空压机节能途径及应用浅议

　　【买空压机网】2021年4月16日，习近平总书记在同法国德国领导人举行视频峰会时指出：中国将力争于2030年前实现二氧化碳排放达到峰值、2060年前实现碳中和，这意味着中国作为世界上最大的发展中国家，将完成全球最高碳排放强度降幅，用全球历史上最短的时间实现从碳达峰到碳中和，这无疑将是一场硬仗。

　　在此背景下，空压机系统能耗高的问题逐渐凸显，对空压机节能技术也提出了新要求。空压机系统能耗问题主要体现在：1.空压机设备能耗高；2.主机泄露严重；3.压力损失大（例如：输气管道压力损失等）；4.布局不合理；5.缺乏动态调节；6.缺乏能量回收利用方案。

　　一、空压机节能三大途径

　　大家一直在讲节能，究竟如何节能？主要的途径有3个：一是提高电能利用效率；二是高效驱动器；三是降低主机比功率。

　　途径一：提高电能利用效率

　　策略1：降低无功损耗

　　我们做节能，就要把每一个环节做到应节尽节，不要忽略可利用的机会。众所周知，西电东输就是利用高压输电技术，为什么不用低压？因为用低压输电损耗太大了。所以提高电能利用率的策略之一就是降低无功损耗，解决方案是去掉变压器改用高压电机。毕竟，10kV转380V变压器的无功损耗还是比较严重的。当然，针对小功率空压机，不推荐使用6kV或者10kV以上的电压，推荐在200kW以上功率段使用。

　　策略2：降低线路损耗

　　解决方案：高压输电

　　传输电力用的电缆也会耗电。空压机在运行的过程中，我们去测量电缆温度会发现电缆是热的。它的热量是哪来的？一定是电能转换来的。但是高压机由于传输电流很小，电缆基本不会发热。

　　提高电能利用效率的策略总结起来就是通过使用高压电的方式提高电能利用率。

　　途径二：高效驱动器

　　通常电机的节能方式就是变频，因此空压机行业近十年的潮流就是用永磁变频技术提高压缩机的能效水平。永磁变频有两个好处，一是它可以通过省去励磁过程来降低损耗；二是它可以随气量的变化进行动态调控。因此，途径二的核心就是利用永磁变频技术实现节能。

　　途径三：降低主机比功率

　　据笔者在上海国际压缩机及设备展会上的观察，现在还有很多单级压缩的机器。单级压缩的效率较低，所以我们要提高压缩效率，一是减少齿间泄露，二是尽可能地去采用接近等温压缩的方式，提升压缩效率。所以，采用两级压缩技术很有必要。

　　综上所述，这三条途径分别对应空压机行业三大节能技术，分别是高压、永磁变频和两级压缩，所以就会诞生一个产品叫做高压永磁变频双级压缩机。

　　二、三大途径节能原因分析

　　1.为什么要用高压电？

　　负载损耗：变压器每天的损耗=（空载损耗+负载损耗×负荷率的平方）×24

　　空载损耗：当变压器二次绕组开路，一次绕组施加额定频率正弦波形的额定电压时，所消耗的有功功率称空载损耗。

　　用高压电和用低压电的区别到底有多大？我们来假设一个数据，用常见的800kVA变压器来举例。客户有可能会是一个2000kVA、3150kVA，甚至更大的变压器，我们来看一下800kVA变压器的损耗有多少。

　　以800kVA干式变压器的损耗为例，变压器的负荷率在50%，则一天的耗电量为：

　　800kVA干式电力变压器空载损耗有1160W，一个月约为24×30×1.16=835.2度电。

　　800kVA干式电力变压器负载损耗有5220W，一个月约为24×30×5.22=3758.4度电。

　　空载损耗即不变损失，与通过的电流无关，但与元件所承受的电压有关。

　　空载损耗就是只给变压器上着电，后面没有任何负载，此时仅变压器耗电。它的空载损耗有大约1160瓦，一个月就可以给耗掉800多度电，而这800多度电是被白白浪费掉的。在负载的时候，变压器的损耗能达到5000多瓦，此时一个月会白白浪费掉3700多度电。

　　高压机会不会有这种损耗呢？也会有。比如在它的上级变压器，像35kV、110kV、220kV变10kV的时候也有损耗。但是损耗少了10kV变380V这一部分，所以也会少损耗一部分电能。

　　2.为什么使用永磁同步电机？

　　永磁电机为什么节能？普通的异步电机定子线圈通电产生旋转磁场，磁场切割转子，转子产生交变电流，该电流产生磁场，定子磁场带动转子磁场转动。这个过程中转子在耗电，因为转子本身是没有磁性的，它的磁场能量是通过吸收电网的电能而来。而永磁变频同步电机，由于转子永磁体自带磁场，当电机定子线圈通电产生旋转磁场，定子旋转磁场可直接带动转子磁场转动，这样就省去了一个励磁的环节。

　　永磁电机的效率和功率因数随负载率及转速的变化不大，而普通异步电机的效率和功率因数随负载率及转速的变化非常大。

　　3.变频控制的节能原理

　　异步电机在低负荷的时候效率会很低，所以永磁电机更适合进行调控。从不同类型电机效率对比图可以看出，功率因数相差很多。

　　4.恒压供气

　　恒压供气这个道理大家都明白，但是大家在做的时候有一些差异。例如：客户要的是8kgf机型，不代表客户就需要8kgf恒压供气，如果压缩机按8kgf恒压供气，这样就比较浪费能源。调试是要把压缩机调整到客户的最佳使用状态，而不是把压缩机调成出厂状态。所以调试这个环节很重要，需要把压力调整到客户真实需求的压力状态，即空压机工作的最佳工况。

　　空压机压力不需要调很高，因为太高了客户没有用途，只要满足客户的需求即可，省去了原来加卸载的过程，省去了下图中黄色阴影区域多余的这部分压力，那这部分功就不用做了，所以就节省了电费。

　　5.双级压缩更趋近于等温压缩

　　看上边这个PV图，在吸气-压缩-排气这个过程中，单级压缩是从a点直接压缩到c点，然后进行排气；如果是双级压缩会从a点压缩到b点，然后进行一次热交换后走到f点，最后从f点进开始第二级压缩走到d点。绿色区域这部分功就是要省下来的，这也是双级压缩节能的核心原理。

　　我们看一下效率对比，一般情况下，8kgf机型，单级压缩的比功率不低于7，做到7以下比较困难。如果用双级压缩的形式，可以做到6以下。

　　6.减少主机内泄漏

　　主机泄漏为什么会耗能？因为压缩空气是一种转化率比较低的能源，好不容易压缩出来的压缩空气，通过泄漏三角形又回到了起点，导致压缩效率降低，这是很大的浪费。

　　如何去降低泄露？那就要减小这个泄露三角形的面积（见下图右图），这也是我们提高空压机效率的一个重要手段。当然，现在随着中国机加工技术崛起，主机的精度得到了大幅提高。

　　那要如何进一步降低泄露损失？这就要用到两级压缩。从第二级出口泄露到第一级进口，中间有一个压力差，压缩气体无法直接回到进口，它会在级间有个膨胀过程，当它膨胀之后体积变大了，再通过第一级泄露的时候，泄漏量一定会变小。这也是两级压缩为什么比单级更节能的另外一个原因。

　　7.管路优化，降低压力损失

　　经过上述这么多的节能方式介绍，我们再来看一下压缩机外围的一些节能手段：

　　·使用最少的弯头、最大化使用直管，最大程度减小压力损失，提升空压机效率；

　　·通过改进气控技术，实现空压机轻载启动，提升设备运行稳定性；

　　·使用管路多级密封卡套，通过三级密封保证管路密封的可靠性，防止管路泄露；

　　·优化进气系统管路，降低吸气压损；

　　·油分采用二次回油控油设计，减少压缩空气浪费；

　　·提高油气桶粗分离效果，可以有效减少油分芯的压力损失。

　　（1）在设计过程中尽可能少的使用弯头，最大化的采用直管设计，或者是弯一个弧度比较大的弯管，能用90度就不用180度，能用45度的就不用90度，能做直管就不用45度的弯头。另外，可以加大管径。加大管径会降低流速，把压力损失尽可能的做到最小。

　　（2）要通过控制技术让压缩机启动更容易，因为压缩机的启动电流很大。永磁变频会让空压机休眠，在需要频繁启动时，它的电耗就会大大提高。

　　（3）康普斯三级管路密封技术，可有效防止管路泄露。

　　（4）优化进气管路，降低吸气压损。主机有两个重要系数：吸气温度系数和吸气压力系数。想要做好这两个系数，就要做到合理布局。

　　一是合理设计空滤安装位置，使空滤吸入冷空气，从而改善吸气温度系数，降低能耗；二是降低进排风阻力，可以改善吸气压力系数，同时也有利于提高散热器的散热效率，减小风机电机功耗；三是完整的冷热交换循环更符合冷气从下部进，热气从上部排出的原理。

　　（5）二次回油的控油设计，控制回油量，油分流入机头的尽可能都是螺杆油，而不是压缩空气。

　　（6）需要把油气桶的分离效果做好。为什么油气桶的效果做好会节能，这一点大家可能不理解。我们这样做一个假设，当油分芯一直处于饱和过滤油的状态，阻力一定是大的。有人会说，油分厂家生产的油分不好，压力损失比较大。这个说法有时候是真的，确实是油分芯不达标。但是还有一些情况，可能是油气桶设计的不是很好，因为有大量的油雾需要进行过滤，所以压力损失很大。我们要尽可能的把更多的油用油气桶分离掉，降低油分的压力损失，从而获得节能。

　　三、节能技术在康普斯压缩机产品上的应用

　　1.防爆永磁变频技术应用于煤矿井下用变频空压机：①相较传统空压机启动冲击小，运行可靠；②变频控制减少电能浪费；③体积更小，更适合井下狭小的空间。

　　2.高压永磁变频技术：①省掉了低压变压器，减少了变压器输电损失，电能利用率高；②内置变频系统实时调节转速，减少用气波动造成的电能损失；③启动电流小，降低电网冲击，使用更安全。

　　3.永磁变频干式无油螺杆机：①转子采用超级涂层，防止因磨损造成的泄漏，保证稳定持久的运行性能；②可靠的冷却系统有效降低压缩机功耗，提高主机效率；③变频调控，更宽的气量适应范围。

　　永磁高速变频离心式压缩机：①独有的加工工艺制造出更高效的一次成型叶轮，提高压缩效率；②采用三元流叶轮设计，使气体流动效率更高；③搭载高速永磁同步电机，用最小的能耗达到更好的效果。

　　以上是笔者关于空压机节能的一些分享，希望对行业发展进步有所助益！

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