空压机系统节能方法的探讨

摘要：根据空压机系统高耗能的特点，从空压机的选型与组合、系统的控制方式、重要参数的设定、配套设备的完善、日常保养与维护以及能源回收与废热再利用等方面入手，着重探讨空压机系统节能的有效措施和方法，为空压机系统节能性改造和运行提供参考与借鉴。

关键词：空压机系统 节能 探讨

中图分类号：S210.4文献标识码：A

一、引言

空压机系统是各工矿企业的关键动能设备，同时也是主要耗能大户。目前我国正全面推进可持续发展战略，低碳、绿色、节能已成为全社会科学发展、经济创新转型的主要方向。因此，加强对重点耗能设备—空压机系统节能措施和方法的研究和探讨，是非常有必要的。

二、节能管理的方法

本文将从空压机的选型与组合、系统的控制方式、重要参数的设定、配套设备的完善、日常保养与维护以及能源回收与废热再利用等方面入手，有针对性地进行探讨和介绍。

空压机的选型与组合

1、空压机的选型：

目前市场上应用较广的空压机机型主要分三种：活塞式、螺杆式和离心式。其中活塞式空压机因供气中含油，所以不适用于食品、纺织、制药和精密仪表等行业，故在以下分析中予以剔除。下面主要针对当前空压机的主流品种螺杆式空压机和离心式空压机，进行优缺点分析与比较。

性能比较 螺杆式空压机 离心式空压机

工作机理 等容变压 等压变容

产品特性 中小功率机型价格优势较明显；但后期运行维护成本高，3-5年必须更换机头；间隙运行时极易产生故障。 75kw以下机组投资成本较高（风量越大，投资成本优势就越大）；后期维护成本低，保养简易；在正常保养下，故障率较低。

压缩级数 通常为二级压缩 通常为三级压缩，比二级压缩省6%的压缩功

供气特性 压力波动范围在5-10%或以上，用气量波动会造成排气压力的变化；气量调节只能通过部分旁通或节制进气量两种方法，泄载稳压时仍需要70-80%的全载功能，能源效率不佳。 压力波动范围可以保持在1-3%以内，具有70—100%的节流能力，甚至能超负荷供气；但在用气量波动过大的情况下，也会产生喘振等严重故障；同风量下能源效率佳。

噪声 噪音度最高，往往超过100db(A)，必须配备隔章罩。 在相同风量的各类型空压机中噪音度最低。

机械特性 一台无油螺杆机有7个齿轮，14-18个轴承，4组啮合。 一台离心式压缩机有3个齿轮，6个轴承，2组啮合，由于少二组啮合，可节约机械损耗4%左右。

制造精度 无油螺杆压缩机的齿轮加工精度一般在AGMA7级；轴承是滚动轴承。 离心式压缩机的齿轮加工精度一般都在AGMA12级；轴承是滑动轴承。

综上所述，在风量相同的基础上，选用离心式空压机在供气稳定性、设备可靠性和日常运行管理等方面有较大的优越性。特别是在能源的利用率上，要比同工况下的螺杆式空压机节能10%以上，具有较高的节能推广性。 但由于小功率离心式空压机（75kw以下的机型）制造成本较高，如仅从投资成本角度出发，螺杆式空压机还是有一定的市场空间。

2、空压机的组合：

合理的空压机组合是安全可靠供气的保证。从提高能源效率的角度考虑，空压机选择宁大勿小（即在相同的供气需求下，仅开一台大风量空压机肯定要比开几台小风量空压机节能），但是选择大型空压机也需考虑以下几个因素：

A、电力系统的限制。对于低电压（380V等级）的空压机一般配套功率尽可能不超过300kw，功率过高会造成供配电设备投入过大、电力设备安装困难，特别是大功率低电压电动机在启动时会对整个电网带来巨大冲击，甚至是严重破坏。

B、理论设计与实际需求的差距。在空压机选型中，工艺设计人员往往会在用气需量中加入过高的保险系数，有些会导致设计配套容量与实际工况有较大差距，最终导致空压机“大马拉小车”，长期处于低负荷运行，频繁产生旁流泄载或空载状态，进而造成能源浪费。笔者建议机组配置能力比在1.3-1.5较适合。

C、在节假日、设备检修、新设备调试等情况下，往往供气需求要远低于正常工况。此时大型空压机往往“英雄无用武之地”。

空压机系统的有效组合，应充分考虑实际耗气的变化波动、季节性及时间性的实际需求、近中远期的前瞻性计划估算以及大中小机型搭配的可行性等诸多因素。

系统的控制方式

选择合理有效的控制方式，是空压机系统安全、可靠、节能运行的重要保证。当前随着工业控制技术的飞速发展，新型的空压机系统控制方式也不断出现，常见的有以下几种方式：

A、变频控制技术：变频调速主要通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量，从而控制管路的压力，调节空压机的能量，具有明显的节能效果。

图一：空压机变频调速系统框架图

空压机变频控制具有以下优点：电动机可实现软起动，降低了起动电流，且起动平滑，无机械冲击，因而延长了机械设备的寿命，减少对电网的冲击；在变频调节范围内（通常为50-100%）输气压力稳定，调整可靠性高；最主要是节能效果明显，节电一般为30-40%，能给企业带了更大的经济效益。

但是采用变频技术也有一定的限制性：首先是仅适用于低电压（标准电压380V以内）、中小功率（不超过300kw的电动机）的空压机，高电压大功率空压机采用变频控制经济性较差；其次是变频技术只适用于螺杆式机组，离心式和活塞式空压机无法变频控制；另外采用变频控制的空压机价格上明显高于工频机。

B、定压节流控制：离心式空压机具有独特的节流方式，即可在75-100%范围内进行有效调节，在此范围内，能源消耗与气量成正比，且保持压缩空气系统相当稳定的压力（可控制在1-3%以内的压力波动范围），避免了加/泄载方式所产生的能源浪费和压力剧烈波动。因此在空压机系统设计时，可充分考虑离心式空压机特有的控制方式，合理利用好25%气量调节区间。

C、集中控制系统：空压机系统实现智能化集中控制，是空压站节能、高效运行的发展方向。虽然当前不同厂家提供的集控系统各不相同，但其核心部分主要包括以下几部分内容：

①典型的三层控制结构：设备就地控制与信号采集、站房集中控制以及用户远程监控（扩展功能）。PLC装置为控制系统的核心，与计算机保持通讯，并完成与现场空压机系统实现MODBUS-RTU网络之间的数据采集和交换。

②集中控制系统的运行模式主要包括单机远程手动操作和主控PLC自动联锁运行二种。前者作业人员在控制室实时监控系统运行数据，并通过计算机对现场设备进行启/停操作、设备运行参数的设定和设备运行模式的选择，设备之间不具连锁关系。后者则可通过集中控制系统实现供气恒压控制、设备次序启动控制、设备联动控制和故障处理等功能。

③计算机远程控制应具备参数实时采集、远程监控调整、趋势动态显示、大容量数据贮存、自动报警提示、历史报表生成以及友好人机界面等功能。

通过智能化集中控制，空压机系统不仅可实现无人值守，而且能根据实际需求，合理调节系统内空压机及其配套设备的运行状态，最大程度地实现整体化节能运行。

综上所述，空压机系统最佳的控制方式是在合理配置变频螺杆机和定压节流离心机组合的基础上，通过集中控制的方式将整个空压站构建成一个智能化、无人值守的供气系统。

合理设定工作压力

在空压机系统的运行中，确定合理的供气压力是提高系统经济性、有效降低能耗的一项重要举措。我们可以从空压机的性能曲线图上进行分析：

上图反映了空压机供气压力P、耗电量W随空气流量Q的变化关系。图中反映出：当供气压力由P2降为P1后，空气流量由Q2提高至Q1，而空压机的耗电量却随供气压力降低而降低，由W2减少至W1。此时既达到了节能的目的，增加的空气量还有利于提高设备的工作效率，所以工作点A的经济性比工作点B好。因此，在压缩机运行中要尽量使工作点趋近A点。

基于上述原理，空压机的耗电量与供气压力高低成正比，供气压力降低可以显著节约电能。在空压机系统实际运行中，应根据终端生产设备的最低供气压力要求，加上管路的沿程和局部压损，再结合气源干燥净化装置的压降，合理设定空压机的供气压力范围。

设备的节能控制

目前许多研究论文在谈到空压机系统节能，一般都把目光集中在空压机主机部分，但本文特别提出，空压机系统设备的节能潜力也不容低估，值得我们去关注和开发。

1、循环冷却水泵：

水泵耗电一般占到空压站总耗电量的5-8%。对于连续运行工况，冷却水泵也必须24小时不间断工作，因此合理控制水泵的能耗也是非常有必要的。主要方法有：

A、采用恒压变频控制方式。根据空压机对冷却水的压力及流量要求，摸索出一个经济性的供水压力，然后通过设置PLC、变频器和压力信号采集设备，将冷却水泵构成一个恒压自动控制组合，通过调整电动机转速来平衡水压，从而达到节能效果。

B、空压机冷却水管路增设联机自动通断电动阀。在空压机冷却水进出水管路上，加装通断电动阀，其控制与空压机的启停进行联动，最好将控制命令并入空压机内部控制程序中进行联锁。这样当用气量减少，某台空压机自动关停时，其相应地冷却水电动阀也会延时切断，从而可减少冷却水的流量，进而降低冷却水泵的运行负荷，通过变频器的调节，可实现水泵的节能。

C、水泵的合理选型。目前节能型水泵不断地开发应用，在选择水泵时，可优先考虑直联式结构的水泵，即离心叶轮与电机为同轴安装，这样不仅可减少二轴式水泵联轴器连接造成了能效损耗，而且还可降低水泵运行噪声和振动，提高水泵的寿命与可靠性。与此同时，在配套电动机的选择上，也应该选择能效高的产品，如Y、YX系列异步电动机等。

2、冷却塔：

一直以来，冷却塔因电耗较小而易被忽视。但在某些季节，冷却塔通常是24小时连续工作。而在实际运行中，由于季节、气候、工作负载等因素影响，冷却塔经常会处于低热负荷运行状态，存在低效或无效耗电问题。为此我们可通过采用对冷却塔风机变频调速控制、利用冷却水的出水温度自动控制冷却塔风机的启停，以及选择或合理改造原有电动冷却塔为水动风机无填料冷却塔等技术手段来降低能源的消耗。

3、空气干燥机：

当前市场上压缩空气干燥机应用最多的有冷冻式和吸附式二种，其干燥程度一般用压力露点来表示，露点越低代表压缩空气越干燥。冷冻式干燥机的最低压力露点温度可达+4℃左右，消耗的功率大约是空压机的1.5%。吸附式干燥机的压力露点通常可达-40℃，总消耗功率最高可达空压机的15%。因此如果企业生产中对压缩空气的露点温度没有太高的要求，应首选冷冻式干燥机（注：冷冻式干燥机大多采用风冷结构，在夏季高温时段要格外注意通风降温，否则会因环境温度过高而产生故障或保护停机）。而对于大多数机械、化工、纺织、食品等行业，都对压缩空气含水率有较高的要求，因此不得不选用吸附式干燥机。吸附式干燥机根据再生方式的不同，可分为无热再生吸附、微热再生吸附和余热再生吸附等结构。其中，无热再生吸附方式完全是依靠潮湿空气的向外排放来实现吸附剂再生，因此耗气量最大，一般为设备处理量的12%；微热再生吸附则配备了专用加热器对水份进行加热后，再通过干燥空气排入大气，其运行时耗气量为设备处理量的7%；余热再生吸附是依靠空压机排出的高温气体的热量，直接加热再生干燥剂，它避免了无热再生方式耗气量大的缺陷，同时也克服了微热再生耗电量大的弊端，其再生耗气量仅为2-3%，因此能源利用率较高，建议可重点考虑。

日常保养与维护

对空压机系统进行正确及时的保养与维护，是确保整个系统高效、节能运行的关键所在。

1、定期对冷却器进行清洗。空压机中、后冷却器和油冷却器，长时间高温运行，且冷却水中会带有一定的杂质和细菌，因此换热器表面极易形成水垢，这就会严重影响空压机的换热效率。空压机温度每上升1℃，产气量就下降0.5%。因此换热效率变差，不仅会带来设备安全隐患，而且会加剧能源的无效损耗。因此必须定期对各冷却器进行清洗，常规的可采用化学清洗或拆卸机械清洗。清洗周期可根据冷却水质情况，确定为每半年或一年进行一次。

2、吸气过滤器需及时清理或更换。在空气质量不好的环境下，空压机的吸气过滤器会因长期吸入粉尘或油气而堵塞，从而造成进风量不足或进气压力上升。进风量不足会造成排气量下降，导致必须增加开机数来确保供气负荷。而进气压力每上升1PSI，空压机功率就要增加4%，严重时会直接造成吸风阻力过大而停机。所以对吸气过滤器加强日常的保养或检修，是非常有必要的。

3、加强冷却水的水质处理。由于空压机的冷却循环水一般均为开式系统，含盐浓度较高的冷却水易在冷却器换热表面形成致密水垢。检测数据表明，当换热界面出现0.6mm水垢时，要保持同样的换热效果，需增加10%的能耗。空压机冷却系统采取水质处理，对于空压机的稳定运行和能源节约有着非常重要的作用。当前常见的水质处理方法，有PH值调节、软化水处理、电子静电场处理、磁化处理和人工/自动加药设备对系统实行加药等。笔者认为采用传统的化学水处理方法是一种比较稳妥可行的方法。与此同时为了使水质维持在一定范围，建议采用自动加药和浓缩管理系统，并将循环冷却水的浓缩倍数控制在3-4左右。这样即能保证防腐阻垢，又能减少水资源的排放。

能源回收与废热再利用

目前空压机的能源回收与废热再利用是一项节能降耗的发展方向。该项技术是利用热能转换的原理，把空压机散发的热量回收利用转换到水里，水吸收了热量后，水温升高。通过热交换，不仅使空压机组的运行温度降低，提高了空压机的运行效率，而且产生的热水可用于员工洗澡、办公室及生产车间采暖及其他需要使用热水的场合。这种节能方式，使能源得到了综合利用，是一种值得推广的节能方式。

三、结束语

要切实提高空压机系统的整体能源利用效率，必须从各个角度入手，在设备的选型配置、日常的运行管理、有效的控制方式和新技术的引入应用等诸多方面，全面考虑、综合分析、有效利用，确保在供气可靠和能源节约上寻求契合点，发挥出空压机系统的最大效能，为企业的可持续发展带来显著的社会效益和经济效益。

参考文献：

《动力工程师手册》 动力工程师手册编辑委员会机械工业出版社 1999.7