摘   要：壓縮空氣是工業(yè)企業(yè)、科研院所廣泛應(yīng)用的能源。針對現(xiàn)代化動(dòng)力設(shè)施建設(shè)需要，立足目前空氣壓縮機(jī)設(shè)備現(xiàn)狀，對空氣壓縮機(jī)設(shè)備進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)與優(yōu)化整合。提出了可行性節(jié)能運(yùn)行方案，進(jìn)一步改善了現(xiàn)有動(dòng)能運(yùn)行生產(chǎn)方式。

關(guān)鍵詞：壓縮空氣；節(jié)能；壓縮機(jī)

1  空氣壓縮機(jī)介紹

目前主流空氣壓縮機(jī)主要有 3 種：離心式空壓機(jī)、螺桿式空壓機(jī)、活塞式空壓機(jī)。

1.1 離心式空壓機(jī)

離心式空壓機(jī)是由葉輪帶動(dòng)氣體做高速旋轉(zhuǎn)，使空氣產(chǎn)生離心力，由于空氣經(jīng)過葉輪的加壓作用，從而使空氣的流速和壓力得到提高，連續(xù)地生產(chǎn)出壓縮空氣。

離心式空氣壓縮機(jī)特點(diǎn)有：①設(shè)備運(yùn)行平衡，運(yùn)轉(zhuǎn)率高，操作安全，無摩擦件，后期維護(hù)費(fèi)用少。②離心式壓縮機(jī)可實(shí)現(xiàn)無油壓縮。③設(shè)備產(chǎn)氣量大，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，占地面積小。④離心式壓縮機(jī)不適用于氣量小場合，壓比也不能太高。⑤離心式壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行工況比較窄， 且氣量的調(diào)節(jié)不經(jīng)濟(jì)。

1.2 螺桿式空壓機(jī)

螺桿式空壓機(jī)機(jī)頭核心部件是成對的互相嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子，每對轉(zhuǎn)子互相反向旋轉(zhuǎn)，達(dá)到壓縮空氣的效果。

螺桿式空壓機(jī)的特點(diǎn)是：①操作簡便。螺桿式空壓機(jī)自動(dòng)化程度高，對操作者要求不高，易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和無人值守運(yùn)轉(zhuǎn)。②運(yùn)行穩(wěn)定。螺桿式空壓機(jī)零部件少，維護(hù)簡單，沒有易損部件，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，使用壽命長。③適用性強(qiáng)。螺桿式空壓機(jī)是強(qiáng)制輸氣，因此容積流量不受排氣壓力影響，能夠適用各種不同的工況，并保持高效運(yùn)行。④動(dòng)平衡好。螺桿式空壓機(jī)無不平衡慣性力，設(shè)備高速運(yùn)行平穩(wěn)，對設(shè)備基礎(chǔ)要求不高。

1.3 活塞式壓縮機(jī)

活塞式壓縮機(jī)的核心部件是由氣缸、 進(jìn)排氣閥以及在氣缸中重復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞構(gòu)成的。曲軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)工作，完成吸氣、壓縮和排氣的過程?；钊綁嚎s機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：①適用壓力范圍廣，活塞式壓縮機(jī)可設(shè)計(jì)成不同壓力下工作，特別在高壓或者超高壓范圍內(nèi)是其他壓縮機(jī)無法取代的。②壓縮效率較高，活塞式壓縮機(jī)壓縮氣體的過程屬封閉系統(tǒng)，其壓縮效率較高。③適應(yīng)性強(qiáng)，活塞式壓縮機(jī)排氣量范圍較廣， 而且氣體密度對壓縮機(jī)性能的影響不如速度式壓縮機(jī)那樣顯著， 同一規(guī)格的活塞式壓縮機(jī)往往只要稍加改造就可以適用于壓縮其他的氣體介質(zhì)。④氣體帶油污，尤其對于有油潤滑更為顯著。⑤排氣不連續(xù)，氣體壓力有波動(dòng)，有可能造成氣流脈動(dòng)共振。⑥易損件較多，維修量較大。

2  壓縮空氣需求分析

壓縮空氣需求牽扯多方面因素，如何高效合理滿足生產(chǎn)需求，這里主要從流量、壓力和濕度等方面進(jìn)行分析。

2.1 流量

理想的運(yùn)行情況，生產(chǎn)與消耗相互匹配，壓縮空氣量既滿足需要，又不產(chǎn)生浪費(fèi)。但實(shí)際運(yùn)行中，為了滿足生產(chǎn)運(yùn)行波動(dòng)情況，壓縮機(jī)流量會(huì)過大，用戶無法使用過量的壓縮空氣，設(shè)備進(jìn)行減荷運(yùn)行，此時(shí)設(shè)備為空載或半空載，能量被直接消耗，做無用功。

2.2 壓力

空氣壓縮機(jī)的排氣壓力每增減 0.1 MPa 會(huì)使能耗增減6％。為此，排氣壓力一定要根據(jù)實(shí)際需要合理選擇，不能留出太多的壓損余量。另外，氣動(dòng)設(shè)備的壓縮空氣消耗量與壓力高

低也成正比關(guān)系，合理地降低壓力能減少不必要的壓縮空氣消耗。

2.3 濕度

由于大多數(shù)的設(shè)備對壓縮空氣中的含水量有要求，壓縮空氣一般都會(huì)進(jìn)行干燥處理去除冷凝水。壓縮空氣的干燥程度通常用壓力露點(diǎn)溫度衡量，壓力露點(diǎn)溫度越低說明壓縮空氣越干燥，相應(yīng)的也會(huì)消耗更多的能源。冷凍式干燥機(jī)壓力露點(diǎn)溫度一般為 2 ℃～5 ℃， 消耗的能耗大約是空氣壓縮機(jī)的1.5％。吸附式干燥機(jī)的壓力露點(diǎn)溫度可以達(dá)到-50 ℃，消耗的能耗相應(yīng)的高達(dá)空壓機(jī)的 10%～15％。

2.4 潤滑

空氣壓縮機(jī)在工作的過程中， 以空氣是否與潤滑油的混合來分類，可分成有油式和無油式 2 大類。潤滑油的參與顯著提升空壓機(jī)的容積效率。因此，從節(jié)能的角度分析，有油式空壓機(jī)的能效大大高于無油式空壓機(jī)。而更重要的是，無油機(jī)整機(jī)價(jià)格上比油潤滑設(shè)備貴 1 倍。除氧壓機(jī)等特殊要求的工作情況，壓縮機(jī)選擇均應(yīng)選擇有油潤滑設(shè)備，匹配相應(yīng)的后處理設(shè)備，來滿足氣源用戶的需要。

3   空氣壓縮機(jī)及后處理設(shè)備選型

3.1 壓縮機(jī)類型選擇

低壓壓縮空氣（1.6 MPa 以下）的生產(chǎn)：當(dāng)壓縮空氣使用量穩(wěn)定且≥100 m3/min 時(shí)，建議使用離心壓縮機(jī)，當(dāng)壓縮空氣量不是持續(xù)供應(yīng)或者壓縮空氣使用量＜100 m3/min 時(shí)， 建議使用螺桿式壓縮機(jī)。原因是離心壓縮機(jī)大流量穩(wěn)定運(yùn)行，能耗低，維護(hù)簡單。但是如果用戶能耗變化時(shí)，離心壓縮機(jī)容易發(fā)生喘震及氣窒現(xiàn)象，影響設(shè)備正常工作。啟停機(jī)復(fù)雜，不能滿足使用。而螺桿壓縮機(jī)便于進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，更加靈活。

中壓壓縮機(jī)，選擇比較多樣。由于技術(shù)的不斷進(jìn)步，螺桿壓縮機(jī)已經(jīng)能達(dá)到 4 MPa，因此在中壓領(lǐng)域 1.6 MPa～4 MPa，可以根據(jù)需要選用螺桿壓縮機(jī)、活塞式壓縮機(jī)，以及螺桿—活塞組合壓縮機(jī)。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，建議優(yōu)先選擇螺桿壓縮機(jī)，從而降低運(yùn)行成本。

高壓壓縮空氣（4 MPa 以上）的生產(chǎn)應(yīng)采用活塞式壓縮機(jī)進(jìn)行。建議使用低壓螺桿機(jī)生產(chǎn)低壓空氣，進(jìn)行活塞機(jī)二次加壓，得到高壓壓縮空氣，從而降低活塞機(jī)備件成本。

3.2 后處理類型選擇

干燥機(jī)選擇：冷干機(jī)能夠使壓力露點(diǎn)達(dá)到 3 ℃～5 ℃，滿足一般性需求。優(yōu)點(diǎn)是能耗低，處理后壓縮空氣潔凈度高。吸附式干燥機(jī)能使壓力露點(diǎn)達(dá)到-40 ℃甚至更低，滿足更苛刻的干燥需要，但是相應(yīng)的能耗高。由于干燥劑的原因，潔凈度受到影響。需要指出的是， 吸附式干燥機(jī)需要消耗部分壓縮空氣（無熱吸干機(jī)的再生耗氣量高達(dá) 12%～15%之間， 即便是微熱吸干機(jī)再生耗氣量也高達(dá) 7%～8%）， 因此選擇吸附式干燥機(jī)的用戶，壓縮機(jī)選型應(yīng)留出相應(yīng)的余量。

3.3 儲(chǔ)氣罐選擇

儲(chǔ)氣罐一般放在壓縮機(jī)與干燥器之間，其作用為：①使空氣得到預(yù)先冷卻，粗分離壓縮空氣中水分和雜質(zhì)，減輕后處理設(shè)備的工作負(fù)荷，提高設(shè)備能效，達(dá)到節(jié)能作用。②消弱活塞式空壓機(jī)往復(fù)的脈沖氣流，使氣壓穩(wěn)定，保障供應(yīng)的壓縮空氣平穩(wěn)且連續(xù)。③儲(chǔ)氣調(diào)節(jié)，平衡系統(tǒng)內(nèi)短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的耗氣量與供氣量之間的不均衡當(dāng)空壓機(jī)意外停機(jī)時(shí)，儲(chǔ)氣罐能夠作短時(shí)間的應(yīng)急氣源。④提供一個(gè)較大的系統(tǒng)容量，防止壓縮機(jī)設(shè)備頻發(fā)加卸載，提高設(shè)備壽命。

根據(jù)壓縮空氣用量，如果用氣量與壓縮機(jī)產(chǎn)出匹配時(shí)，儲(chǔ)氣罐選擇可以小些；如果壓縮空氣用量與生產(chǎn)不匹配，儲(chǔ)氣罐應(yīng)選的大些，滿足波動(dòng)時(shí)用戶需求。

儲(chǔ)氣罐容積選擇經(jīng)驗(yàn)公式：

V=10NQ/P

式中：V 為儲(chǔ)氣罐容積，m3；Q 為空氣壓縮機(jī)流量，m3/min；P為儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)氣壓力（絕對壓力），MPa；N為冗余系數(shù)，用氣平穩(wěn)取值 1， 波動(dòng)頻繁但幅度不大取值 2~3，波動(dòng)頻繁幅度大取值 4以上。

4   節(jié)能措施

針對大用風(fēng)量用戶，建設(shè)大型空氣壓縮站，滿足大規(guī)?？諝忸愒囼?yàn)的要求， 精準(zhǔn)供給。對不同用途的壓縮空氣進(jìn)行分類，旨在滿足用戶的需求又不過分消耗能源。對于分布偏遠(yuǎn)或者特殊需要的壓縮空氣 （如加工中心等精密設(shè)備需要的壓縮空氣壓力低，流量小，潔凈度高），如果從空壓站引出管道進(jìn)行專項(xiàng)輸送，造價(jià)高，壓降大，耗能多。因此針對此類設(shè)備的低壓氣源供應(yīng)，宜在設(shè)備就近安裝空氣壓縮機(jī)及后處理設(shè)備，減少沿程損耗，滿足少量壓縮空氣的需要。

4.1 通信設(shè)施

針對用氣單位與空壓站距離遠(yuǎn)，生產(chǎn)與消耗無法很好地協(xié)調(diào)匹配，因此在建設(shè)期應(yīng)建設(shè)完善的通信設(shè)備，協(xié)調(diào)匹配動(dòng)能生產(chǎn)與用戶需求，包括：流量，壓力，濕度等信息，做到精準(zhǔn)匹配，依需定支出，達(dá)到節(jié)能效果。用戶與空壓站建設(shè)信號調(diào)控及反饋信息，及時(shí)控制生產(chǎn)運(yùn)行情況。目前壓縮空氣生產(chǎn)與用戶之間通過簡單的調(diào)度，例如某天 9 時(shí)～12 時(shí)用壓縮空氣，用戶試驗(yàn)如果在 11 時(shí)完成，空壓站未收到反饋的情況下，會(huì)持續(xù)運(yùn)行 30 min 才逐步停機(jī)，此間造成能源的浪費(fèi)以一臺(tái) 300 kW 設(shè)備為例，每次多消耗 150 kWh 電能。

4.2 設(shè)備選型

壓縮機(jī)設(shè)備選型的原則， 應(yīng)在能夠滿足用戶參數(shù)需求的基礎(chǔ)上，盡量達(dá)到工頻負(fù)荷，減少因壓縮機(jī)空載后處理設(shè)備過度凈化等造成的能源浪費(fèi)。例如 3 ℃和 10 ℃的露點(diǎn)溫度極可能在使用上并沒有明顯的差異。但兩者的能耗卻相差 10 倍，干燥機(jī)的選擇一定要根據(jù)實(shí)際情況選用， 不必刻意強(qiáng)求過低的壓力露點(diǎn)溫度，因此針對用戶試驗(yàn)需求，匹配合適的壓力及干燥設(shè)備，并根據(jù)需求合理的進(jìn)行供給才能盡可能的節(jié)能。

結(jié)合工業(yè)企業(yè)用能生產(chǎn)波動(dòng)較大的實(shí)際情況，在壓縮機(jī)設(shè)備選型時(shí)，多臺(tái)同類設(shè)備并聯(lián)運(yùn)行中，宜用 1 臺(tái)變頻壓縮機(jī)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)，確保負(fù)荷變化時(shí)也能讓能源得到的高效利用。其余壓縮機(jī)設(shè)備在工頻情況下工作達(dá)到最節(jié)能運(yùn)行效果，用變頻進(jìn)行波動(dòng)調(diào)節(jié)滿足生產(chǎn)與用戶之間的匹配問題。

4.3 熱能回收

壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，壓縮空氣在進(jìn)行試驗(yàn)過程中，也經(jīng)常會(huì)被加熱處理。這就使壓縮空氣不僅攜帶壓力勢能，也攜帶大量熱能。但是在目前新航的生產(chǎn)工藝中，壓縮空氣附帶的熱能是被直接排放的。而這部分熱能的回收有很多現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用，例如：冬季采暖需要，熱表處理中清洗加熱等。

4.4 能源外包模式

探索能源外包的運(yùn)行方式，在統(tǒng)計(jì)動(dòng)能使用量的情況下，尋找整體外包的可能性，從而達(dá)到減少運(yùn)行成本、節(jié)約人力的作用。由于各單位情況不同，各類產(chǎn)品生產(chǎn)用能參差不齊，因此，在能源外包探索中應(yīng)因地制宜尋找合適本單位的能源外包模式。