影响空压机能耗利用的关键因素分析

袁开宇，陈　藜，王　翠，张　亮（江西洪都航空工业集团有限责任公司，江西南昌　３３００９５）

［摘　要］：为了提高工业压缩空气系统能耗利用率，必须要找到影响工业压缩空气系统关键能耗的因素。本文通过对压缩空气的合理选择管路、管路压降损耗、及时地封堵漏气小孔、用气设备压力要求以及降低空压机进气温度等方面进行了深入研究和分析。通过对空压系统的分析，得出不同因素对空压机系统能耗的影响规律。说明了系统全面的分析对于正确选择压缩空气系统的优化技术的重要性。

［关键词］：空压机；能耗影响；管道；压降损耗；温度中图分类号：ＴＨ４５　　文献标志码：Ｂ文章编号：１００６－２９７１（２０２３）０２－００５３－０４
１　引言

空压机是一种广泛运用在机械制造中的设备，其工作原理是：吸入周围的自然空气，驱动电机启动后，经三角胶带带动压缩机的转动，通过曲柄连轴机构把原动机械能转化为气压内能。即转化为活塞在气缸内座做往复运动，从而推进装置的工作。压缩空气目前已被广泛应用于制造业、纺织业、医疗卫生等现代化的行业中，但其能耗利用率越来越受到各行各业的关注。根据理论数据计算，空压机只能利用所消耗的能源中不到２０％的能量，８０％多的能量都散失掉了。近年来，随着我国对能源利用率的重视，政府提出低碳环保的生产方式，各类企业也主动响应号召，探索节能降耗的方法。目前，压缩空气系统的主流新兴节能技术包括：稳定压力、集中控制、回收余热和存储控制等。但每个压缩空气系统都具有自己的特点和优劣点，并且每种节能技术也都有相对适用的条件。只有对整个压缩空气系统的动静态性能进行全面地测试和分析之后，才能知道系统是否存在优化空间以及利用哪一种或几种节能技术来进行系统的优化。
２　压缩空气系统性能

２.１　系统构成：空压系统一般由：空压机本体、附属设备（干燥机、冷却塔等）、管路及末端设备、电气控制系统等构成。

２.２　空压机本体的构成：空压机本体一般由气路循环系统、油路循环系统、水循环系统及配电系统等部分组成。在启动空压机之前，首先要对油泵进行全面的检查和启动操作，提前启动油泵控制系统，启动后保证空压机各润滑部件润滑性能的良好。与此同时，油泵控制系统的油压和油温可通过内部设置的温控调节阀来调节，以满足系统的供给要求，避免由于机器的润滑性较低而减缓了机器运作的速率。当压缩机工作时，自然空气通常先通过自洁式过滤器，然后空气经过进口导叶自动调节后进入压缩机，再经油气分离器和冷却器后，排入主压缩空气管道。而在水路循环系统中，冷却水通过水路管道进入空压机的中间冷却器对一级压缩排出的压缩空气进行冷却降温，然后进入后冷却器对排气进行冷却。这样使冷却水分成了两路：一路冷却水进入水管道经过主电机上部的两组换热器进行冷却；还有一路进入油冷却器进行冷却。每个通道的冷却水都应该对主电机上的换热冷却器起到降温的效果，避免温度过高引发短路。作为一个高压电机系统，空压机采用直接启动的方式，这种启动方式具有转矩较大、启动时间较短的优良特点。控制柜在空压机上很好的起到了控制、保护和检测的作用。因为直流电具有自动稳流、稳压、调压的功能；另外它能够输出电源，给中央信号屏和高压控制体系做好电源供应保障。因此，空压机采用直流电流供给是一种非常合适的方式。

２.３　空压机生命周期成本分析：设备都是有周期的。空压机生命周期是指一台空压机从设备采购、安装、维护管理一直到失去价值；或是因为老化、故障增加、维护成本增加以及经济价值降低报废停止使用期间，用户所有的支出成本我们称之为生命周期成本。根据统计数据显示：大多数用户支出的成本组成中，设备初期投资占１５％，使用维护、管理成本占１５％，而能源消耗的比重高达７０％。但是通过合适的措施对压缩空气进行优化可节能２０％ 以上，甚至有可能达到５０％的节能率。因此对压缩空气系统进行合理的优化和管理，不但可以节约能源，还可以提高产品的质量，减少维护开支，增加劳动生产效率。对于日常使用来说，满足使用要求下的降压运行，管道泄漏排查与补漏都可以是优化的方向。
３　对比多种因素对空压机能耗影响的效果

某工厂有２台排气量为５５ｍ^３／ｍｉｎ，功率为３１５ｋＷ的空压机，某地工业用电电价是１.３０５元／ｋＷ·ｈ。在日８ｈ工作中使用一天所正常消耗的能耗理论值是５０４０ｋＷ，电费花销约为６５７７.２元。现在本文通过对合理的选择管路、定时排查捡漏和合理选择开启压力等多方面节能因素进行对比，并且找出一定的规律。

３.１　合理选择管路与管路的压降损耗

关于选择合理的管路，谢英等人通过对压缩空气管道能耗的理论计算和实际工况的对比，发现相对误差在１０％之内，满足工程允许范围。刘爽等人提出对于集中供应且供应距离较长的空压站，应该在满足压力、流量等供应条件下，考虑经济性较好的方案。某工厂的压缩空气从动力站的出气压力是７.５ｂａｒ，经过１００ｍ的管道输送到Ｇ厂房。根据设计的合理性，一个压缩空气系统，从空压机出口点到用气点的压降不应超过空压机排气压力的１０％。在本文条件下即不大于０７５ｂａｒ。根据压缩空气管路压降损耗公式

 

由式（１）可知，当敷设管道选择Ｄｎ８０时，理论压降为１.７５ｂａｒ；当敷设管道选择Ｄｎ１００时，理论压降为０.５７ｂａｒ，此为合理选择；当敷设管道选择Ｄｎ１２５时，理论压降为０.１８ｂａｒ，虽远小于临界标准０.７５ｂａｒ，但是考虑到成本因素，还是选择敷设Ｄｎ１００的压缩空气管道为宜。在本文案例的条件下，压缩空气沿途损失为０.５７ｂａｒ，根据１ＰＳＩ＝０.００６８９５ＭＰａ的压力差，相当给压缩空气提供的功率０.５％的附加功率。在本文工况条件下约等于增加４.１３％的附加功率，电机效率为０.９。根据公式那么在一天的时间内，压缩空气沿途损失电量理论值为１８７.３３ｋＷ·ｈ。３.２　系统中压缩空气的泄漏压

缩空气系统中，空气直接泄漏到空压机之外称为外泄漏。外泄漏可直接降低排气量并增大做功的消耗。压缩空气泄漏也是能源浪费中较为常见且耗能量较大的一种。据统计，平均占浪费空压机产气量的２５％左右。通过采用合理的泄漏检测程序和维护，泄漏率可以将低到１０％以下。空气管道漏气可通过以下几种检测方法：首先可以采取耳听。一般压缩空气管道漏气会有“丝丝”的声音，即可以判断为漏气；其次是涂抹法。把肥皂水抹在气瓶检漏处，若有气泡冒出，则能判定为漏气。此法使用较普遍、准确；最后是气球膨胀法。用软胶管套在气瓶的出气嘴上，另一端连接气球。若气球膨胀，则说明有漏气现象。当在一天的时间内，空压机提供７.５ｂａｒ的压缩空气，表１反应出不同大小的漏气孔，在每天八小时工作日时，产生的漏气量。表２反应出在本文条件下，不同大小的漏气孔因管道泄漏而损失的电量：由表２可以看出，在压力不变的条件下，小孔漏气消耗的功率接近于指数增长。

３.３　降低空压机进气温度

一般空压站内部温度都高于室外，可以考虑室外采气。做好设备维护清洁，增加空压机散热效果，水冷、空冷等媒介交换效果，保持油质等等，这些都能减少能源损耗。根据蔡茂林等人的研究发现空压机吸气温度每降低１℃，耗电量可以减少０.２９％。任金鑫等人通过空压机采用组合式空调进行降温预处理，发现在夏季平均工况下平均吸气温度可以降低１５.４１℃。陈倩倩等人发现空压机预处理的临界温度在２９.９℃，在此温度之上进行预处理效果明显。对进气空气预处理的方式有很多种，可以过一根管道连接空压机与冷风源。冷风源既可以是空调房间里的冷气，也可以是脱湿机的出气管排出的空气，还可以是其他冷气。在某工厂中，环境的大气压力是１.０１２·１０５Ｐａ，环境温度是２５℃，排气压力是７.５ｂａｒ，压缩机工作时，机头附近升温５℃，损耗压力２.５·１０３Ｐａ。根据空压机理论排气量公式Ｑ＝Ｖ·ｐ·Ｔ·Ｉ·Ｖｈ·ｎ （３）式中　Ｖ———容积系数ｐ———压力系数，ｐ＝ｐａ／ｐ１ｐａ———吸气结束时候的压力ｐ１———大气压力１.０１２×１０５ＰａＴ———温度系数，Ｔ＝Ｔ１／ＴａＴａ———吸气结束时候的温度Ｔ１———环境温度２５℃Ｉ———泄漏系数，一般取０.９２Ｖｈ———气缸每个工作循环的工作容积ｎ———机器的转速根据空压机轴功率率公式Ｎ＝ｎ／ηｍ                    （４）将上述公式（３）和公式（４）代入公式Ｗ＝Ｎ／Ｑ （５）式中　Ｗ———比功率，ｋＷ／（ｍ３／ｍｉｎ）           Ｎ———轴功率，ｋＷ           Ｑ———排气流量，ｍ３／ｔ从公式（５） 我们可以看出，对于同一台空压机，在相同温度下，该空压机的比功率只和空压机最后吸气时候的压强和温度有关系。得出压强和温度的关系Ｗ＝０.０２０３×１０５×Ｔａ／ｐａ （６）当环境温度２５℃空气，在一个工作日之内，消耗的电量：最终吸气温度Ｔ′：２５℃ ＋１０℃ ＋２７２＝３０７Ｋ；最终压力ｐ′：１.０１２×１０５－２.５×１０３＝０.９８５×１０５Ｐａ空压机的比功率η′：Ｗ１ ＝０.０２０３×１０５ ×３０７／０.９８５×１０５＝６.３２７ｋＷ／（ｍ３／ｍｉｎ）空压机一个工作日消耗的电量Ｑ′：６.３２７ｋＷ／（ｍ３／ｍｉｎ）×１１０（ｍ３／ｍｉｎ）×８ｈ＝５５６７.７６ｋＷ而当空气通过冷风源后，空气温度下降至２０℃，在一个工作日之内，消耗的电量：最终吸气温度Ｔ″：２０℃ ＋１０℃ ＋２７２＝３０２Ｋ最终压力ｐ″：１.０１２×１０５－２.５×１０３＝０.９８５×１０５Ｐａ；空压机的比功率η″：Ｗ１ ＝０.０２０３×１０５ ×３０２／０.９８５×１０５＝６.２２３ｋＷ／（ｍ３／ｍｉｎ）；空压机一个工作日消耗的电量Ｑ″：６.２２３ｋＷ／（ｍ３／ｍｉｎ）×１１０（ｍ３／ｍｉｎ）×８ｈ＝５４７６.２４ｋＷ通过比对发现，通过冷风源的空气比直接进入压缩机在一天内节约９１ｋＷ·ｈ。
４　影响空压机能耗的关键因素分析

本文根据对选择合理的压缩空气管路、定时排查捡漏和降低空压机进气温度单独进行了分析。下面通过全盘的比较，直观的把能影响空压机能耗的关键因素进行了全面的对比。当以一天８小时工作时间为研究时长，在本文机组、环境温度的情况下，能耗的消耗对比情况如下：管路的压降损耗为ｙ１＝１８７.３３ｋＷ·ｔ （７）小孔泄漏损耗为ｙ２＝（３.４２ｘ２－００８４ｘ＋００５）ｋＷ·ｔ （８）降低空压机进气温度降低损耗为ｙ３＝９１ｋＷ·ｔ （９）ｔ是工作时长，按照天为计算单位。由上述表达式可知，漏气的损耗和漏气孔径的大小有关系。根据ｅｘｃｅｌ函数公式，得出小孔泄漏损耗和小孔的孔径大小的关系函数式，如图２。当小孔径直径小于５ｍｍ时，压降的损耗为ｙ２＜ｙ３ ＜ｙ１；当小孔直径小于７ｍｍ，同时又大于５ｍｍ时，压降的损耗为ｙ３＜ｙ２＜ｙ１；当小孔直径大于８ｍｍ时，压降的损耗为ｙ３＜ｙ１＜ｙ２。在一般情况下，空气管漏气孔很难出现一个８ｍｍ以上的大漏气孔。现在本文按照漏气小孔直径为３ｍｍ进行计算，得出如图３。
即在一般情况下，管道损耗的能量大于降低进气温度损耗的能量，进气温度损耗的能量大于管路漏气损耗的能量。

５　结论　　本文根据研究压缩空气管路以及压降损耗、漏气小孔和降低空压机进气温度对空压机能耗的影响，并且进行了分析与对比，对数据分析得出以下结论：

（１）在一般条件下，压降损耗占整个空压机运行能耗的４％左右。压降损耗随着压缩空气管道的管径增大而减小。但一味的增加管径，也会增加敷设成本；

（２）小孔泄漏损耗与小孔大小成正相关；

（３）降低空压机的机头进气温度，有利于降低能耗。进气温度降低５℃，能耗约降低１.８％；并且在２９℃以上的环境温度中更为明显。