压缩空气系统节能设计探讨

摘要本文分析了压缩空气系统存在的设计通病和能源浪费问题，探讨了节能和热回收的措施及方案。

关键词压缩空气系统 节能分析 热回收

中图分类号：TE08文献标识码： A

一、引言

压缩空气是工业领域中应用最广泛的动力源之一，由于其具有安全、环保、调节性能好、输送方便、便于集中管理和应用、工作环境适应性好等诸多优点，使其在现代化、自动化工业领域中的应用越来越广泛。压缩空气的能源消耗在当今工业行业的总能耗中所占比例约为10%左右，空压机已成为工业生产中耗电量最多的设备之一, 改进压缩空气系统的设计和运行所节约的能耗大大超过电动机效率提高所节约的能耗。据统计，在压缩空气系统的全部成本中，运行费用（耗电量）约占总成本的84%，初投资约占总成本的7%，系统维护费用约占总成本的9%，由此可见，能源费用所占的比例是非常大的。在能源紧张，电价不断上涨的今天，压缩空气系统的节能评估改造不仅节约了能源，降低了消耗，也意味着将为企业带来新的利润空间。

二、压缩空气系统存在的问题

压缩空气系统中存在的能源浪费现象与系统本身的设计和运行管理中存在的问题是密不可分的，主要表现在以下几个方面：

1.压缩空气的泄漏损失。压缩空气系统的泄漏因为不易察觉往往被人们忽略掉，但泄漏现象却随时都会发生，只要系统存在压力，泄漏就会发生。根据美国能源部统计资料指出：管理不完善的工厂，其压缩空气泄漏量可高达30%～50%；管理完善的工厂或新建工厂可控制在10%～30%之间；压缩空气的正常泄漏量应控制在5%～10%之间。

例如，在0.7MPa的压缩空气系统中，一个直径为1mm的小孔的泄漏量为0.068m3/min，一年的折算耗电量约为3645度；一个直径为3mm的小孔的泄漏量为0.73m3/min，一年的折算耗电量约为39130度；一个直径为6mm的小孔的泄漏量为2.83m3/min，一年的折算耗电量约为15.17万度。在一个典型的工厂中,假定压缩空气泄漏量占总需求量的15%，电机服务系数为110%，功率因子为0.9，每年运行8000小时，电费为0.9元/度，管路压力为0.7MPa，工厂用气量为40m3/min，系统泄漏量为15%（6m3/min），总需气量为46m3/min，每立方压缩空气每分钟的折算消耗电功率为6.72kW，其折算成本约为6.05元/小时，则每年浪费电量约为32.3万度，电费约多支出27.9万元，可见压缩空气泄漏造成的能源浪费是巨大的。

压缩空气的泄漏通常发生在以下几种情形：自动疏水阀漏气、管线腐蚀生锈处、劣质快速接头、老旧的法兰垫片、破损的压缩空气软管，破裂的管路阀门等。系统的泄漏量不但与管件、阀门、安装等有关，同时与系统压力也存在一定关系，即压力越高，泄漏量越大。

2.系统设计不合理造成能耗提高，主要表现有：

1)高压与低压系统没有分开。例如，某工厂工艺需要压缩空气0.6MPa和1.1MPa各40m3/min，如果做成一个系统，需要选用四台160kW压缩机，如果将系统分为高压和低压两个系统，则需要选用两台110kW和两台160kW压缩机，假定电机服务系数为110%，功率因子为0.9，则总电功率多消耗约122kW，如果全年工作时间按8000小时，电费按0.9元/度计算，则单一系统较分系统总耗电量约增加97.6万度，电费约多支出87.8万元。

2)由于空压机选型过大，系统设计不当或缺少适当的运行控制系统，造成空压机长时间空载运行。而一般空压机空载功率消耗仍为满载功率的20%～45%，即空压机不提供压缩空气时也要消耗一定的电力。例如，一台200kW的空压机，当负荷率为60%，空载时间为40%，卸载时的功率消耗为满载时的40%时，按全年工作时间8000小时计算，则其一年空载浪费的电量约为22.4万度，折合电费为20.16万元。

3.由于压缩空气管路系统设计不当或后处理设备选用不当，导致管道远端压力不足，只好调高空压机排气压力，一般每调高设定压力0.1MPa，耗电量就会上升约6%～8%，管道系统泄漏量增加约8%。

4.使用低能效设备，造成能源的浪费。例如，某工厂工艺需要0.6MPa压缩空气80m3/min，如果选用一般单级压缩螺杆压缩机，需要选用两台250kW的设备，如果选用两级压缩螺杆压缩机，只需要选用两台200kW的设备即可。如果全年工作时间按8000小时，电费按0.9元/度计算，单级压缩机较两级压缩机总耗电量约增加97.6万度，电费约多支出87.8万元。再比如，对比采用一般无热再生式吸附干燥机和零气耗压缩热吸附式干燥机的系统，某工厂工艺需要0.6MPa无油压缩空气80m3/min，露点温度要求-30℃，无热再生吸附式干燥机再生耗气量约为15%，零气耗压缩热吸附式干燥机再生耗气量为零，仅消耗少量电能。对于使用无热再生吸附式干燥机的系统，压缩机安装容量需要增加80kW，则总耗电量约增加78.2万度，电费约多支出70万元。

5.缺少热回收系统。在空气压缩过程中，85%的电能转化为热能，这些废热经常被白白排掉，不但污染了环境，还浪费了大量的能源。

三、压缩空气系统的节能目标与节能措施

根据相关资料显示，2007年我国工业压缩机的耗电量约2000亿度，而工业产值高于我国的日本的工业压缩机耗电量仅为400亿度，由此可见我国能源浪费是非常严重的，节能潜力是巨大。在经过专业的、全面的压缩空气系统评估和分析后，通过改进压缩空气系统的设计和运行管理可节能约20%～50%。具体的节能措施如下：

1.施工中应严格遵守相关规范，按相关规范要求进行压力和泄漏性试验，确保将系统的泄漏量降到最低。选用质量可靠，难泄漏的阀门、管件和快速接头，尤其是疏水阀应优先采用压缩空气厂商推荐的产品，防止使用过程中发生泄漏；选用双层结构的软管，防止由于切屑、磨损、爆裂引起的管道损伤；关闭闲置的设备，减少系统泄漏；对投入运行的系统应使用泄漏检测仪定期进行检测。

2.根据工艺需求特点，空压站宜采用多台空压机联合运行，如有条件其中至少一台应为变频机型，并应设置集中控制器，根据负荷需求变化，自动调节运行台数。在各系统装设流量计，压力传感器，记录负荷和压力变化情况，根据实际情况和运行经验，控制压缩机开启台数，及时关闭长时间空载设备。

3.高压与低压系统尽量分开设置，减少系统泄漏和压缩机能耗。

4.在满足用气点工艺和使用要求的情况下，尽可能的降低供气压力。供气压力每降低0.01MPa时，功耗相应减少0.3%～0.5%，压力是针对着整个系统的，节能潜力较大。以5台300HP型空气压缩机为例，当压力下降0.01MPa时，相应功耗也会下降5.625KW，一年可节省4.5万度电。

5.根据工艺负荷需求，进行空气压缩机的选型，减少压缩机空载运行时间。

6.优先选用节能高效的设备。 110kW以上的机型，建议优先选用两级压缩的螺杆式压缩机；在中小型高压机（1.3MPa以上）领域应优先选用多级压缩活塞式压缩机；在中大型机领域（150kW以上），应优先考虑选用水冷机型，且为了保证运行稳定可靠，应优先选用闭式冷却塔。根据实际情况，空压站宜至少设置一台变频机型。在后处理方面，应尽量不使用无热再生和微热再生吸附式干燥机，应优先使用余热再生和加热再生吸附式干燥机。

7.压缩空气管道尽量采用不生锈的管材，如压缩空气专用铝制管材等。压缩空气管道尽量设计成环状管网，干管管径加大一到两号，这样可以保证供气稳定，工艺需求增加或扩建时不必改动主干管网，减少压力降，保证远端压力，降低压缩机排气压力，降低能耗。管道容量加大，在负荷变化时，可以起到缓冲和稳压的作用。但压缩空气管网规模不宜过大，管网过大，系统的压力降增大，管网系统漏损也会增大，运行效率降低。

8.对于瞬时负荷变化较大的系统应设置较大容量的储气罐并采用变频压缩机，而不是盲目增加压缩机的容量。

9.压缩空气过滤器和冷冻干燥机选型应至少加大一到两个型号，这些设备标称的容量均是在特定工况下的容量，选型时应特别注意，防止发生选型错误。

10.对于安装功率较大的压缩机，建议优先选用电机启动方式为软启动或变频启动方式的机型，以降低启动电流。

11.压缩机在工作过程中会产生大量废热，建议设置热回收装置，以减少其他能源的消耗。

四、空压机热能回收在设计中的简单应用

空压机通过强烈的压缩将原动机的部分机械能转化为气体的压力能，在生产高压气体的同时排放大量的热量。据美国能源署的一项统计显示，压缩机运行时消耗的电能中，真正用于增加空气势能的电量仅占总耗电量的15%，而其余大部分（约85%）的电能都转化为热量。压缩过程中100%的轴功率将转换成热能，而这些热能中2%转换为辐射热量，4%留在空压机内，94%为可回收热量。热能回收主要有以下几种方式：

1.用于余热再生吸附式干燥机，相对于加热再生和无热再生吸附式干燥机可以节约10%～20%的电能。

2.制备生活或工艺热水，根据工况的不同，热回收效率约为70%～90%，由于运行时间比较一致，利用率较高，减少废热排放，节能效果尤为明显。

3.作为采暖辅助热源，用于车间和办公室采暖需求，降低供热系统能耗。尤其是对于风冷型空压机，在冬季运行时可通过旁通排风管将空压机排出的热空气直接排放至空压机房或相邻房间，作为辅助采暖使用。

参考文献：

[1]蔡茂林，压缩空气系统的能耗现状及节能潜力，《中国设备工程》2009年07期。

[2]压缩空气系统节能案例，北京航空航天大学SMC节能环保中心。

[3]徐明、冯根发、徐振国主编《压缩空气站设计手册》，机械工业出版社1993年12月第1版。