【壓縮機(jī)網(wǎng)】1 石化行業(yè)高能耗現(xiàn)狀
1.1 石化行業(yè)高耗能設(shè)備現(xiàn)狀
石化行業(yè)既是能源生產(chǎn)大戶也是能源消耗大戶，石油加工過程中消耗大量能源。其中設(shè)備能耗是煉油化工裝置能耗主要組成部分。根據(jù)中國石化 2005年的統(tǒng)計(jì)，中國石化2005年加工原油14879.50萬噸，煉油綜合能耗為68.59千克標(biāo)油/噸，總能耗約合1020.58萬噸標(biāo)油，其中催化燒焦占31.29%，燃料氣占 29.73%，電耗占18.44%，蒸汽占14.96%，燃料油占4.74%，新鮮水占0.09%，其它占2.63%，外輸熱量占1.88%。從上述數(shù)據(jù)可以看出，煉油企業(yè)能耗中燃料油和燃料氣占第一位，其次是催化燒焦，電耗占第三位。由設(shè)備消耗轉(zhuǎn)化的燃料油、燃料氣、電耗、蒸汽占了67.84%。電能主要由動(dòng)設(shè)備，如泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、分離機(jī)械、制冷空調(diào)等消耗，用于輸送分離各類介質(zhì)。總的來說，設(shè)備用能占了煉油化工裝置用能的 70% 左右，提高設(shè)備及設(shè)備系統(tǒng)的能效是石化企業(yè)節(jié)能減排的主要途徑之一。
1.2 石化行業(yè)壓縮機(jī)的用能問題與差距
通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國石化行業(yè)高耗能設(shè)備與國際先進(jìn)水平相比還有一定差距，節(jié)能潛力很大，以壓縮機(jī)為例，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
（1）部分壓縮機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況
通過某石化煉油分部6000V壓縮機(jī)效率測(cè)算得出，壓縮機(jī)匹配的電機(jī)負(fù)載率平均值是77.3%，接近下限75%，有的甚至只有41%。壓縮機(jī)運(yùn)行負(fù)荷偏離設(shè)計(jì)工況，動(dòng)力負(fù)載率有待提高。
（2）工藝用壓縮機(jī)缺少能效評(píng)價(jià)方法
一般動(dòng)力空氣壓縮機(jī)，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法、能效標(biāo)準(zhǔn)齊全。但節(jié)能監(jiān)測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)系1996 年頒布實(shí)施，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)狀進(jìn)行修訂。
工藝用壓縮機(jī)缺乏能效考核標(biāo)準(zhǔn)。由于工藝用壓縮機(jī)種類繁多，型式各異，大部分功率大，難以監(jiān)測(cè)，目前還缺乏能效考核標(biāo)準(zhǔn)，掌握的能效數(shù)據(jù)少，難以判斷壓縮機(jī)性能是否高效。
（3）變負(fù)荷運(yùn)行調(diào)節(jié)急待改善
石化行業(yè)對(duì)于低負(fù)荷運(yùn)行常采用加卸載/回氣調(diào)節(jié)的方法，能耗很大，調(diào)節(jié)下來的氣量相當(dāng)于對(duì)于這部分做的功完全浪費(fèi)了。系統(tǒng)低負(fù)載運(yùn)行，還帶來壓縮空氣后處理設(shè)備低效率運(yùn)行。在匹配不完全合理情況下，系統(tǒng)的多數(shù)設(shè)備處于部分低負(fù)載的狀態(tài)，能源使用效率低下現(xiàn)象十分嚴(yán)重。因此，變負(fù)荷運(yùn)行調(diào)節(jié)亟待改善。典型的氣動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。壓縮空氣系統(tǒng)能耗的96%為工業(yè)壓縮機(jī)的耗電。我國工業(yè)壓縮機(jī)的耗電量約占全國總耗電量的6%。
石油化工企業(yè)，空壓機(jī)組上都是依靠機(jī)器原始的控制方式（自帶的上下限壓力控制），基本沒有實(shí)現(xiàn)聯(lián)控，只能查看單臺(tái)空壓機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。一般石化企業(yè)內(nèi)，壓縮空氣主要用途有設(shè)備用氣、儀表用氣和制氮三類。設(shè)備用氣在化工廠內(nèi)主要用于用氣設(shè)備，主要集中在氣動(dòng)泵、包裝機(jī)械上，其它用途如吹掃、清潔較少，供氣壓力7bar，供氣壓力偏好，存在一定的浪費(fèi)。設(shè)備用氣經(jīng)過除油、除水和塵埃之后，專供儀表用氣，供氣壓力至少4.5bar。有的企業(yè)儀表用氣壓力設(shè)為6bar～7bar，目的就是為了防止管網(wǎng)中用氣量突然變化，儀表用氣壓力瞬間降低，導(dǎo)致部分儀表無法正常工作（例如，F(xiàn)C電磁閥）。大部分企業(yè)的空壓機(jī)系統(tǒng)規(guī)劃不太合理，存在明顯浪費(fèi)。如果將化工企業(yè)的空壓機(jī)系統(tǒng)能耗降下來，將大幅減少企業(yè)的耗電量。通過氣動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能改造，完全可以實(shí)現(xiàn)20%～30%的節(jié)能。
1.3 石化行業(yè)壓縮機(jī)節(jié)能的對(duì)策與建議
綠色、清潔、低碳和循環(huán)經(jīng)濟(jì)將成為新的生產(chǎn)方式和發(fā)展方式的主導(dǎo)力量。2009年10月26日，國務(wù)院正式對(duì)外宣布控制溫室氣體排放的行動(dòng)目標(biāo)，決定到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)值二氧化碳排放Lk2005年下降40%～45%。石化企業(yè)無論從企業(yè)經(jīng)營還是社會(huì)責(zé)任角度出發(fā)，均面臨極大地節(jié)能減排壓力，走節(jié)能環(huán)保、低碳發(fā)展之路是石化企業(yè)的基本要求。對(duì)石化行業(yè)壓縮機(jī)節(jié)能的對(duì)策及建議如下：
（1）企業(yè)應(yīng)提高節(jié)能意識(shí)
壓縮機(jī)是石化行業(yè)能源消耗大戶，節(jié)能減排大有潛力可挖。生產(chǎn)單位應(yīng)提高認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)節(jié)能意識(shí)。
（2）制定壓縮機(jī)性能評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)方法
調(diào)研中，發(fā)現(xiàn)缺少壓縮機(jī)性能評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)方法。制造單位無法對(duì)生產(chǎn)的壓縮機(jī)進(jìn)行性能監(jiān)測(cè)，用戶使用時(shí)也無法對(duì)壓縮機(jī)的性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)。沒有性能監(jiān)測(cè)，就不能夠?qū)嚎s機(jī)的效率進(jìn)行精確評(píng)價(jià)，阻礙壓縮機(jī)水平的提高和確定節(jié)能方向。
（3）推廣節(jié)能型氣量負(fù)荷調(diào)節(jié)技術(shù)
根據(jù)末端用氣需求進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)技術(shù)是一項(xiàng)好的節(jié)能技術(shù)，目前國外公司已經(jīng)廣泛使用，但是國內(nèi)應(yīng)用仍處于推廣階段。
（4）加強(qiáng)對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)
在調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)企業(yè)對(duì)有些壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)并沒有進(jìn)行全方位的健康監(jiān)測(cè)，例如壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)時(shí)的回流氣量，壓縮機(jī)排氣量與電流的對(duì)應(yīng)報(bào)警等。這導(dǎo)致在生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行狀況，運(yùn)行安全分析等全面的了解。
目前，一些先進(jìn)的壓縮機(jī)節(jié)能技術(shù)已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，因此這些技術(shù)在國內(nèi)市場(chǎng)的完善、推廣等工作對(duì)我國節(jié)能減排事業(yè)意義重大。
2 壓縮空氣的成本
空氣來自大氣，取之不盡，用之不竭，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)很多人都認(rèn)為使用壓縮空氣是不需要成本的，對(duì)壓縮空氣成本認(rèn)識(shí)極其淡薄，這是導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)浪費(fèi)的一個(gè)主要原因。
工業(yè)壓縮機(jī)的能耗指標(biāo)通常用“比能量”來表示。比能量指標(biāo)表示的是輸出單位體積壓縮空氣所需的平均耗電量：kWh/m3(ANR)。該指標(biāo)在壓縮機(jī)輸出壓力為0.7MPa(G)時(shí)在0.08～0.12kWh /m3(ANR)范圍內(nèi)，數(shù)值越小，表示效率越高。壓縮機(jī)的比能量因壓縮機(jī)和輸出壓力而異。如按我國絕大多數(shù)地方的工業(yè)用電每度電費(fèi)0.6元計(jì)算的話，制造1m3(ANR)壓縮空氣所需電費(fèi)為4.8分錢～7.2分錢。
除電費(fèi)外，壓縮空氣制造成本中還有壓縮機(jī)潤滑油、定期保養(yǎng)及設(shè)備折舊費(fèi)等。以年工作時(shí)間 4000小時(shí)的中型螺桿式壓縮機(jī)為例，該部分成本與電費(fèi)各占19%和81%。如將這部分成本也計(jì)入的話，1m3(ANR)壓縮空氣的實(shí)際制造成本為6分錢～9分錢。
由此來看，壓縮空氣并不便宜，建立壓縮空氣成本意識(shí)是氣動(dòng)節(jié)能的第一步。
3 壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能理念
3.1 現(xiàn)有空氣壓縮機(jī)調(diào)節(jié)方式分析
通常狀況下，設(shè)計(jì)院總是根據(jù)用戶用氣量z*大的工況來選定螺桿空壓機(jī)的容積流量（用戶常稱排氣量）。然而在使用過程中，總是因種種原因要求改變空壓機(jī)的容積流量，以適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行工況。此外，從工作原理可知，屬于容積式壓縮機(jī)械的螺桿空壓機(jī)的容積流量，不因供氣管網(wǎng)內(nèi)壓力的提高而降低。因此，若不對(duì)空壓機(jī)的容積流量做相應(yīng)的有效調(diào)節(jié)，不但增加了功耗，在某種場(chǎng)合下，還有可能發(fā)生事故。所以必須設(shè)置調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)，對(duì)螺桿空壓機(jī)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)[1]。
3.1.1 加/卸載調(diào)節(jié)
加/卸載調(diào)節(jié)有時(shí)又稱為“滿載—空載”調(diào)節(jié)，其基本做法就是讓空壓機(jī)的排氣壓力達(dá)到某一特定壓力時(shí)關(guān)閉空壓機(jī)進(jìn)氣閥，然后在排氣壓力降低到一定程度時(shí)又重新打開空壓機(jī)進(jìn)氣閥。中間間隔的時(shí)間，取決于儲(chǔ)氣罐、管道容積的大小、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的用氣情況及管網(wǎng)允許的壓力波動(dòng)，通常的管網(wǎng)壓力波動(dòng)范圍應(yīng)控制在0.1MPa范圍內(nèi)。
上述的加/卸載調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性很好，常被螺桿空壓機(jī)生產(chǎn)廠家用于螺桿空壓機(jī)的容量調(diào)節(jié)，以適應(yīng)實(shí)際工況的需求。
加/卸載調(diào)節(jié)方式優(yōu)點(diǎn)明顯，但其缺點(diǎn)亦很突出。這種容量調(diào)節(jié)方式使得供氣管網(wǎng)內(nèi)的壓力在Pmin～Pmax之間來回波動(dòng)，圖2示出了這種管網(wǎng)內(nèi)的壓力波動(dòng)特性。從運(yùn)行能耗角度考慮，會(huì)帶來 2個(gè)部分的能量浪費(fèi)，Pmin是z*低壓力值，即能夠保證廠家正常生產(chǎn)的z*低壓力。一般情況下，Pmax、Pmin之間關(guān)系可以用下式來表示：Pmax ＝(1＋δ)
Pmin(1)δ是一個(gè)百分?jǐn)?shù)，其數(shù)值大致在 10%～20%之間。
（1）壓縮空氣壓力超過Pmin所消耗的能量
在壓力達(dá)到Pmin后，加/卸載調(diào)節(jié)方式?jīng)Q定供氣管網(wǎng)壓力會(huì)繼續(xù)上升 (直到Pmax)。這一過程中必將會(huì)消耗更多的能量，從而導(dǎo)致供氣系統(tǒng)能耗的增加。請(qǐng)大家注意：這里的能耗損失是指供氣系統(tǒng)中所有空壓機(jī)的能耗，而不是供氣系統(tǒng)中某臺(tái)空壓機(jī)的單機(jī)能耗。針對(duì)這一運(yùn)行工況能耗浪費(fèi)我們可采用氣動(dòng)功率分析。
式中P：氣動(dòng)功率[kW]；pa：大氣絕對(duì)壓力[Pa]；
Qa：換算到大氣狀態(tài)下的體積流量[m³/s]；ln：自然對(duì)數(shù)；
p：壓縮空氣絕對(duì)壓力[Pa]。
例如，某工廠現(xiàn)有4臺(tái)250kW的螺桿空壓機(jī)，每臺(tái)額定容積流量為43.2m³/min，工廠的平均用氣量為150m³/min，空壓機(jī)容積流量采用加/卸載調(diào)節(jié)方式，加載壓力設(shè)置為6bar，卸載壓力設(shè)置為7bar，運(yùn)行能耗計(jì)算如下：由壓力波動(dòng)范圍為6bar～7bar，可假設(shè)管網(wǎng)平均供氣壓力為6.5bar。由絕對(duì)壓力7.5bar、流量150m³/min（ANR）的壓縮空氣的氣動(dòng)功率為535kW；絕對(duì)壓力7bar、流量150m³/min（ANR）的壓縮空氣的氣動(dòng)功率為486kW；即由此壓力波動(dòng)每小時(shí)造成的能源浪費(fèi)為535-486=49度電，每天就浪費(fèi)了1176度電，可見浪費(fèi)十分嚴(yán)重。
上一過程 (Pmin到Pmax) 消耗的能量主要浪費(fèi)在高于Pmin的氣體在進(jìn)入氣動(dòng)元件前，其壓力需要經(jīng)過供氣管道、減壓閥等減壓至接近Pmin這一過程中。
（2）單機(jī)卸載時(shí)調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量
通常情況下，當(dāng)壓力達(dá)到Pmax 時(shí)，空壓機(jī)通過如下方法來降壓卸載：關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時(shí)將油氣分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調(diào)節(jié)方法要造成很大的能量浪費(fèi)。關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)空轉(zhuǎn)雖然可以使空壓機(jī)不需要再壓縮氣體做功，但空壓機(jī)在空轉(zhuǎn)中還是要帶動(dòng)螺桿做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，據(jù)經(jīng)驗(yàn)測(cè)算，空壓機(jī)卸載時(shí)的能耗約占空壓機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)的30%～50%，在做無用功。很明顯在加、卸載供氣調(diào)節(jié)方式下，空壓機(jī)電機(jī)存在很大的能源浪費(fèi)。例如，250kW的螺桿空壓機(jī)，每小時(shí)卸載20分鐘，卸載功率為75kW，則每天就浪費(fèi)了75×8=600度電。
其它不足之處：頻繁關(guān)閉、打開進(jìn)氣閥，會(huì)加速進(jìn)氣閥的磨損，增加維修量和維修成本；頻繁采用打開和關(guān)閉放氣閥，放氣閥的耐用性得不到保障；頻繁的加/卸載對(duì)電機(jī)帶來的機(jī)械沖擊。
3.1.2 容調(diào)閥節(jié)流調(diào)節(jié)[3]
容調(diào)閥節(jié)流調(diào)節(jié)其基本做法就是通過在螺桿空壓機(jī)的吸氣管上加裝吸氣節(jié)流閥，利用排氣壓力的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥的開啟度對(duì)吸氣進(jìn)行節(jié)流，就可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)容積流量的目的。
從圖3中可以看出，如果僅通過吸氣節(jié)流使空壓機(jī)“空轉(zhuǎn)”運(yùn)轉(zhuǎn)，雖然不會(huì)排出氣體，但其耗功卻是滿負(fù)荷時(shí)的70%左右。為了提高在調(diào)節(jié)工況下壓縮機(jī)的效率，常常還需采用降低排氣壓力的方案。即把壓縮機(jī)與z*小壓力閥之間的氣體放空，使排氣壓力降到大氣壓力或比大氣壓力稍高的數(shù)值（噴油壓力）。圖3示出這種調(diào)節(jié)方案的特性曲線，表明在容積流量為零時(shí)，壓縮機(jī)的功耗將大大減小。
圖4示出的吸氣節(jié)流和排氣放的這種調(diào)節(jié)方法也被部分螺桿空壓機(jī)生產(chǎn)廠家所應(yīng)用。這種調(diào)節(jié)方式實(shí)現(xiàn)方法用得z*多的是：使用蝶閥調(diào)節(jié)，蝶閥的調(diào)節(jié)或關(guān)閉由數(shù)碼控制步進(jìn)電機(jī)控制，當(dāng)供氣管網(wǎng)壓力達(dá)到空壓機(jī)的額定卸載壓力99%時(shí)，調(diào)節(jié)閥開始工作，隨著供氣管網(wǎng)壓力的上升，調(diào)節(jié)量不斷增加。當(dāng)空壓機(jī)的排氣量等于工廠的用氣量時(shí)，調(diào)壓保持穩(wěn)定，當(dāng)壓力調(diào)整到工廠設(shè)定值時(shí)，氣量z*終能減少到空壓機(jī)額定氣量的60%左右。若此時(shí)供氣管網(wǎng)壓力略微升高，就觸發(fā)空壓機(jī)本身的控制器。然后空壓機(jī)就切換到卸載控制位置，空壓機(jī)放氣卸載；若調(diào)壓保持穩(wěn)定后，若空壓機(jī)的排氣量小于工廠用氣量時(shí)，隨著排氣壓力的降低，控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)，使得進(jìn)氣閥開啟度逐漸增大，直到完全打開為止（空壓機(jī)加載運(yùn)行）。
上述的容調(diào)閥節(jié)流調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)亦不是很復(fù)雜、在小范圍內(nèi)能起到對(duì)螺桿空壓機(jī)容量進(jìn)行調(diào)節(jié)的作用，但其缺點(diǎn)尤為突出。這種容量調(diào)節(jié)方式在使用過程中，只有當(dāng)供氣管網(wǎng)的壓力波動(dòng)到接近Pmax時(shí)，容調(diào)閥才進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)容量調(diào)節(jié)到額定值的60%時(shí)，若此時(shí)排氣壓力仍上升，需讓空壓機(jī)卸載運(yùn)行。因此，供氣管網(wǎng)內(nèi)的壓力仍會(huì)在Pmin～Pmax之間來回波動(dòng)。從運(yùn)行能耗角度考慮，會(huì)帶來兩個(gè)部分的能量浪費(fèi)。
（1）壓縮空氣壓力超過Pmin所消耗的能量，這一過程的能耗浪費(fèi)前面已說明。
（2）容量調(diào)節(jié)過程中氣電比升高引起的能量浪費(fèi)
圖4中，我們可以直接看出容量調(diào)節(jié)時(shí)，由于節(jié)流作用，降低了氣體的壓力和密度，故理論上可以進(jìn)行連續(xù)無級(jí)地調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的流量。圖3示出螺桿空壓機(jī)的采用吸氣節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)的特性曲線，理想的情況是功耗與容積流量成正比，即呈45°虛線所示。吸氣節(jié)流調(diào)節(jié)的曲線與理想情況下的偏差，是由于以下兩個(gè)相互制約的因素所引起的。當(dāng)吸氣節(jié)流時(shí)，一方面壓縮機(jī)的容積流量在減小，因此其功耗下降；另一方面節(jié)流使得吸氣壓力降低，壓比隨之升高，單位氣量的耗功也跟著增加。容積流量調(diào)節(jié)過程中的比功率增大，帶來了額外的能源浪費(fèi)。
另外，值得指出的是，當(dāng)采用吸氣節(jié)流的調(diào)節(jié)方法時(shí)，隨著壓縮比升高，壓縮機(jī)的排氣溫度也會(huì)升高。所以在無油螺桿空壓機(jī)中，由于排氣溫度的制約，這種調(diào)節(jié)方式的應(yīng)用場(chǎng)合有著嚴(yán)格的限制。只有當(dāng)排氣溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于所允許的z*大值時(shí)，才可以在無油螺桿空壓機(jī)中采用這種容量調(diào)節(jié)方法。
3.2 空氣壓縮節(jié)能理念分析
要想消減壓縮空氣系統(tǒng)的能耗，必須消減壓縮空氣的消耗量，從而減少壓縮機(jī)的耗電量。壓縮空氣的使用能耗可以用氣動(dòng)功率的積分表示。因此，如圖5所示，在壓縮空氣使用中，減少壓力、流量、時(shí)間任何一個(gè)變量，都可降低壓縮空氣能耗。例如，如能將壓縮機(jī)輸出壓力從0.7MPa降低到0.6MPa，可以節(jié)約壓縮機(jī)用電至少5.8%，考慮到壓力降低后泄漏的減少，降壓0.1MPa通常節(jié)能 8%～10%。
圖5式中：
Pa：大氣壓絕對(duì)壓力
Qa：換算到大氣狀態(tài)下的體積流量
t：時(shí)間
同時(shí)，節(jié)能的具體要素包括壓力、流量和時(shí)間，如圖6。
具體到壓縮空氣系統(tǒng)中三大環(huán)節(jié)（空壓站、管網(wǎng)、末端設(shè)備），采取如下的節(jié)能措施：
（1）壓縮空氣的產(chǎn)生：壓縮機(jī)的合理配置與運(yùn)行，供給壓力的降壓及運(yùn)行模式優(yōu)化，壓縮機(jī)與空氣凈化設(shè)備狀態(tài)的日常管理。
（2）壓縮空氣的傳送：泄漏的日常點(diǎn)檢與z*小化，接頭處的壓損改進(jìn)，管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)配置的合理化，耗氣量分配的監(jiān)測(cè)與日常管理。
（3）壓縮空氣的使用：噴嘴的合理化，各用氣節(jié)點(diǎn)壓力及流量的合理化，機(jī)器非工作時(shí)供氣的停止，分壓供氣，測(cè)量管路的z*短化。
日本在氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的研究和實(shí)施中，走在世界的前列。實(shí)施氣動(dòng)節(jié)能中的一些數(shù)據(jù)對(duì)我國具有很大的參考價(jià)值。日本企業(yè)實(shí)施氣動(dòng)節(jié)能的主要對(duì)象如圖7所示，氣動(dòng)系統(tǒng)投資回收期如表1所示。從數(shù)據(jù)中可以看出，氣源和噴嘴的節(jié)能是氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能s*要考慮的關(guān)鍵點(diǎn)，氣動(dòng)系統(tǒng)的投資回收期1年就可以收回67%的成本。泄露和配管的恰當(dāng)處理也可以很有效地實(shí)現(xiàn)壓縮空氣的節(jié)省。
4 當(dāng)前我國石油化工企業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)存在的主要問題
在當(dāng)前我國用戶的壓縮空氣系統(tǒng)中，能源浪費(fèi)主要表現(xiàn)為泄露偏大、壓縮機(jī)配置及運(yùn)行僅以保壓為目的、供給壓力不合理、噴嘴低效、設(shè)備用氣存在浪費(fèi)、現(xiàn)場(chǎng)工人用氣成本意識(shí)淡薄等問題。
在泄露問題上，工廠中的泄露量通常占供氣量的10%～30%，而管理不善的工廠甚至可能高達(dá) 50%。有時(shí)一個(gè)汽車組裝車間的泄漏點(diǎn)就有2萬個(gè)，其中，泄露量的90%以上來自設(shè)備使用中的零部件老化或破損。而尤為嚴(yán)重的是，現(xiàn)場(chǎng)管理人員遠(yuǎn)遠(yuǎn)地低估了泄漏造成的損失。比如，在供氣壓力為0.7MPa下的氣管中一個(gè)直徑1mm的泄漏小孔，每年導(dǎo)致的損失高達(dá)約3525度電，幾乎相當(dāng)于兩個(gè)三口之家的全年家庭用電，如表2。加強(qiáng)泄漏損失意識(shí)、普及泄漏檢測(cè)及預(yù)防手段是當(dāng)前工作重點(diǎn)。當(dāng)前國內(nèi)一些企業(yè)在開始利用ECOSO泄露檢測(cè)儀及泄露點(diǎn)掃描槍查漏堵漏，并已取得一些成效。
壓縮機(jī)的合理配置及合理運(yùn)行對(duì)節(jié)省用電非常重要。通常，為使輸出壓力波動(dòng)小，很多壓縮機(jī)采用吸氣閥調(diào)節(jié)方式。這種方式在沒有供氣的情況下也仍需消耗40%～70%額定功率的電力，浪費(fèi)較嚴(yán)重。為此，導(dǎo)入變頻控制、臺(tái)數(shù)控制，采用空壓機(jī)房節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)等措施對(duì)削減電力十分奏效。而這些在工廠的實(shí)際操作中基本都被忽略，保證壓力成為大多數(shù)工廠對(duì)壓縮機(jī)管理的w*要求。
另外，由于管道壓力損失不確定，設(shè)備啟動(dòng)存在流量高峰等原因，壓縮機(jī)的供氣壓力有時(shí)比現(xiàn)場(chǎng)要求壓力高出0.2MPa～0.3MPa。而末端設(shè)備每提高0.1MPa，壓縮機(jī)的耗電就提高4%～8%，造成了巨大的能源浪費(fèi)。有時(shí)也會(huì)為了少數(shù)幾臺(tái)壓力要求高的設(shè)備，而整個(gè)調(diào)高供氣的壓力，這在能源使用配置上極其不合理，非明智之舉。
噴嘴在噴氣織機(jī)、制造加工的精修及機(jī)加工等工藝現(xiàn)場(chǎng)被廣泛使用，其耗氣量在某些產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域達(dá)到總供氣量的50%。通常，噴嘴在使用過程中存在供氣管道過長、供給壓力過高、用直管銅管做噴嘴等問題。另外，現(xiàn)場(chǎng)人員很容易為了追求大沖擊力而擅自擴(kuò)大噴嘴噴口、提高供給壓力，從而造成很大的用氣浪費(fèi)，如圖8、9。
另外，在氣動(dòng)設(shè)備中存在用氣不合理的現(xiàn)象也比較突出，例如確定工件是否卡到位的氣體背壓檢測(cè)、真空發(fā)生器給氣等存在不工作也不間斷供氣現(xiàn)象。尤其是化學(xué)藥液槽等用于攪拌目的的用氣、輪胎制造中的定型充氣等，從0.7MPa的高壓減壓到0.1MPa～0.2MPa使用的現(xiàn)象非常普遍，浪費(fèi)得令人痛心。從工藝上把握設(shè)備的實(shí)際需要壓力和z*低耗氣量是使設(shè)備耗氣合理化的前提。由于設(shè)備用氣不合理導(dǎo)致的浪費(fèi)平均估計(jì)為供氣量的20%。
以上種種問題，表明當(dāng)前壓縮空氣系統(tǒng)的使用中用氣浪費(fèi)比較嚴(yán)重。用氣設(shè)備的節(jié)能改造措施有：①使用新型氣動(dòng)噴嘴節(jié)能裝置和脈沖式氣槍，工件到位時(shí)噴嘴開始吹掃；②工件到位時(shí)真空發(fā)生器開始供氣；③高耗能氣動(dòng)設(shè)備改為電動(dòng)設(shè)備（工藝攪拌）；④大型氣缸改兩節(jié)節(jié)能型氣缸；⑤壓縮空氣滿足設(shè)備z*低需求壓力，增加合適儲(chǔ)氣罐緩沖瞬間大的用氣量；⑥在特定行業(yè)采用專業(yè)氣動(dòng)設(shè)備，如電解鋁行業(yè)推廣使用的打殼缸專用節(jié)氣閥等。
因此，只要對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)開展詳細(xì)調(diào)查，明確問題所在，采取合理有效的節(jié)能措施，整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)20%甚至更高的節(jié)能效果。
5 壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能在中國具有重大意義
筆者曾對(duì)中國某橡膠企業(yè)進(jìn)行氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能改造，z*終使工廠每單位產(chǎn)量壓縮機(jī)耗電量削減了30%以上，如表3、圖10所示。2010年初，筆者對(duì)中國某輪轂企業(yè)進(jìn)行氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能改造，同樣實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能30%以上，如表4所示。在我國如果能廣泛開展氣動(dòng)節(jié)能活動(dòng)、普及氣動(dòng)節(jié)能技術(shù)，每年可為國家節(jié)約用電約600億度，折合金額360億元，具有非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
目前，針對(duì)我國化工、化纖、紡織、汽車、橡膠、電子半導(dǎo)體、加工機(jī)械等制造行業(yè)的大中型企業(yè)，以降低空氣壓縮機(jī)能耗為目的，結(jié)合各個(gè)行業(yè)特點(diǎn)研究切實(shí)可行的節(jié)能技術(shù)，制定一整套行之有效、易于實(shí)施、投資回收期小的節(jié)能實(shí)施流程，將節(jié)能措施行業(yè)化、系統(tǒng)化、具體化、可操作化、可視化并進(jìn)而規(guī)范化，可為企業(yè)的節(jié)能降耗和國家的節(jié)能目標(biāo)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
[1]邢子文.螺桿壓縮機(jī)——理論、設(shè)計(jì)及應(yīng)用 [M].機(jī)械工業(yè)出版社，2000.
[2]蔡茂林,香川利春.氣動(dòng)系統(tǒng)的能量消耗評(píng)價(jià)體系及能量損失分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007（43）:70.
[3]孔德文 ,林惟鋟.螺桿空壓機(jī)容積流量調(diào)節(jié)的能耗分析[J].液壓與氣動(dòng)，2011.
1.1 石化行業(yè)高耗能設(shè)備現(xiàn)狀
石化行業(yè)既是能源生產(chǎn)大戶也是能源消耗大戶，石油加工過程中消耗大量能源。其中設(shè)備能耗是煉油化工裝置能耗主要組成部分。根據(jù)中國石化 2005年的統(tǒng)計(jì)，中國石化2005年加工原油14879.50萬噸，煉油綜合能耗為68.59千克標(biāo)油/噸，總能耗約合1020.58萬噸標(biāo)油，其中催化燒焦占31.29%，燃料氣占 29.73%，電耗占18.44%，蒸汽占14.96%，燃料油占4.74%，新鮮水占0.09%，其它占2.63%，外輸熱量占1.88%。從上述數(shù)據(jù)可以看出，煉油企業(yè)能耗中燃料油和燃料氣占第一位，其次是催化燒焦，電耗占第三位。由設(shè)備消耗轉(zhuǎn)化的燃料油、燃料氣、電耗、蒸汽占了67.84%。電能主要由動(dòng)設(shè)備，如泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、分離機(jī)械、制冷空調(diào)等消耗，用于輸送分離各類介質(zhì)。總的來說，設(shè)備用能占了煉油化工裝置用能的 70% 左右，提高設(shè)備及設(shè)備系統(tǒng)的能效是石化企業(yè)節(jié)能減排的主要途徑之一。
1.2 石化行業(yè)壓縮機(jī)的用能問題與差距
通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國石化行業(yè)高耗能設(shè)備與國際先進(jìn)水平相比還有一定差距，節(jié)能潛力很大，以壓縮機(jī)為例，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
（1）部分壓縮機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況
通過某石化煉油分部6000V壓縮機(jī)效率測(cè)算得出，壓縮機(jī)匹配的電機(jī)負(fù)載率平均值是77.3%，接近下限75%，有的甚至只有41%。壓縮機(jī)運(yùn)行負(fù)荷偏離設(shè)計(jì)工況，動(dòng)力負(fù)載率有待提高。
（2）工藝用壓縮機(jī)缺少能效評(píng)價(jià)方法
一般動(dòng)力空氣壓縮機(jī)，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法、能效標(biāo)準(zhǔn)齊全。但節(jié)能監(jiān)測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)系1996 年頒布實(shí)施，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)狀進(jìn)行修訂。
工藝用壓縮機(jī)缺乏能效考核標(biāo)準(zhǔn)。由于工藝用壓縮機(jī)種類繁多，型式各異，大部分功率大，難以監(jiān)測(cè)，目前還缺乏能效考核標(biāo)準(zhǔn)，掌握的能效數(shù)據(jù)少，難以判斷壓縮機(jī)性能是否高效。
（3）變負(fù)荷運(yùn)行調(diào)節(jié)急待改善
石化行業(yè)對(duì)于低負(fù)荷運(yùn)行常采用加卸載/回氣調(diào)節(jié)的方法，能耗很大，調(diào)節(jié)下來的氣量相當(dāng)于對(duì)于這部分做的功完全浪費(fèi)了。系統(tǒng)低負(fù)載運(yùn)行，還帶來壓縮空氣后處理設(shè)備低效率運(yùn)行。在匹配不完全合理情況下，系統(tǒng)的多數(shù)設(shè)備處于部分低負(fù)載的狀態(tài)，能源使用效率低下現(xiàn)象十分嚴(yán)重。因此，變負(fù)荷運(yùn)行調(diào)節(jié)亟待改善。典型的氣動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。壓縮空氣系統(tǒng)能耗的96%為工業(yè)壓縮機(jī)的耗電。我國工業(yè)壓縮機(jī)的耗電量約占全國總耗電量的6%。
石油化工企業(yè)，空壓機(jī)組上都是依靠機(jī)器原始的控制方式（自帶的上下限壓力控制），基本沒有實(shí)現(xiàn)聯(lián)控，只能查看單臺(tái)空壓機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。一般石化企業(yè)內(nèi)，壓縮空氣主要用途有設(shè)備用氣、儀表用氣和制氮三類。設(shè)備用氣在化工廠內(nèi)主要用于用氣設(shè)備，主要集中在氣動(dòng)泵、包裝機(jī)械上，其它用途如吹掃、清潔較少，供氣壓力7bar，供氣壓力偏好，存在一定的浪費(fèi)。設(shè)備用氣經(jīng)過除油、除水和塵埃之后，專供儀表用氣，供氣壓力至少4.5bar。有的企業(yè)儀表用氣壓力設(shè)為6bar～7bar，目的就是為了防止管網(wǎng)中用氣量突然變化，儀表用氣壓力瞬間降低，導(dǎo)致部分儀表無法正常工作（例如，F(xiàn)C電磁閥）。大部分企業(yè)的空壓機(jī)系統(tǒng)規(guī)劃不太合理，存在明顯浪費(fèi)。如果將化工企業(yè)的空壓機(jī)系統(tǒng)能耗降下來，將大幅減少企業(yè)的耗電量。通過氣動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能改造，完全可以實(shí)現(xiàn)20%～30%的節(jié)能。
1.3 石化行業(yè)壓縮機(jī)節(jié)能的對(duì)策與建議
綠色、清潔、低碳和循環(huán)經(jīng)濟(jì)將成為新的生產(chǎn)方式和發(fā)展方式的主導(dǎo)力量。2009年10月26日，國務(wù)院正式對(duì)外宣布控制溫室氣體排放的行動(dòng)目標(biāo)，決定到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)值二氧化碳排放Lk2005年下降40%～45%。石化企業(yè)無論從企業(yè)經(jīng)營還是社會(huì)責(zé)任角度出發(fā)，均面臨極大地節(jié)能減排壓力，走節(jié)能環(huán)保、低碳發(fā)展之路是石化企業(yè)的基本要求。對(duì)石化行業(yè)壓縮機(jī)節(jié)能的對(duì)策及建議如下：
（1）企業(yè)應(yīng)提高節(jié)能意識(shí)
壓縮機(jī)是石化行業(yè)能源消耗大戶，節(jié)能減排大有潛力可挖。生產(chǎn)單位應(yīng)提高認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)節(jié)能意識(shí)。
（2）制定壓縮機(jī)性能評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)方法
調(diào)研中，發(fā)現(xiàn)缺少壓縮機(jī)性能評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)方法。制造單位無法對(duì)生產(chǎn)的壓縮機(jī)進(jìn)行性能監(jiān)測(cè)，用戶使用時(shí)也無法對(duì)壓縮機(jī)的性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)。沒有性能監(jiān)測(cè)，就不能夠?qū)嚎s機(jī)的效率進(jìn)行精確評(píng)價(jià)，阻礙壓縮機(jī)水平的提高和確定節(jié)能方向。
（3）推廣節(jié)能型氣量負(fù)荷調(diào)節(jié)技術(shù)
根據(jù)末端用氣需求進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)技術(shù)是一項(xiàng)好的節(jié)能技術(shù)，目前國外公司已經(jīng)廣泛使用，但是國內(nèi)應(yīng)用仍處于推廣階段。
（4）加強(qiáng)對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)
在調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)企業(yè)對(duì)有些壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)并沒有進(jìn)行全方位的健康監(jiān)測(cè)，例如壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)時(shí)的回流氣量，壓縮機(jī)排氣量與電流的對(duì)應(yīng)報(bào)警等。這導(dǎo)致在生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行狀況，運(yùn)行安全分析等全面的了解。
目前，一些先進(jìn)的壓縮機(jī)節(jié)能技術(shù)已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，因此這些技術(shù)在國內(nèi)市場(chǎng)的完善、推廣等工作對(duì)我國節(jié)能減排事業(yè)意義重大。
2 壓縮空氣的成本
空氣來自大氣，取之不盡，用之不竭，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)很多人都認(rèn)為使用壓縮空氣是不需要成本的，對(duì)壓縮空氣成本認(rèn)識(shí)極其淡薄，這是導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)浪費(fèi)的一個(gè)主要原因。
工業(yè)壓縮機(jī)的能耗指標(biāo)通常用“比能量”來表示。比能量指標(biāo)表示的是輸出單位體積壓縮空氣所需的平均耗電量：kWh/m3(ANR)。該指標(biāo)在壓縮機(jī)輸出壓力為0.7MPa(G)時(shí)在0.08～0.12kWh /m3(ANR)范圍內(nèi)，數(shù)值越小，表示效率越高。壓縮機(jī)的比能量因壓縮機(jī)和輸出壓力而異。如按我國絕大多數(shù)地方的工業(yè)用電每度電費(fèi)0.6元計(jì)算的話，制造1m3(ANR)壓縮空氣所需電費(fèi)為4.8分錢～7.2分錢。
除電費(fèi)外，壓縮空氣制造成本中還有壓縮機(jī)潤滑油、定期保養(yǎng)及設(shè)備折舊費(fèi)等。以年工作時(shí)間 4000小時(shí)的中型螺桿式壓縮機(jī)為例，該部分成本與電費(fèi)各占19%和81%。如將這部分成本也計(jì)入的話，1m3(ANR)壓縮空氣的實(shí)際制造成本為6分錢～9分錢。
由此來看，壓縮空氣并不便宜，建立壓縮空氣成本意識(shí)是氣動(dòng)節(jié)能的第一步。
3 壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能理念
3.1 現(xiàn)有空氣壓縮機(jī)調(diào)節(jié)方式分析
通常狀況下，設(shè)計(jì)院總是根據(jù)用戶用氣量z*大的工況來選定螺桿空壓機(jī)的容積流量（用戶常稱排氣量）。然而在使用過程中，總是因種種原因要求改變空壓機(jī)的容積流量，以適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行工況。此外，從工作原理可知，屬于容積式壓縮機(jī)械的螺桿空壓機(jī)的容積流量，不因供氣管網(wǎng)內(nèi)壓力的提高而降低。因此，若不對(duì)空壓機(jī)的容積流量做相應(yīng)的有效調(diào)節(jié)，不但增加了功耗，在某種場(chǎng)合下，還有可能發(fā)生事故。所以必須設(shè)置調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)，對(duì)螺桿空壓機(jī)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)[1]。
3.1.1 加/卸載調(diào)節(jié)
加/卸載調(diào)節(jié)有時(shí)又稱為“滿載—空載”調(diào)節(jié)，其基本做法就是讓空壓機(jī)的排氣壓力達(dá)到某一特定壓力時(shí)關(guān)閉空壓機(jī)進(jìn)氣閥，然后在排氣壓力降低到一定程度時(shí)又重新打開空壓機(jī)進(jìn)氣閥。中間間隔的時(shí)間，取決于儲(chǔ)氣罐、管道容積的大小、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的用氣情況及管網(wǎng)允許的壓力波動(dòng)，通常的管網(wǎng)壓力波動(dòng)范圍應(yīng)控制在0.1MPa范圍內(nèi)。
上述的加/卸載調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性很好，常被螺桿空壓機(jī)生產(chǎn)廠家用于螺桿空壓機(jī)的容量調(diào)節(jié)，以適應(yīng)實(shí)際工況的需求。
加/卸載調(diào)節(jié)方式優(yōu)點(diǎn)明顯，但其缺點(diǎn)亦很突出。這種容量調(diào)節(jié)方式使得供氣管網(wǎng)內(nèi)的壓力在Pmin～Pmax之間來回波動(dòng)，圖2示出了這種管網(wǎng)內(nèi)的壓力波動(dòng)特性。從運(yùn)行能耗角度考慮，會(huì)帶來 2個(gè)部分的能量浪費(fèi)，Pmin是z*低壓力值，即能夠保證廠家正常生產(chǎn)的z*低壓力。一般情況下，Pmax、Pmin之間關(guān)系可以用下式來表示：Pmax ＝(1＋δ)
Pmin(1)δ是一個(gè)百分?jǐn)?shù)，其數(shù)值大致在 10%～20%之間。
（1）壓縮空氣壓力超過Pmin所消耗的能量
在壓力達(dá)到Pmin后，加/卸載調(diào)節(jié)方式?jīng)Q定供氣管網(wǎng)壓力會(huì)繼續(xù)上升 (直到Pmax)。這一過程中必將會(huì)消耗更多的能量，從而導(dǎo)致供氣系統(tǒng)能耗的增加。請(qǐng)大家注意：這里的能耗損失是指供氣系統(tǒng)中所有空壓機(jī)的能耗，而不是供氣系統(tǒng)中某臺(tái)空壓機(jī)的單機(jī)能耗。針對(duì)這一運(yùn)行工況能耗浪費(fèi)我們可采用氣動(dòng)功率分析。
式中P：氣動(dòng)功率[kW]；pa：大氣絕對(duì)壓力[Pa]；
Qa：換算到大氣狀態(tài)下的體積流量[m³/s]；ln：自然對(duì)數(shù)；
p：壓縮空氣絕對(duì)壓力[Pa]。
例如，某工廠現(xiàn)有4臺(tái)250kW的螺桿空壓機(jī)，每臺(tái)額定容積流量為43.2m³/min，工廠的平均用氣量為150m³/min，空壓機(jī)容積流量采用加/卸載調(diào)節(jié)方式，加載壓力設(shè)置為6bar，卸載壓力設(shè)置為7bar，運(yùn)行能耗計(jì)算如下：由壓力波動(dòng)范圍為6bar～7bar，可假設(shè)管網(wǎng)平均供氣壓力為6.5bar。由絕對(duì)壓力7.5bar、流量150m³/min（ANR）的壓縮空氣的氣動(dòng)功率為535kW；絕對(duì)壓力7bar、流量150m³/min（ANR）的壓縮空氣的氣動(dòng)功率為486kW；即由此壓力波動(dòng)每小時(shí)造成的能源浪費(fèi)為535-486=49度電，每天就浪費(fèi)了1176度電，可見浪費(fèi)十分嚴(yán)重。
上一過程 (Pmin到Pmax) 消耗的能量主要浪費(fèi)在高于Pmin的氣體在進(jìn)入氣動(dòng)元件前，其壓力需要經(jīng)過供氣管道、減壓閥等減壓至接近Pmin這一過程中。
（2）單機(jī)卸載時(shí)調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量
通常情況下，當(dāng)壓力達(dá)到Pmax 時(shí)，空壓機(jī)通過如下方法來降壓卸載：關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時(shí)將油氣分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調(diào)節(jié)方法要造成很大的能量浪費(fèi)。關(guān)閉進(jìn)氣閥使電機(jī)空轉(zhuǎn)雖然可以使空壓機(jī)不需要再壓縮氣體做功，但空壓機(jī)在空轉(zhuǎn)中還是要帶動(dòng)螺桿做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，據(jù)經(jīng)驗(yàn)測(cè)算，空壓機(jī)卸載時(shí)的能耗約占空壓機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)的30%～50%，在做無用功。很明顯在加、卸載供氣調(diào)節(jié)方式下，空壓機(jī)電機(jī)存在很大的能源浪費(fèi)。例如，250kW的螺桿空壓機(jī)，每小時(shí)卸載20分鐘，卸載功率為75kW，則每天就浪費(fèi)了75×8=600度電。
其它不足之處：頻繁關(guān)閉、打開進(jìn)氣閥，會(huì)加速進(jìn)氣閥的磨損，增加維修量和維修成本；頻繁采用打開和關(guān)閉放氣閥，放氣閥的耐用性得不到保障；頻繁的加/卸載對(duì)電機(jī)帶來的機(jī)械沖擊。
3.1.2 容調(diào)閥節(jié)流調(diào)節(jié)[3]
容調(diào)閥節(jié)流調(diào)節(jié)其基本做法就是通過在螺桿空壓機(jī)的吸氣管上加裝吸氣節(jié)流閥，利用排氣壓力的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥的開啟度對(duì)吸氣進(jìn)行節(jié)流，就可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)容積流量的目的。
從圖3中可以看出，如果僅通過吸氣節(jié)流使空壓機(jī)“空轉(zhuǎn)”運(yùn)轉(zhuǎn)，雖然不會(huì)排出氣體，但其耗功卻是滿負(fù)荷時(shí)的70%左右。為了提高在調(diào)節(jié)工況下壓縮機(jī)的效率，常常還需采用降低排氣壓力的方案。即把壓縮機(jī)與z*小壓力閥之間的氣體放空，使排氣壓力降到大氣壓力或比大氣壓力稍高的數(shù)值（噴油壓力）。圖3示出這種調(diào)節(jié)方案的特性曲線，表明在容積流量為零時(shí)，壓縮機(jī)的功耗將大大減小。
圖4示出的吸氣節(jié)流和排氣放的這種調(diào)節(jié)方法也被部分螺桿空壓機(jī)生產(chǎn)廠家所應(yīng)用。這種調(diào)節(jié)方式實(shí)現(xiàn)方法用得z*多的是：使用蝶閥調(diào)節(jié)，蝶閥的調(diào)節(jié)或關(guān)閉由數(shù)碼控制步進(jìn)電機(jī)控制，當(dāng)供氣管網(wǎng)壓力達(dá)到空壓機(jī)的額定卸載壓力99%時(shí)，調(diào)節(jié)閥開始工作，隨著供氣管網(wǎng)壓力的上升，調(diào)節(jié)量不斷增加。當(dāng)空壓機(jī)的排氣量等于工廠的用氣量時(shí)，調(diào)壓保持穩(wěn)定，當(dāng)壓力調(diào)整到工廠設(shè)定值時(shí)，氣量z*終能減少到空壓機(jī)額定氣量的60%左右。若此時(shí)供氣管網(wǎng)壓力略微升高，就觸發(fā)空壓機(jī)本身的控制器。然后空壓機(jī)就切換到卸載控制位置，空壓機(jī)放氣卸載；若調(diào)壓保持穩(wěn)定后，若空壓機(jī)的排氣量小于工廠用氣量時(shí)，隨著排氣壓力的降低，控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)，使得進(jìn)氣閥開啟度逐漸增大，直到完全打開為止（空壓機(jī)加載運(yùn)行）。
上述的容調(diào)閥節(jié)流調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)亦不是很復(fù)雜、在小范圍內(nèi)能起到對(duì)螺桿空壓機(jī)容量進(jìn)行調(diào)節(jié)的作用，但其缺點(diǎn)尤為突出。這種容量調(diào)節(jié)方式在使用過程中，只有當(dāng)供氣管網(wǎng)的壓力波動(dòng)到接近Pmax時(shí)，容調(diào)閥才進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)容量調(diào)節(jié)到額定值的60%時(shí)，若此時(shí)排氣壓力仍上升，需讓空壓機(jī)卸載運(yùn)行。因此，供氣管網(wǎng)內(nèi)的壓力仍會(huì)在Pmin～Pmax之間來回波動(dòng)。從運(yùn)行能耗角度考慮，會(huì)帶來兩個(gè)部分的能量浪費(fèi)。
（1）壓縮空氣壓力超過Pmin所消耗的能量，這一過程的能耗浪費(fèi)前面已說明。
（2）容量調(diào)節(jié)過程中氣電比升高引起的能量浪費(fèi)
圖4中，我們可以直接看出容量調(diào)節(jié)時(shí)，由于節(jié)流作用，降低了氣體的壓力和密度，故理論上可以進(jìn)行連續(xù)無級(jí)地調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的流量。圖3示出螺桿空壓機(jī)的采用吸氣節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)的特性曲線，理想的情況是功耗與容積流量成正比，即呈45°虛線所示。吸氣節(jié)流調(diào)節(jié)的曲線與理想情況下的偏差，是由于以下兩個(gè)相互制約的因素所引起的。當(dāng)吸氣節(jié)流時(shí)，一方面壓縮機(jī)的容積流量在減小，因此其功耗下降；另一方面節(jié)流使得吸氣壓力降低，壓比隨之升高，單位氣量的耗功也跟著增加。容積流量調(diào)節(jié)過程中的比功率增大，帶來了額外的能源浪費(fèi)。
另外，值得指出的是，當(dāng)采用吸氣節(jié)流的調(diào)節(jié)方法時(shí)，隨著壓縮比升高，壓縮機(jī)的排氣溫度也會(huì)升高。所以在無油螺桿空壓機(jī)中，由于排氣溫度的制約，這種調(diào)節(jié)方式的應(yīng)用場(chǎng)合有著嚴(yán)格的限制。只有當(dāng)排氣溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于所允許的z*大值時(shí)，才可以在無油螺桿空壓機(jī)中采用這種容量調(diào)節(jié)方法。
3.2 空氣壓縮節(jié)能理念分析
要想消減壓縮空氣系統(tǒng)的能耗，必須消減壓縮空氣的消耗量，從而減少壓縮機(jī)的耗電量。壓縮空氣的使用能耗可以用氣動(dòng)功率的積分表示。因此，如圖5所示，在壓縮空氣使用中，減少壓力、流量、時(shí)間任何一個(gè)變量，都可降低壓縮空氣能耗。例如，如能將壓縮機(jī)輸出壓力從0.7MPa降低到0.6MPa，可以節(jié)約壓縮機(jī)用電至少5.8%，考慮到壓力降低后泄漏的減少，降壓0.1MPa通常節(jié)能 8%～10%。
圖5式中：
Pa：大氣壓絕對(duì)壓力
Qa：換算到大氣狀態(tài)下的體積流量
t：時(shí)間
同時(shí)，節(jié)能的具體要素包括壓力、流量和時(shí)間，如圖6。
具體到壓縮空氣系統(tǒng)中三大環(huán)節(jié)（空壓站、管網(wǎng)、末端設(shè)備），采取如下的節(jié)能措施：
（1）壓縮空氣的產(chǎn)生：壓縮機(jī)的合理配置與運(yùn)行，供給壓力的降壓及運(yùn)行模式優(yōu)化，壓縮機(jī)與空氣凈化設(shè)備狀態(tài)的日常管理。
（2）壓縮空氣的傳送：泄漏的日常點(diǎn)檢與z*小化，接頭處的壓損改進(jìn)，管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)配置的合理化，耗氣量分配的監(jiān)測(cè)與日常管理。
（3）壓縮空氣的使用：噴嘴的合理化，各用氣節(jié)點(diǎn)壓力及流量的合理化，機(jī)器非工作時(shí)供氣的停止，分壓供氣，測(cè)量管路的z*短化。
日本在氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的研究和實(shí)施中，走在世界的前列。實(shí)施氣動(dòng)節(jié)能中的一些數(shù)據(jù)對(duì)我國具有很大的參考價(jià)值。日本企業(yè)實(shí)施氣動(dòng)節(jié)能的主要對(duì)象如圖7所示，氣動(dòng)系統(tǒng)投資回收期如表1所示。從數(shù)據(jù)中可以看出，氣源和噴嘴的節(jié)能是氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能s*要考慮的關(guān)鍵點(diǎn)，氣動(dòng)系統(tǒng)的投資回收期1年就可以收回67%的成本。泄露和配管的恰當(dāng)處理也可以很有效地實(shí)現(xiàn)壓縮空氣的節(jié)省。
4 當(dāng)前我國石油化工企業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)存在的主要問題
在當(dāng)前我國用戶的壓縮空氣系統(tǒng)中，能源浪費(fèi)主要表現(xiàn)為泄露偏大、壓縮機(jī)配置及運(yùn)行僅以保壓為目的、供給壓力不合理、噴嘴低效、設(shè)備用氣存在浪費(fèi)、現(xiàn)場(chǎng)工人用氣成本意識(shí)淡薄等問題。
在泄露問題上，工廠中的泄露量通常占供氣量的10%～30%，而管理不善的工廠甚至可能高達(dá) 50%。有時(shí)一個(gè)汽車組裝車間的泄漏點(diǎn)就有2萬個(gè)，其中，泄露量的90%以上來自設(shè)備使用中的零部件老化或破損。而尤為嚴(yán)重的是，現(xiàn)場(chǎng)管理人員遠(yuǎn)遠(yuǎn)地低估了泄漏造成的損失。比如，在供氣壓力為0.7MPa下的氣管中一個(gè)直徑1mm的泄漏小孔，每年導(dǎo)致的損失高達(dá)約3525度電，幾乎相當(dāng)于兩個(gè)三口之家的全年家庭用電，如表2。加強(qiáng)泄漏損失意識(shí)、普及泄漏檢測(cè)及預(yù)防手段是當(dāng)前工作重點(diǎn)。當(dāng)前國內(nèi)一些企業(yè)在開始利用ECOSO泄露檢測(cè)儀及泄露點(diǎn)掃描槍查漏堵漏，并已取得一些成效。
壓縮機(jī)的合理配置及合理運(yùn)行對(duì)節(jié)省用電非常重要。通常，為使輸出壓力波動(dòng)小，很多壓縮機(jī)采用吸氣閥調(diào)節(jié)方式。這種方式在沒有供氣的情況下也仍需消耗40%～70%額定功率的電力，浪費(fèi)較嚴(yán)重。為此，導(dǎo)入變頻控制、臺(tái)數(shù)控制，采用空壓機(jī)房節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)等措施對(duì)削減電力十分奏效。而這些在工廠的實(shí)際操作中基本都被忽略，保證壓力成為大多數(shù)工廠對(duì)壓縮機(jī)管理的w*要求。
另外，由于管道壓力損失不確定，設(shè)備啟動(dòng)存在流量高峰等原因，壓縮機(jī)的供氣壓力有時(shí)比現(xiàn)場(chǎng)要求壓力高出0.2MPa～0.3MPa。而末端設(shè)備每提高0.1MPa，壓縮機(jī)的耗電就提高4%～8%，造成了巨大的能源浪費(fèi)。有時(shí)也會(huì)為了少數(shù)幾臺(tái)壓力要求高的設(shè)備，而整個(gè)調(diào)高供氣的壓力，這在能源使用配置上極其不合理，非明智之舉。
噴嘴在噴氣織機(jī)、制造加工的精修及機(jī)加工等工藝現(xiàn)場(chǎng)被廣泛使用，其耗氣量在某些產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域達(dá)到總供氣量的50%。通常，噴嘴在使用過程中存在供氣管道過長、供給壓力過高、用直管銅管做噴嘴等問題。另外，現(xiàn)場(chǎng)人員很容易為了追求大沖擊力而擅自擴(kuò)大噴嘴噴口、提高供給壓力，從而造成很大的用氣浪費(fèi)，如圖8、9。
另外，在氣動(dòng)設(shè)備中存在用氣不合理的現(xiàn)象也比較突出，例如確定工件是否卡到位的氣體背壓檢測(cè)、真空發(fā)生器給氣等存在不工作也不間斷供氣現(xiàn)象。尤其是化學(xué)藥液槽等用于攪拌目的的用氣、輪胎制造中的定型充氣等，從0.7MPa的高壓減壓到0.1MPa～0.2MPa使用的現(xiàn)象非常普遍，浪費(fèi)得令人痛心。從工藝上把握設(shè)備的實(shí)際需要壓力和z*低耗氣量是使設(shè)備耗氣合理化的前提。由于設(shè)備用氣不合理導(dǎo)致的浪費(fèi)平均估計(jì)為供氣量的20%。
以上種種問題，表明當(dāng)前壓縮空氣系統(tǒng)的使用中用氣浪費(fèi)比較嚴(yán)重。用氣設(shè)備的節(jié)能改造措施有：①使用新型氣動(dòng)噴嘴節(jié)能裝置和脈沖式氣槍，工件到位時(shí)噴嘴開始吹掃；②工件到位時(shí)真空發(fā)生器開始供氣；③高耗能氣動(dòng)設(shè)備改為電動(dòng)設(shè)備（工藝攪拌）；④大型氣缸改兩節(jié)節(jié)能型氣缸；⑤壓縮空氣滿足設(shè)備z*低需求壓力，增加合適儲(chǔ)氣罐緩沖瞬間大的用氣量；⑥在特定行業(yè)采用專業(yè)氣動(dòng)設(shè)備，如電解鋁行業(yè)推廣使用的打殼缸專用節(jié)氣閥等。
因此，只要對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)開展詳細(xì)調(diào)查，明確問題所在，采取合理有效的節(jié)能措施，整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)20%甚至更高的節(jié)能效果。
5 壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能在中國具有重大意義
筆者曾對(duì)中國某橡膠企業(yè)進(jìn)行氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能改造，z*終使工廠每單位產(chǎn)量壓縮機(jī)耗電量削減了30%以上，如表3、圖10所示。2010年初，筆者對(duì)中國某輪轂企業(yè)進(jìn)行氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能改造，同樣實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能30%以上，如表4所示。在我國如果能廣泛開展氣動(dòng)節(jié)能活動(dòng)、普及氣動(dòng)節(jié)能技術(shù)，每年可為國家節(jié)約用電約600億度，折合金額360億元，具有非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
目前，針對(duì)我國化工、化纖、紡織、汽車、橡膠、電子半導(dǎo)體、加工機(jī)械等制造行業(yè)的大中型企業(yè)，以降低空氣壓縮機(jī)能耗為目的，結(jié)合各個(gè)行業(yè)特點(diǎn)研究切實(shí)可行的節(jié)能技術(shù)，制定一整套行之有效、易于實(shí)施、投資回收期小的節(jié)能實(shí)施流程，將節(jié)能措施行業(yè)化、系統(tǒng)化、具體化、可操作化、可視化并進(jìn)而規(guī)范化，可為企業(yè)的節(jié)能降耗和國家的節(jié)能目標(biāo)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
[1]邢子文.螺桿壓縮機(jī)——理論、設(shè)計(jì)及應(yīng)用 [M].機(jī)械工業(yè)出版社，2000.
[2]蔡茂林,香川利春.氣動(dòng)系統(tǒng)的能量消耗評(píng)價(jià)體系及能量損失分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007（43）:70.
[3]孔德文 ,林惟鋟.螺桿空壓機(jī)容積流量調(diào)節(jié)的能耗分析[J].液壓與氣動(dòng)，2011.
網(wǎng)友評(píng)論
條評(píng)論
最新評(píng)論