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，同時使整個空壓機(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;儲氣罐
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，是氣動系統(tǒng)的核心設(shè)備，它可以把原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能。由于其具有設(shè)計和控制簡單、運行成本低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通運輸及生活的各個領(lǐng)域[1-2]。空壓機(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)域重點關(guān)注的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計，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，在其運行過程中，能耗主要體現(xiàn)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(dāng);④維修保養(yǎng)不及時;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、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)重浪費能源，降低空壓機(jī)使用壽命。空氣壓縮機(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，壓縮機(jī)啟動加載;②當(dāng)用氣量小于供氣量時，壓縮機(jī)卸載空運行進(jìn)入保壓狀態(tài)直至停機(jī);③ 隨著卸載時間的延長，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%，年耗電成本在整個運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)，因運行時間久，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(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，即硬啟動變軟啟動，并不是真正意義上的變頻驅(qū)動，在小規(guī)�？諌合到y(tǒng)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(tǒng)布局情況下難免會受到空間限制，而且空壓機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)儲氣罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)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(jī)系統(tǒng)的前提下，通過廉價的技術(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)膶嵸|(zhì)是變向增加了空壓機(jī)儲氣罐的容積，改變了空壓機(jī)加載和卸載時效比例，降低了運行過程啟停頻率，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)大氣壓加載啟動直至儲氣罐壓力達(dá)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓。
該空壓機(jī)從標(biāo)準(zhǔn)大氣壓加載啟動直至儲氣罐壓力達(dá)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓。
空壓機(jī)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(shè)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(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間可知，該時間即為空壓機(jī)卸載保壓和停機(jī)時間之和�？諌簷C(jī)停機(jī)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(huán)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(jī)在運行過程中一次循環(huán)加/卸載所需的時間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，而整個車間的平均用氣量Q總特定環(huán)境下一般波動不大，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/卸載頻率與儲氣罐容積之間呈反比例關(guān)系，適當(dāng)增大空壓機(jī)儲氣罐容積能有效降低頻繁加卸載頻率。空壓機(jī)加/卸載頻率與儲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)合實踐經(jīng)驗驗證，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，同時使整個空壓機(jī)管道系統(tǒng)得到壓力補(bǔ)償，對氣源壓力波動要求較高的設(shè)備提供了生產(chǎn)保證。結(jié)合生產(chǎn)實際將管網(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)。整個空壓機(jī)系統(tǒng)加載進(jìn)氣運行過程中，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，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，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，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，此時系統(tǒng)控制空壓機(jī)加載運行，同時1號電磁閥啟動，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)頻繁啟動問題。原則上緩存儲氣罐內(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（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(wǎng)末端增設(shè)的二級緩沖罐實物圖，由于在車間外面，避免了空間區(qū)域受限的弊端，同時整體改造費用較低。儲氣罐日常維護(hù)較為簡單，定期放水排氣，檢查相關(guān)儀器儀表正常運行即可。
5 綜合效益評定
通過上述理論及實踐經(jīng)驗分析，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，同時使整個空壓機(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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