论文部分内容阅读
摘 要 对压缩空气系统进行节能运行分析，从机组控制策略、压力损失、泄露以及单机工作效率等方面做深入剖析，找出影响系统能耗的关键因素，在此基础上提出针对性节能优化技术，为企业进行节能改造提供一定依据。
关键词 压缩空气系统；群控；压力损失；泄露
中图分类号：TH45 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）24-0053-03
2011年中国确定了单位GDP能耗要降低16%的目标。为实现上述目标，工业、建筑、交通运输、公共机构等行业和部门均制定了严格的节能目标和规划。在此宏观背景下，占据工业生产中总耗电量10%～20%的压缩空气系统不可避免的成为了节能的重点对象。压缩空气系统机械设备由于构造简单、价格便宜、易维护等特点，从20世纪70年代开始，在机械、冶金、电力电子、医药、化工、食品、采矿、纺织、交通等众多工业领域广泛应用。但是，在石油煤炭资源日益枯竭，环境和能源问题突出的今天，压缩空气系统能效低、浪费严重等问题也引起了人们的关注，压缩空气系统的节能是我国节能减排工作中较为重要的一环。
1 压缩空气系统节能运行分析
对于用户来说，压缩空气系统为一个黑箱，其最关心环节在于投入产出，即消耗一单位电能能够最终获得多少压缩空气空气供实际使用，由此引申出压缩空气系统评价指标——能耗比值：
平均输入功率
其中：
—空压机额定工况输入功率，kW。
—压损系数；
—空载系数；
—过压缩系数；
—附属耗能部件输入功率，kW。
有效空气流量
其中：
—空压机理论排气量，m3/h。
—空压机容积效率；
—假性需求系数。
综合以上分析，获得能耗比值的详细关系式为：
由上式可知，影响空压系统能耗比值的关键因素有：定工况下空压机单额定工况工作效率，即，由空压机个体结构、型式以及内部工作效率所决定；空载系数和过压缩系数，由空压机组控制策略决定，其中空载系数与空压机加/卸载时间比例有关，而过压缩系数与压力控制不精确而导致排气压力过高程度相关；假性需求系数，即，反映了压缩空气系统使用过程中泄漏量以及其他假性需求；压损系数，包括因压损元件而导致的吸/排气压力损失和因供需压力差异导致需求侧压力损失；附属耗能元件工作效率，即，反映了水泵、风机和干燥机等附属能耗元件的工作效率。
1.1 控制策略不合理
1.1.1 空载率高
空压机选型一般按照工厂最大用气量的极限工况设计，且保留10%～20%的余量。然而，实际运行中所需求的实际气量比空压机所提供的要低的多，而且用气量变化波动较大，对于一般的定速空压机，需通过加/卸载的方式来满足系统空气需求量及压力的要求，此时空压系统消耗能量计算公式如下：
其中：
E—消耗能量，kW·h；
Eval—有效能量，kW·h；
Einv—无效能量，kW·h；
C—单机加载功率，kW；
x—空载时间比例，%；
ε—控制功率系数，%；
H—运转时间，h。
由上式可知，空压机空载相当于机器空转运行，对外不输出功，但此时仍消耗一定量的电能（为加载时的50%左右）。
1.1.2 过压缩
空压机通过加、卸载等控制方式使得压缩气体的压力在pmin和pmax之间来回变化，如图1所示。其中pmin为最低压力值，即能保证压缩空气用户正常工作的最低压力。一般情况下，pmax、pmin之间的关系可以用下式来表示：
pmax=（1+δ）·pmin
其中，δ是个百分数，其数值大致在10%～25%之间。也就是说，在气压上存在15%-30%的浪费。另外，如果存在压力控制范围过大或供气侧与需求侧空气量不匹配的情况，则会出现系统长时间高压条件运行如图2所示。
图1 空压系统压力调节示意图
图2 空压系统长时间高压运行示意图
1.2 压力损失
1.2.1 供气压力损失
构成供气压力损失有两种：
沿程压力损失：
局部压力损失：
则，总压力损失：
根据公式分析可知，造成输气管路压力损失的原因有：管路布置不合理，输送管路主线较长，沿程阻力损失大；管径设置不合理，未根据流量情况合理匹配管径而导致沿程阻力损失大；管路连接及过渡部件选择不合理以及管路中各调质装置（如过滤器等）堵塞等而导致局部阻力损失较大。
1.2.2 需求压力损失
以气动喷嘴为例，实际使用中，为满足气动执行元件做功要求，需要系统提供一定值的供气压力，而气动喷嘴对用气压力要求较低，通常是通过在供气管道安装减压阀降低气动喷嘴的输入压力，但该方法中气体流经减压阀时将损失大量的气动功率，下面将比较压缩气体在通过减压阀之前和之后的气动功率：
其中：
Pi—减压阀入口气体气动功率，W；
Po—减压阀出口气体气动功率，W；
qi—减压阀入口体积流量，m3/s；
qo—减压阀出口体积流量，m3/s；
pi—减压阀入口压力，Pa；
po—减压阀出口压力，Pa；
pa—大气压力，Pa。
由于流入和流出减压阀的气体质量流量是相等的，则有：
因为pi>po，所以Pi>Po，即通过减压阀降低供气压力可能会造成压缩空气39%-47%的能量损失。 因以上各种压力损失的客观存以及压力控制不准确在而导致压缩空气系统供气压力高于实际使用压力，由此会造成空压机耗功增加，如图3所示。
图3 排气压力对空压机单位质量耗功及排气温度影响规律
1.3 泄漏
空气压缩系统空气泄漏主要发生在管道连接处、各用气终端等，泄漏量估算公式如下所示。
其中：ql—折算空气泄漏量，N m3/h；
p—供气压力，MPa；
d—泄漏孔径，mm。
基于以上公式分析系统泄漏对能耗损失影响如表1所示。
表1 泄漏孔径对泄漏量及能量损失影响
孔径
/mm 空气泄漏量
/ N m3/h 一年的泄漏量
/m3/年 折合耗电量
/kW·h
0.5 0.95 3783 410
1 3.77 15132 1639
2 15.07 60529 6554
4 60.29 242116 26216
1.4 空压机单机工作效率低
空压机作为压缩空气系统中核心耗能部件，其类型选择不合理及压缩空气过程管理不科学同样会导致系统能耗状况不理想。
1.5 其他
以上各因素为导致压缩空气系统能耗异常的主要原因，除此之外：系统中各附属能耗部件（例如：冷却系统、干燥器等）匹配及使用不合理可能导致部分能耗损失；后冷器热量直接排放至环境也是一种潜在的能量损失现象。
2 节能优化技术
2.1 控制策略优化
2.1.1 群控技术
通过对空压机组各单机加/卸载运行时间比例以及系统压力变化情况的有效监控能初步判断系统节能潜力，并在此基础上提出相对较优的机组群控技术以实现节能目的。
多机群控是变动性负荷和高效率能源系统的较佳解决方案，可经由各空压机的微电脑控制器进行主副机连锁控制，统一由主机下达开机指令给每一台副机，达到永远最多只有一台空压机空载运转，可以有效缩短每一台空压机的空载运行时间。良好的群控技术对节能有非常可观的贡献（15～30%），如表2对比可以验证。
表2 群控方案实施例
控制方案 空压机编号 加载/卸载时间比例 合计排气量 能耗量
单台 合计
非群控 COM1 50%/50% 250% 75% 375%
COM2 50%/50% 75%
COM 3 50%/50% 75%
COM 4 50%/50% 75%
COM 5 50%/50% 75%
群控 COM1 100%/0% 250% 100% 275%
COM2 100%/0% 100%
COM 3 50%/50% 75%
COM 4 0%/0%（OFF） 0%
COM 5 0%/0%（OFF） 0%
2.1.2 变频技术
通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较后得到偏差，经 PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值后，由变频器输出相应频率和幅值的交流电，使电动机上得 到相应的转速，于是空压机输出相应的压缩空气至储气罐，使之压力变化，直到管网压力与给定压力值相同，其压力调节效果图如图4所示。
图4 变频技术恒压控制效果图
2.2 供气压力优化
2.2.1 管路优化
为降低管路沿程压力损失可针对系统实际输气量匹配合理管径，将支路布置的管线改成环路布置，如图5和6所示；通过对管路连接元件的优化以及对沿线各阻抗元件（过滤器等）的及时维护可降低管路局部阻力损失。
图5 输气管路直线布置
图6 输气管路环状布置
2.2.2 分压供气
采用“分压供气”方式，根据气动系统所需压力分别进行供气，可以有效降低空压系统负荷，减小不必要能量浪费。
目前，实现 “分压供气”的技术方案主要有两种：1）空压机分组供气，即将一个空压机组分为几组，每组根据用气设备的需求提供不同压力的压缩空气。2）局部增压，即气源提供低压空气，局部采用增压设备进行增压为需要高压空气的设备供气。此方法可以灵活地为局部提供高压空气，局部增压又可分为气动增压、电动增压两种方式。
2.3 泄漏管理
目前，最原始的管路检漏方法为直接观察法，此种方法时依靠有经验的管道工人或经过训练的动物巡查管道。通过看、闻、听或直观感受方式来判断是否有泄漏发生。根据现有用气单位的经验，目前最佳的检漏方式为全场停产，启动空气压缩机供气至现场，使其由各泄漏点排出，再利用超音波沿管线检测出各泄漏点，当采用此种仪器进行泄漏检测时，泄漏与无泄漏处相关检测指标差异有5～10dB，可非常容易的检测出泄漏点，以上检漏技术成本相对较低，且操作方法相对简单高效，被国内各用气单位广泛采用。当然，同样存在其它较有效的检漏措施及手段，例如：管内智能爬机法、探测球法、光纤检漏法、GPS（全球定位系统）时间标签法等。以上技术在国外已经比较成熟，但成本相对较高，在国内鲜有实际应用。
2.4 空压机效率提升
采用汽缸冷却及多级压缩中间冷却的方式均可以降低压缩过程多变指数，从而降低单位质量压缩功，其中汽缸冷却方式因结构及尺寸限制所能获得的冷却效果较小，能起到实在冷却效果的一般为多级压缩的中间冷却设备。由图7中结果可知随着级数的提升，能够获得的效率提升幅度越小，实际选择时则需要综合考虑投入—回报情况。
图7 不同压缩方式对空压系统能效影响规律 2.5 其他
除上述节能技术手段外，采用余热回收技术能够最大限度地利用系统潜在热能，由此可节约一部分能量；对气动喷嘴结构形式做相应优化可有效降低用气量；对气动执行元件工作原理做相应优化可提高压缩空气能利用效率。
3 结论
本文将空压系统能耗比值影响因素归纳为以下几点：空压机单机效率、空压机组控制策略、压力损失、假性需求及附属能耗元件工作效率。在此基础上对各影响因素进行深入分析，找出压缩空气系统节能运行的关键技术点，并提出相应节能措施。在企业进行相关节能改造时，需进行详细的测试评估，在此基础上采取合适的节能优化措施，能够产生明显的节能效果，对我国节能减排工作意义重大。
基金项目
广东省科技计划项目（2011B010100026）
参考文献
[1]许未晴，蔡茂林，等.气动喷嘴节能装置的研究[J].液压与气动，2008（2）：37-40.
[2]杨涛，李雪梅.应用微机技术实现空压机的自动群控[J].计算机应用，2000，15（1）：57-63.
[3]梁启宇.多机组智能集中节能系统在螺杆空压机的节能应用[J].电力通用机械，2010，15（2）：67-69.
[4]秦宏波，胡寿根.基于系统性能分析的压缩空气系统变频技术研究和应用[J].电机与控制应用，2009，36（11）：57-60.
[5]US Department of Energy. Improving compressed air system performance[M]. US Department of Energy，2003.
[6]T E Taranto. Compressed air management， energy efficiency in compressed air systems seminar workbook[M].Data Powering.
[7]石岩，蔡茂林，王高平.气动系统分压供气与局部增压技术[J].机床与液压，2010，38（9）：57-59.
[8]白玉仙，马美玲.空压机系统节能改造[J]. 节能，2009，27（9）：52-54.
关键词 压缩空气系统；群控；压力损失；泄露
中图分类号：TH45 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）24-0053-03
2011年中国确定了单位GDP能耗要降低16%的目标。为实现上述目标，工业、建筑、交通运输、公共机构等行业和部门均制定了严格的节能目标和规划。在此宏观背景下，占据工业生产中总耗电量10%～20%的压缩空气系统不可避免的成为了节能的重点对象。压缩空气系统机械设备由于构造简单、价格便宜、易维护等特点，从20世纪70年代开始，在机械、冶金、电力电子、医药、化工、食品、采矿、纺织、交通等众多工业领域广泛应用。但是，在石油煤炭资源日益枯竭，环境和能源问题突出的今天，压缩空气系统能效低、浪费严重等问题也引起了人们的关注，压缩空气系统的节能是我国节能减排工作中较为重要的一环。
1 压缩空气系统节能运行分析
对于用户来说，压缩空气系统为一个黑箱，其最关心环节在于投入产出，即消耗一单位电能能够最终获得多少压缩空气空气供实际使用，由此引申出压缩空气系统评价指标——能耗比值：
平均输入功率
其中：
—空压机额定工况输入功率，kW。
—压损系数；
—空载系数；
—过压缩系数；
—附属耗能部件输入功率，kW。
有效空气流量
其中：
—空压机理论排气量，m3/h。
—空压机容积效率；
—假性需求系数。
综合以上分析，获得能耗比值的详细关系式为：
由上式可知，影响空压系统能耗比值的关键因素有：定工况下空压机单额定工况工作效率，即，由空压机个体结构、型式以及内部工作效率所决定；空载系数和过压缩系数，由空压机组控制策略决定，其中空载系数与空压机加/卸载时间比例有关，而过压缩系数与压力控制不精确而导致排气压力过高程度相关；假性需求系数，即，反映了压缩空气系统使用过程中泄漏量以及其他假性需求；压损系数，包括因压损元件而导致的吸/排气压力损失和因供需压力差异导致需求侧压力损失；附属耗能元件工作效率，即，反映了水泵、风机和干燥机等附属能耗元件的工作效率。
1.1 控制策略不合理
1.1.1 空载率高
空压机选型一般按照工厂最大用气量的极限工况设计，且保留10%～20%的余量。然而，实际运行中所需求的实际气量比空压机所提供的要低的多，而且用气量变化波动较大，对于一般的定速空压机，需通过加/卸载的方式来满足系统空气需求量及压力的要求，此时空压系统消耗能量计算公式如下：
其中：
E—消耗能量，kW·h；
Eval—有效能量，kW·h；
Einv—无效能量，kW·h；
C—单机加载功率，kW；
x—空载时间比例，%；
ε—控制功率系数，%；
H—运转时间，h。
由上式可知，空压机空载相当于机器空转运行，对外不输出功，但此时仍消耗一定量的电能（为加载时的50%左右）。
1.1.2 过压缩
空压机通过加、卸载等控制方式使得压缩气体的压力在pmin和pmax之间来回变化，如图1所示。其中pmin为最低压力值，即能保证压缩空气用户正常工作的最低压力。一般情况下，pmax、pmin之间的关系可以用下式来表示：
pmax=（1+δ）·pmin
其中，δ是个百分数，其数值大致在10%～25%之间。也就是说，在气压上存在15%-30%的浪费。另外，如果存在压力控制范围过大或供气侧与需求侧空气量不匹配的情况，则会出现系统长时间高压条件运行如图2所示。
图1 空压系统压力调节示意图
图2 空压系统长时间高压运行示意图
1.2 压力损失
1.2.1 供气压力损失
构成供气压力损失有两种：
沿程压力损失：
局部压力损失：
则，总压力损失：
根据公式分析可知，造成输气管路压力损失的原因有：管路布置不合理，输送管路主线较长，沿程阻力损失大；管径设置不合理，未根据流量情况合理匹配管径而导致沿程阻力损失大；管路连接及过渡部件选择不合理以及管路中各调质装置（如过滤器等）堵塞等而导致局部阻力损失较大。
1.2.2 需求压力损失
以气动喷嘴为例，实际使用中，为满足气动执行元件做功要求，需要系统提供一定值的供气压力，而气动喷嘴对用气压力要求较低，通常是通过在供气管道安装减压阀降低气动喷嘴的输入压力，但该方法中气体流经减压阀时将损失大量的气动功率，下面将比较压缩气体在通过减压阀之前和之后的气动功率：
其中：
Pi—减压阀入口气体气动功率，W；
Po—减压阀出口气体气动功率，W；
qi—减压阀入口体积流量，m3/s；
qo—减压阀出口体积流量，m3/s；
pi—减压阀入口压力，Pa；
po—减压阀出口压力，Pa；
pa—大气压力，Pa。
由于流入和流出减压阀的气体质量流量是相等的，则有：
因为pi>po，所以Pi>Po，即通过减压阀降低供气压力可能会造成压缩空气39%-47%的能量损失。 因以上各种压力损失的客观存以及压力控制不准确在而导致压缩空气系统供气压力高于实际使用压力，由此会造成空压机耗功增加，如图3所示。
图3 排气压力对空压机单位质量耗功及排气温度影响规律
1.3 泄漏
空气压缩系统空气泄漏主要发生在管道连接处、各用气终端等，泄漏量估算公式如下所示。
其中：ql—折算空气泄漏量，N m3/h；
p—供气压力，MPa；
d—泄漏孔径，mm。
基于以上公式分析系统泄漏对能耗损失影响如表1所示。
表1 泄漏孔径对泄漏量及能量损失影响
孔径
/mm 空气泄漏量
/ N m3/h 一年的泄漏量
/m3/年 折合耗电量
/kW·h
0.5 0.95 3783 410
1 3.77 15132 1639
2 15.07 60529 6554
4 60.29 242116 26216
1.4 空压机单机工作效率低
空压机作为压缩空气系统中核心耗能部件，其类型选择不合理及压缩空气过程管理不科学同样会导致系统能耗状况不理想。
1.5 其他
以上各因素为导致压缩空气系统能耗异常的主要原因，除此之外：系统中各附属能耗部件（例如：冷却系统、干燥器等）匹配及使用不合理可能导致部分能耗损失；后冷器热量直接排放至环境也是一种潜在的能量损失现象。
2 节能优化技术
2.1 控制策略优化
2.1.1 群控技术
通过对空压机组各单机加/卸载运行时间比例以及系统压力变化情况的有效监控能初步判断系统节能潜力，并在此基础上提出相对较优的机组群控技术以实现节能目的。
多机群控是变动性负荷和高效率能源系统的较佳解决方案，可经由各空压机的微电脑控制器进行主副机连锁控制，统一由主机下达开机指令给每一台副机，达到永远最多只有一台空压机空载运转，可以有效缩短每一台空压机的空载运行时间。良好的群控技术对节能有非常可观的贡献（15～30%），如表2对比可以验证。
表2 群控方案实施例
控制方案 空压机编号 加载/卸载时间比例 合计排气量 能耗量
单台 合计
非群控 COM1 50%/50% 250% 75% 375%
COM2 50%/50% 75%
COM 3 50%/50% 75%
COM 4 50%/50% 75%
COM 5 50%/50% 75%
群控 COM1 100%/0% 250% 100% 275%
COM2 100%/0% 100%
COM 3 50%/50% 75%
COM 4 0%/0%（OFF） 0%
COM 5 0%/0%（OFF） 0%
2.1.2 变频技术
通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较后得到偏差，经 PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值后，由变频器输出相应频率和幅值的交流电，使电动机上得 到相应的转速，于是空压机输出相应的压缩空气至储气罐，使之压力变化，直到管网压力与给定压力值相同，其压力调节效果图如图4所示。
图4 变频技术恒压控制效果图
2.2 供气压力优化
2.2.1 管路优化
为降低管路沿程压力损失可针对系统实际输气量匹配合理管径，将支路布置的管线改成环路布置，如图5和6所示；通过对管路连接元件的优化以及对沿线各阻抗元件（过滤器等）的及时维护可降低管路局部阻力损失。
图5 输气管路直线布置
图6 输气管路环状布置
2.2.2 分压供气
采用“分压供气”方式，根据气动系统所需压力分别进行供气，可以有效降低空压系统负荷，减小不必要能量浪费。
目前，实现 “分压供气”的技术方案主要有两种：1）空压机分组供气，即将一个空压机组分为几组，每组根据用气设备的需求提供不同压力的压缩空气。2）局部增压，即气源提供低压空气，局部采用增压设备进行增压为需要高压空气的设备供气。此方法可以灵活地为局部提供高压空气，局部增压又可分为气动增压、电动增压两种方式。
2.3 泄漏管理
目前，最原始的管路检漏方法为直接观察法，此种方法时依靠有经验的管道工人或经过训练的动物巡查管道。通过看、闻、听或直观感受方式来判断是否有泄漏发生。根据现有用气单位的经验，目前最佳的检漏方式为全场停产，启动空气压缩机供气至现场，使其由各泄漏点排出，再利用超音波沿管线检测出各泄漏点，当采用此种仪器进行泄漏检测时，泄漏与无泄漏处相关检测指标差异有5～10dB，可非常容易的检测出泄漏点，以上检漏技术成本相对较低，且操作方法相对简单高效，被国内各用气单位广泛采用。当然，同样存在其它较有效的检漏措施及手段，例如：管内智能爬机法、探测球法、光纤检漏法、GPS（全球定位系统）时间标签法等。以上技术在国外已经比较成熟，但成本相对较高，在国内鲜有实际应用。
2.4 空压机效率提升
采用汽缸冷却及多级压缩中间冷却的方式均可以降低压缩过程多变指数，从而降低单位质量压缩功，其中汽缸冷却方式因结构及尺寸限制所能获得的冷却效果较小，能起到实在冷却效果的一般为多级压缩的中间冷却设备。由图7中结果可知随着级数的提升，能够获得的效率提升幅度越小，实际选择时则需要综合考虑投入—回报情况。
图7 不同压缩方式对空压系统能效影响规律 2.5 其他
除上述节能技术手段外，采用余热回收技术能够最大限度地利用系统潜在热能，由此可节约一部分能量；对气动喷嘴结构形式做相应优化可有效降低用气量；对气动执行元件工作原理做相应优化可提高压缩空气能利用效率。
3 结论
本文将空压系统能耗比值影响因素归纳为以下几点：空压机单机效率、空压机组控制策略、压力损失、假性需求及附属能耗元件工作效率。在此基础上对各影响因素进行深入分析，找出压缩空气系统节能运行的关键技术点，并提出相应节能措施。在企业进行相关节能改造时，需进行详细的测试评估，在此基础上采取合适的节能优化措施，能够产生明显的节能效果，对我国节能减排工作意义重大。
基金项目
广东省科技计划项目（2011B010100026）
参考文献
[1]许未晴，蔡茂林，等.气动喷嘴节能装置的研究[J].液压与气动，2008（2）：37-40.
[2]杨涛，李雪梅.应用微机技术实现空压机的自动群控[J].计算机应用，2000，15（1）：57-63.
[3]梁启宇.多机组智能集中节能系统在螺杆空压机的节能应用[J].电力通用机械，2010，15（2）：67-69.
[4]秦宏波，胡寿根.基于系统性能分析的压缩空气系统变频技术研究和应用[J].电机与控制应用，2009，36（11）：57-60.
[5]US Department of Energy. Improving compressed air system performance[M]. US Department of Energy，2003.
[6]T E Taranto. Compressed air management， energy efficiency in compressed air systems seminar workbook[M].Data Powering.
[7]石岩，蔡茂林，王高平.气动系统分压供气与局部增压技术[J].机床与液压，2010，38（9）：57-59.
[8]白玉仙，马美玲.空压机系统节能改造[J]. 节能，2009，27（9）：52-54.