）Q總·Px（5）

空壓機(jī)在運(yùn)行過程中一次循環(huán)加/卸載所需的時(shí)間T一次加/卸載循環(huán)為T加載與T卸載之和

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

假設(shè)空壓機(jī)全天24 h工作，設(shè)空壓機(jī)24 h內(nèi)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(nèi)空壓機(jī)加/卸載頻率與儲(chǔ)氣罐容積的定量關(guān)系，一般情況下空壓機(jī)的排氣量Q為設(shè)備出廠規(guī)定，為定值，而整個(gè)車間的平均用氣量Q總特定環(huán)境下一般波動(dòng)不大，也可假設(shè)為定值。（Pmax-Pmin）為空壓機(jī)可調(diào)整的壓力范圍，取決于車間用氣設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定后其差值為常量，由此可知，空壓機(jī)24 h內(nèi)加/卸載頻率與儲(chǔ)氣罐容積之間呈反比例關(guān)系，適當(dāng)增大空壓機(jī)儲(chǔ)氣罐容積能有效降低頻繁加卸載頻率?？諌簷C(jī)加/卸載頻率與儲(chǔ)氣罐容積之間的定量關(guān)系為管網(wǎng)末端壓力補(bǔ)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(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證，管網(wǎng)末端壓力補(bǔ)償方法有效降低了空壓機(jī)頻繁加/卸載頻率，同時(shí)使整個(gè)空壓機(jī)管道系統(tǒng)得到壓力補(bǔ)償，對氣源壓力波動(dòng)要求較高的設(shè)備提供了生產(chǎn)保證。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際將管網(wǎng)末端壓力補(bǔ)償方案的流程圖繪制如圖1。

如圖1所示，在正常的空壓機(jī)系統(tǒng)管網(wǎng)的末端增加二級緩存罐，通常儲(chǔ)氣罐選取原則在空壓機(jī)排氣量的15%～30%之間為宜，考慮安全及能耗等實(shí)際情況，最低不小于空壓機(jī)排氣量的10%，最高不大于排氣量的50%，并配備相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的安全泄壓閥。在二級緩沖罐的進(jìn)氣（標(biāo)識1處）和排氣（標(biāo)識2處）管路均采用氣動(dòng)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(biāo)識1處和標(biāo)識2處配相應(yīng)壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過控制器采用PLC程序與空壓機(jī)主機(jī)配電系統(tǒng)并聯(lián)。整個(gè)空壓機(jī)系統(tǒng)加載進(jìn)氣運(yùn)行過程中，1號電磁閥開啟，2號電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)標(biāo)識1處壓力傳感器給出信號達(dá)到二級緩存罐設(shè)定的最大進(jìn)氣壓力時(shí)，1號電磁閥關(guān)閉，空壓機(jī)卸載停機(jī)，系統(tǒng)處于保壓狀態(tài)，隨著設(shè)備用氣量的消耗，系統(tǒng)管路壓力逐漸降低，當(dāng)壓力達(dá)到2號電磁閥設(shè)定的最小釋放壓力時(shí)，2號電磁閥開啟，二級緩沖罐向系統(tǒng)進(jìn)氣以保證管路正常使用壓力，當(dāng)二級緩沖罐壓力逐漸減小并達(dá)到與管路壓力平衡時(shí)，因無壓力差存在，二級緩存罐已經(jīng)無法再向管路系統(tǒng)加壓，此時(shí)系統(tǒng)控制空壓機(jī)加載運(yùn)行，同時(shí)1號電磁閥啟動(dòng)，2號電磁閥關(guān)閉，如此反復(fù)循環(huán)，加載保壓。若車間用氣量增加，可通過相應(yīng)的原理增設(shè)三級緩存罐、四級緩存罐解決壓力不足和空壓機(jī)頻繁啟動(dòng)問題。原則上緩存儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓縮空氣是壓縮機(jī)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(lián)件保證更優(yōu)質(zhì)的氣源。

4.3 方案實(shí)施與應(yīng)用

以東北某軍工企業(yè)的機(jī)械加工車間為例，對空壓機(jī)系統(tǒng)實(shí)施管網(wǎng)末端壓力補(bǔ)償技術(shù)改造，車間采用的是英格索蘭固定式螺桿空壓機(jī)ML55，基本參數(shù)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(shè)備約53臺(tái)（數(shù)控電火花、加工中心等），管網(wǎng)末端壓力補(bǔ)償有效解決了頻繁加卸載問題，延長了空壓機(jī)的使用壽命。

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

圖3為管網(wǎng)末端增設(shè)的二級緩沖罐實(shí)物圖，由于在車間外面，避免了空間區(qū)域受限的弊端，同時(shí)整體改造費(fèi)用較低。儲(chǔ)氣罐日常維護(hù)較為簡單，定期放水排氣，檢查相關(guān)儀器儀表正常運(yùn)行即可。

5 綜合效益評定

通過上述理論及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析，管網(wǎng)末端壓力補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔ谄胀üゎl螺桿空壓機(jī)上應(yīng)用具有可行性和優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①避免了老舊設(shè)備局部空間受限帶來的改造困擾;②投入的改造費(fèi)用較低，后續(xù)維護(hù)保養(yǎng)方便;③空壓機(jī)加/卸載頻率降低，能耗下降; ④空壓機(jī)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(fēng)管路壓力損失有補(bǔ)償功能，提供更穩(wěn)定氣源;⑥可根據(jù)車間用氣設(shè)備的需要關(guān)閉和開啟緩沖罐，避免車間改造空壓機(jī)重新選型改造。

將改造前后90天相關(guān)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果匯總成表格對比情況如表所示。

由表中數(shù)據(jù)可以看出，改造前后的相關(guān)指標(biāo)還是很明顯的，通過總結(jié)，能耗的有效降低主要原因在于空壓機(jī)的啟停頻率下降，這也變向提高了空壓機(jī)的使用壽命。

6 結(jié)論

本文通過理論分析并結(jié)合大多數(shù)生產(chǎn)車間現(xiàn)狀，考慮空間位置及當(dāng)前管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃布局等因素的束縛，推導(dǎo)出空壓機(jī)24 h內(nèi)加/卸載頻率與儲(chǔ)氣罐容積之間呈反比例關(guān)系，給出了管網(wǎng)末端壓力補(bǔ)償方法來降低空壓機(jī)頻繁加/卸載啟停頻率，同時(shí)使整個(gè)空壓機(jī)管道系統(tǒng)得到壓力補(bǔ)償，為類似空壓機(jī)節(jié)能技術(shù)改造提供了有力的支持。

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