压缩空气系统的节能技术

　　压缩空气系统因其元器件造价低廉、系统易维护等特点，从20世纪70年代开始在工业自动化领域的应用渐渐扩大，至今已在钢铁、石油、天然气、食品、纺织、半导体、液晶、药品、医疗、分析仪器、洗净等行业中发挥着日益重要的作用。压缩空气的应用几乎遍布每―个工厂，从小型的机加工车间，到大型的化工企业都拥有相应的压缩空气系统。

　　然而，随之带来的是压缩空气系统的能耗问题，其已成为现代工业中的主要耗能系统之一。美国等国家在压缩空气系统上的能耗占其全国工业总耗电量的9 %左右，而欧洲空压机耗电约占其工业总耗电量的10°%.在我国，2010年压缩机的耗电量高达到2700亿度，约占全国工业总用电量的8.7°%.如今，压缩空气系统普遍存在的效率低下、浪费严重等问题引起了人们的关注。无论是研究机构还是用户企业都将更多的注意力放在压缩空气系统的节能工作上。

　　本文通过介绍压缩空气的主要耗能形式，分析了节能的基本潜力点；随后介绍了国内外压缩空气系统的节能现状；同时针对当前压缩空气系统节能存在的问题，针对性地提出了四大主要节能措施，并指出我国压缩空气系统节能的前景。

　　1基本节能潜力点个工业现场典型压缩空气系统的构成如所示。其工作流程为：空气压缩机将大气压下的空气吸入后压缩并以较高的压力输出；输出的压缩空气经储气罐缓冲，并且初步除水除油后，输入到干燥机等的教学与研究工作。

　　空气净化设备中进行进一步的除水、除油等净化；之后洁净的压缩空气通过管道输送至末端用气设备，如喷枪、气缸等'因此，整个压缩空气系统可大致分为三个部分：⑴压缩空气的制造；（2）压缩空气的输送；（3）压缩空气的使用。

　　相较于煤气、天然气这种有成本需要购入后才能使用的能源，用户普遍存有压缩空气来自大气，取之不尽，用之不竭，生产、使用压缩空气是不需要成本的错误认识；而国内外的专家学者关于压缩空气系统节能运行的研究较少。由此导致了在生产工作中压缩空气能源的大量浪费，参照压缩空气系统的构成，其能源浪费主要表现为：空压机（群）的运行负载不匹配空压机系统设计或设备选型一般都遵循*大负荷条件（即100°%负荷）原则。但在实际使用中，工况都不会是满负荷运行。因此空压机的实际产气量需要匹配负载用气流量，以适应工业生产现场的运行工况要求。

　　管网配置及管理不合理主要包括泄漏以及供给压力不合理。

　　在泄漏问题上，工厂中的泄漏量通常占供气量的1030%，而管理不善的工厂甚至可能高达50%.有时一个汽车组装车间的泄漏点就有2万个，其中，泄漏量的90%以上来自设备使用中的零部件老化或破第2页损间。

　　由于管道压力损失不确定，设备启动存在流量高峰等原因，压缩机的供气压力有时比现场要求压力高出0.2~0.3MPa，浪费非常严重。

　　用气端如气枪喷嘴等低效气枪在制造加工的精修、机加工等工艺现场被广泛使用，其耗气量在某些产业领域达到总供气量的50%.通常，气枪在使用过程中存在供气管道过长、供给压力过高、用直铜管做喷嘴等问题。

　　2国内外压缩空气系统节能现状为了降低压缩空气系统的能耗，提高其工作效率，世界各国纷纷设立专项科研项目，如美国的CAC（CompressedAirChallenge）项目、澳大利亚的EEAP项目、新西兰的CAS（CompressedAirSystem）优化运行项目等。其中以美国的CAC项目*为知名，该项目1997年10月由美国能源部发起设立，它由来自于压缩空气系统硬件供应商的主要的财政及人力资源支持，其主要目的是为工厂工程师教育提供一个针对压缩空气系统节能的培训框架。CAC项目仅仅针对压缩空气系统，基于用户的投资，它整合了压缩空气系统设计、运行和评估等方面的信息，为企业提高压缩空气系统的效率提供较为全面的理论指导及建议，为美国每年节约用电约为30亿度。但由于该项目缺少具体技术手段及设备成果，其推广收益有限。

　　中国"十五"十大重点节能工程中就包含电机系统节能工程这项，另外，中国台湾财团法人中技社对压缩空气系统节能技术进行研究，指出了该系统存在的主要问题，如压力不足、压力波动过大、压缩空气泄漏、空压机卸载时间长、管路任意延伸等，提出了诊断方法，并研发了简单的压缩空气管网的监控系统。由于缺少压缩空气系统能量评价标准以及先进的控制方法，其研究成果缺少足够理论依据，控制节能效果有限，对整个压缩空气系统的节能作用有限。

　　在压缩空气系统节能的研究和实施上，日本走在世界的前列。1997年防止地球温室效应的京都协议签订以来，日本全国开始了声势浩大的节能运动，这其中也包括对压缩空气系统实施的节能活动。根据2002年日本流体动力工业会的调查，各企业实施节能后，气动能耗削减了10%30%，如以日本压缩空气系统总耗电量400亿度为基数来计算的话，就可节省用电40~120亿度。

　　3当前压缩空气系统节能存在的问题长期以来，我国制造业直是以粗放型为主的发展模式，在大多数生产企业中，压缩空气系统的效率较低，普遍存在着严重的浪费。因此，为了提高企业利润，降低能耗，很多企业纷纷开展了简单节能活动，例如管道堵漏、空压机加装变频装置等。但是，由于缺少系统化的整体节能手段与技术的支持，节能活动取得的效果十分有限。目前国内压缩空气系统节能主要面临能耗评价不合理、空压站运行不科学、供气节能管理待优化和末端设备节气待提高四个问题：目前工业现场普遍采用的压缩空气系统能量消耗指标是空气消耗量。空气消耗量不具有能量单位，不能独立于整个系统而表示各个设备能耗，因此使用该评价体系无法对气源输出端到设备使用端中间环节的能量损失进行量化，无法明确压缩空气系统内部的能量损失，压缩空气系统效率偏低的问题也就得不到根本解决。另外，世界各国在压缩空气系统能耗评价及测量上没有统一的科学的标准，从而无法引导用户优先选用能源利用效率高的压缩空气元器件和设备。

　　空压站运行不科学压缩机的合理配置及合理运行对节能非常重要。通常，很多工业现场的压缩机采用的是吸气阀调节方式，目的在于保证输出压力稳定。然而这种方式使得压缩机在没有供气的情况下也仍需消耗3070%额定功率的电力，浪费严重。为此，为削减能源浪费，目前比较有效的措施有变频调速、压缩机群台数控制等。而这些在工厂的实际生产中基本都被忽略，保证压力成为大多数工厂对压缩机管理的**要求提出了种新的压缩空气能耗评价指标：气动功率。该指标通过分析压缩空气状态变化与外界机械能转换的关系，基于焓与熵的变化，考虑了不同温度下的影响，用以表示空气相对大气环境的做功能力。该指标能直接量化气动设备的用气能耗，其表示及测量方法在2008年被日本流体动力协会采用为行业标准FPS2018：2008，已在日本企业中使用，并于2011年12月被中国国家标准委确定立项为GB国标立项项目。

　　该能量评价指标可揭示压缩空气系统各环节的能量损失，为压缩空气系统节能诊断尤其是节能率的计算奠定了理论基础，为选用能效高的气动元器件和设备提供了计算依据。

　　4.2空压机群运行优化管理对于空压站空压机群系统控制的问题，按现有的控制技术，大致分为压力控制和流量控制，下面对其做简单的介绍。

　　目前，世界上各主要的空压机制造商都开发出各自不同的空压机群控制系统。但对于通过缩小空压机系统的运行压差，降低系统的运行压力，仅有少数几家空压机制造商推出了相关产品，但其应用范围有限，对于有些压缩空气量变化较大的场合，其系统压差依然较大，不能有效地降低系统的运行压力，而且大多数控制器仅起到自动控制或顺序控制的作用，对第3页于如何使整个压缩空气系统高效可靠的运行，各空压机制造商研究甚少。

　　年底推出空压机群节能控制器ES+，该控制器采集后部压缩空气贮罐的压力，通过Profibus或是硬线连接与空压机进行通讯，根据传统逻辑选择的原则，通过压力的变化来轮换启动或停止台空压机。

　　成控制系统X81系统，就采用了硬线与空压机进行连接，通过采集后部压缩空气的压力，进而依次控制空压机的启动、加载、卸载及停机的控制技术。

　　德国凯撒空压机（Kaeser）公司在2001年推出了基于ProfibusDP通讯的西格玛空气系统控制器，其主要作用是通过监测后部压力的变化来顺序控制相应空压机的运行与停止。该控制器遵循先进先出的控制原则，并在空压机系统内配置不同大小的空压机，始末用大功率的空压机作为基载，用小功率空压机作为峰载空压机来调节用气量的变化。这样使大功率的空压机始末得到*好的利用，从而达到效率*高。

　　该控制器在欧盟与北美洲取得了很好的使用效果。

　　用的控制器为SmartAir8，该控制器可采用RS485与空压机进行通讯，通过监控后部压力的变化，轮换启动或停止系统内的空压机。该控制器实现轮换启动与控制，其主要目的是自动控制与运行。

　　曰本日立（HITACHI公司开发了台数控制器（MultirollerEX.该控制器对空压机的运转进行控制，实现空压机台数的启、停控制的功能。台数控制器每隔一定的时间计算当前*佳的运行台数，与实际的运行台数进行比较，增减空压机的运行台数。其计算压缩空气系统内*佳的运行台数原则是判断空压机群内卸载运行的空压机运行时间，当其卸载运行时间超过设定值时，台数控制器认为压缩空气系统内不需要如此多的空压机运行，因而将其停下。当监测到供气管网压力下降时，计算压力下降的速度、预测压力的到达点，在压力下降至下限值之前，提前起动空压机，以控制压力下降。空压机的启、停可以通过PLC相应数字量的ON/OFF来实现。

　　相对于以压力匹配为控制目标的空压机群控制系统，提出了基于流量控制的空压机群控制方法，即在满足工业现场生产所需压力的基础上，根据用气流量变化优化空压机群的运行组合及各空压第4页机产气负荷的分配，以提高空压机群运行效率，降低其运行能耗。

　　北京爱社时代03COSO）公司针对螺杆空压机的控制需求，对未来用气流量采用了分钟级预测方法，通过采集空压站储气罐的压力波动率来计算；针对离心空压机的控制需求，对未来用气流量采用基于支持向量机算法进行小时级预测方法。

　　针对各螺杆式空压机卸载压力恒值设定不能适应流量变化的问题，提出了*优卸载压力线的控制方法，即动态调节空压机卸载压力设定值，在设定值偏低时频繁加卸载与设定值偏高时能耗增加之间寻找平衡点；并根据用气量预测值，综合考虑空压机功率大小、产气效率、运行时间等因素，按总能耗*小目标实施专家决策，制定空压机群加卸载序列。

　　4.3供气环节节能监控管理压缩空气泄漏点的定位是气动系统节能领域的重要技术，当气体通过小孔向大气环境泄漏时，气体产生的紊流将在小孔处产生超声波，超声波沿直线传播，具有良好的指向性，通过检测压缩空气泄漏位置产生的超声波信号能够快速地定位泄漏点。

　　此外，提出了一种基于基准流量的并联接入式气体泄漏量测量方法。导入基准流量，可以消除未知容积的影响，在被测对象容积未知的条件下即可测量出管路设备的泄漏量。

　　压缩空气增压技术采用局部增压的方法，降低空压机的输出压力是压缩空气系统节能技术体系重要的组成部分，具有重要的节能效果。目前常见的压缩空气增压技术由于输出流量小、效率低，限制着其在工业现场的推广应用。为了提高压缩空气局部增压技术及装置的输出流量及效率，满足工业现场的需要，提出一种高效、大流量压缩空气增压技术，利用了驱动腔内压缩空气的膨胀能，有效地提高了增压器的输出流量计效率，能够满足工业现场的需求，具有较好的推广前景。

　　压力与流量的控制对车间进行合理精确的压力及流量供给是保证车间高效生产、减少浪费的重要手段之。管道供气节能管理单元能自动采集高、低压管道的供气压力及其溢流流量，及时有效地进行高、低压供气管网之间的压力调节与流量调度，稳定高压侧或低压侧管网的压力，保证压缩空气在各压力管网间的有效分配和利用，减少供气管网的压力波动及供气盈余所造成的浪费，对供气管网进行综合节能管理。

　　4.4末端节能用气设备气动喷嘴广泛地应用于工业自动化现场，尤其是在机械加工行业。在能源问题日益突出的今天，气动喷嘴的节能有着重要的意义。传统喷嘴是安装减压阀来降低喷嘴供气压力，减少流量，但是这种方法存在大量能量损失。为了提高喷嘴的效率，减少压缩空气的消耗，研究提出了一种将连续气流转化为矩形等不连续流量气流的装置，该装置由于不使用减压阀，可以减少减压阀部分造成的压力及能量损失，增强喷吹效果，降低空气消耗量。另外，基于科恩达原理的节能增效喷嘴、节能气幕等代替传统喷管、喷头也能取得较大的节气效果。

　　我国压缩空气系统节能的前景压缩空气系统在现代工业现场中的能耗已不容忽视，对其进行节能改造，提高其运行效率，将成为工业节能的一个重要工作。目前，我国大部分企业在压缩空气系统使用中还存在效率偏低、浪费严重、欲实施节能也无从下手和缺乏经验等问题。无论是工厂企业还是专家学者，都在不断探寻着行之有效的节能技术。北京爱社时代汩COSO）公司采取从源头到末端的节能诊断改造服务，在20余家企业的应用中，取得了节能率20%以上、每年削减了5000万度用电的节能效果，值得借鉴。

　　目前，我国空压机的耗电量已接近3 000亿度。推进压缩空气系统节能工作在全国每年可节约用电约600亿度，折合标煤2160万吨，减少二氧化碳排放5 700万吨，具有巨大的经济效益与社会效益。这对于我国工业节能事业将具有直接的贡献。