压缩空气系统构建及能效评价

　　【买空压机网】气动是工业三大动力之一，不仅广泛应用于各种制造行业，而且是航空航天、造船、高铁、半导体、医药等行业多种高端装备中不可替代的组成部分。随着我国工业化水平的不断提升，我国对气动设备的需求不断增加，在工业生产中平均占据工厂总耗电量的9%，有些工厂甚至高达45%，压缩空气系统已不可避免地成为节能工作的主要对象。在能源问题突出的今天，气动系统使用中浪费严重等问题已然引起了人们的广泛关注，气动系统的节能在我国正成为一个重要而迫切的课题。

　　一、压缩空气系统组成

　　压缩空气系统由气源设备和气源处理元件、气动执行元件、气动控制元件、气动辅助元件、真空元件以及其它元器件组成，如图1所示。

　　1.气源设备

　　(1)空压机（全称空气压缩机）的作用是将电能转化成压缩空气的压力能，供气动设备使用。空压机按照工作原理分为活塞式空压机、螺杆式空压机、离心式空压机。

　　(2)后冷却器。后冷却器（如图2）的作用是将空压机出口的高温空气冷却至40℃以下，将大量水蒸气和油雾冷凝成液态水滴和油滴，以便将它们清除。

　　(3)储气罐。储气罐的作用是消除压力脉动；依靠绝热膨胀及自然冷却降温，进一步分离掉压缩空气中的水分和油分；贮存一定量的气体，一方面可缓和短时间内用气量大于空压机输出气量的矛盾，另一方面可在空压机出现故障或停电时，维持短时间的供气，以便保证气动设备的安全，如图3所示。

　　(4)管路系统指从气源到末端用气设备的气体输送管路。

　　2.气源处理元件

　　从空压机输出的压缩空气中含有大量的水分、油分和粉尘等污染物，必须使用气源处理元件适当清除这些污染物，以避免它们对气动系统的正常工作造成危害。气源处理元件主要包括：自动排水器、过滤器、干燥机、空气组合元件等。

　　(1)自动排水器。自动排水器主要用于排出管道低处和油水分离器、气罐及各种过滤器底部等处的冷凝水。它可安装于不便进行人工排污水的地方，如高处、低处、狭窄处，以防止人工排水被遗忘而造成压缩空气被冷凝水重新污染。自动排水器分为气动自动排水器和电动自动排水器，如图4所示。

　　(2)过滤器。过滤器分为主管路过滤器、空气过滤器、油雾分离器、微雾分离器、超微雾分离器以及除臭过滤器和水滴分离器。它们的作用是清除空气中的油污、粉尘、水滴以及有害气体等，以获得洁净的压缩空气，如图5所示。

　　(3)干燥机。压缩空气经后冷却器、油水分离器、气罐、主管路过滤器得到净化后，仍含有一定量的水蒸气，使用干燥机来进一步清除水蒸气，但不能依靠它清除油分。干燥机有冷冻式、吸附式和高分子隔膜式等，如图6所示。

　　(4)空气组合元件。为了得到多种功能，将空气过滤器、减压阀和油雾器等元件进行不同的组合，就构成了空气组合元件。气动三联件为常见的空气组合元件，是由空气过滤器、减压阀和油雾器组成的，如图7所示。

　　3.气动执行元件

　　将压缩空气的压力能转换为机械能，驱动机构作往复运动、摆动和旋转运动的元件，称为气动执行元件。

　　主要有直线气缸、摆动气缸和气爪等，如图8所示。

　　4.气动控制元件

　　通过它们改变工作介质的压力、流量或流动方向来实现执行元件所规定的运动，如各种压力、流量、方向控制阀和各种气动逻辑元件。气动控制元件主要包括压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀、电气比例阀。

　　(1)压力控制阀。压力控制阀主要有减压阀和增压阀。减压阀是将较高的进口压力调节并降低到符合使用要求的出口压力的一种装置，其出口侧压力可调，并能保持出口侧压力稳定的压力控制阀，如图9所示。增压阀是将系统中的低压气体按比例转化为高压气体的一种装置，如图10所示。

　　(2)流量控制阀。流量控制阀的作用是控制压缩空气的流量，它可以控制气缸运动速度、信号延迟时间、油雾器的滴油量、气缸的缓冲能力等，如图11所示。

　　(3)方向控制阀。常用的方向控制阀有电磁换向阀、气控换向阀以及人力换向阀。如图12、13、14。

　　(4)电气比例阀。电气比例控制属于连续控制，其特点是输出量随输入量的变化而变化，输出量与输入量之间存在一定的比例关系。电气比例阀如图15所示。

　　5.气动辅助元件

　　气动辅助元件主要有消声器、排气洁净器和管接头及气管等。

　　(1)消声器和排气洁净器。消声器是允许气流通过，却又能阻止或减小声音传播的一种器件，是消除空气动力性噪声的重要元件。排气洁净器可减低噪声及油雾的污染，以保持宁静清洁的工作环境，分别如图16、图17所示。

　　(2)管接头及气管。管接头及气管是将上述各种气动元件进行连接的辅助元件，如图18所示。

　　通过电动机驱动的空气压缩机，将大气压状态下的空气压缩成具有较高压力的压缩空气，经过空气净化设备除去压缩空气中所含的水分、油分和尘埃等污染物，干燥洁净的压缩空气经过传输管路到达执行元件以及末端用气设备。

　　二、空压机的能耗

　　工厂内的用电设备主要有：照明设备、空调设备、电热设备、给排水设备、动力设备和制造设备等。作为重要动力设备的空气压缩机耗电量平均占工厂内用电设备的总用电量的9%，这个数据是非常惊人的，这也是从业者长期关注节能的重点，本文不再赘述。

　　三、压缩空气的成本及其计算方法

　　1.压缩空气的成本

　　压缩空气尽管来自于大气，不是资源性气体，但并非免费使用。为制造压缩空气，工业空气压缩机需要消耗大量的电力。另外，企业还需负担工业空气压缩机的购置费用、维护费用以及润滑油费用等。空压机生命周期成本的绝大部分为电费成本，占整个生命周期的84%左右，如图19所示。

　　空气消耗量是指气动设备单位时间或一个动作循环下所消耗空气的体积。通常，该体积用换算到标准状态（100kPa、20℃、相对湿度65%，以下用ANR表示）下的体积来表示，单位为L/min（ANR）或L（ANR）。

　　空气消耗量是当前评价气动设备耗气的主要指标，在工业现场被广泛采用。由于空气消耗量表示的是体积而不是能量，所以用它来表示能量消耗时需通过空压机气源的比能量指标来换算。空压机的比能量：输出单位体积压缩空气所需的平均耗电量，单位kW·h/m³（ANR）。空压机的比能量因空压机和输出压力而异。若输出压力为0.7MPa（G），一般工厂主要型号空压机的比能量为0.08～0.12kW·h/m³（ANR），一般取0.10kW·h/m³（ANR）。工业用电平均电费取0.7元/kW·h，则压缩空气的成本为0.07元/m³（ANR）。

　　案例:某司压缩空气成本计算。该公司共有1期和2期两个空压机房，#1～#6空压机在1期机房，#7～#14空压机在2期机房。其中，低压空压机（0.83MPa）11台，中压空压机（1.4MPa）3台，具体配置如表1和表2所示。

　　空压机每年的电力消费约为480万kW·h，由此可计算出空压机耗电量每月随产量变化而波动的情况，每月平均耗电量为40万kW·h（因#7空压机没有安装电表，故不含#7空压机)。由表1和表2可得，10台75kW、3台37kW的压缩机每月耗电量为40万kW·h，相当于14台空压机每月满负荷工作465h，除去星期日，相当于每天满负荷工作17.9h，空压机设备资源处于非常紧张的使用状态。

　　(1)低压压缩空气（0.83MPa）

　　11台低压空压机的总额定功率为825kW。

　　11台低压空压机的总产气量为132m³/min。

　　所以，比能量为：825/132/60kW·h/m3=0.1042kW·h/m³。电费平均单价按0.7元/kW·h计算，电费占比按80%计算，压缩空气的成本为0.091元/m³。

　　(2)中压压缩空气（1.4MPa）3台中压空压机的总额定功率为111kW。

　　3台中压空压机的总产气量为11.1m3/min。

　　所以，比能量为：111/11.1/60=0.1667 kW·h/m3。

　　电费平均单价按0.7元/kW·h计算，电费占比按85%计算，压缩空气的成本为0.137元/m3。

　　四、压统空气系统的能效评价

　　目前，压缩空气系统的能效评价主要有两种方法：空气消耗量和气动功率。

　　1.空气消耗量

　　空气消耗量是一种传统的评价体系，是指气动设备单位时间或一个动作循环下所耗空气的体积。通常，该体积用换算到标准状态（100kPa、相对湿度65%、20℃以下用ANR表示）下的体积来表示，单位为m³/min(ANR)或L/min(ANR)。空气消耗量是当前评价气动设备耗气的主要指标，在工业现场被广泛使用。

　　由于空气消耗量表示的是体积而不是能量，所以用它来表示能量消耗时需通过压缩机的比功率（Specific Power）或比能量（Specific Energy）指标来换算。

　　比功率表示的是输出单位体积流量压缩空气所需的平均电功率，单位为kW/(m³/min)；

　　比能量表示的是输出单位体积压缩空气所需的平均耗电量（kW·h/m³）。

　　从以上定义可以看出，两者虽然名称不同，但表示的是同一概念，在单位上可以相互换算。

　　例如某空压机的额定功率为75kW，额定输出流量为12m3/min，则其比功率为

　　其比能量为:

　　因此，通过比功率或比能量就可进行空气消耗量的能耗换算。例如某设备的空气消耗量为1.0m³/min(ANR)，其所在企业空压机的比功率为6.25kW/(m³/min)，空压机入口处的大气压力为101.3kPa，大气温度为30℃，该设备的实际用气能耗可按以下步骤计算。将设备耗气转换成空压机入口处大气状态下的体积流量：

　　用比功率进行能量计算:

　　空压机房的比能量，通常是指空压机房在一段时间内耗电总量和输出的压缩空气总量的比值。这个比值一般会作为整个企业压缩空气价格的计算依据。

　　如某空压机房，输出100m³(ANR)的压缩空气，耗电量为12kW·h，则该空压机房的比能量为11/100kW·h/m³=0.12kW·h/m³。如果该企业的平均电价为0.7元/kW·h，则该企业的压缩空气的价格为0.12kW·h/m³×0.7元/kW·h=0.084元/m³。

　　再如某设备的空气消耗量为MPa/kPa（ANR），其所在工厂气源的比能量为0.12kW·h/m³（ANR）时，该设备的实际用气能耗可按公式计算。P=qα=1.0×60×0.12kW·h=7.2kW。

　　因此，用比功率、比能量的概念，就能看出空压机或设备的能效状况。这种能量消耗评价体系，尽管可以评价设备最终的用气能耗，但具有以下两个缺点。

　　1)表示设备特性之一的空气消耗量不具有能量单位，不能独立地表示设备能耗，设备能耗还依赖于所用气源的比能量。

　　2)无法对气源输出端到设备使用端的中间环节的能量损失做出量化，比如管道压力损失导致的能量损失无法计算。

　　要克服以上缺点，必须提出一个新的概念，这个概念既独立于气源，同时又与压力变化相关的能量消耗评价量，如同电力只取决于电压与电流一样，该评价量应只取决于压缩空气的当前状态，这个评价量就是气动功率。

　　2.气动功率

　　根据热力学理论，流动空气的能量由焓（H）、运动能和势能组成。其中，运动能和势能比较小，以致可以忽略不计，而焓由内能（U）与传递功（Pv）组成。

　　所以，流动空气的能量可以表示为H=U+Pv=mCpθ。

　　式中m——空气质量；

　　Cp——空气质量定压热容;

　　θ——空气温度。

　　根据上公式，空气的能量取决于空气的质量和温度，与压力无关。即使是大气状态的空气，也含有大量的焓。对于气动系统内的能量转换，可直观地考虑为空压机电动机先做功将空气压缩，并将做功能量储存到压缩空气中，随后压缩后的空气在气缸等执行元件处将该能量释放输出机械能，实现动力传递的目的。这样，储存在压缩空气中的能量伴随空气的压缩或膨胀而递减，具有与焓完全不同的性质。因而，焓不能表示气动系统中储存在压缩空气中的能量。

　　为考察压缩空气中的能量，讨论压缩空气的对外做功能力，即压缩空气所含焓中可转换成机械能的部分，该部分能量被称为压缩空气的有效能。

　　根据相关参考文献，气动系统中压缩空气的有效能定义为：以大气温度和压力状态为外界基准，压缩空气具有对外做功的能力。该有效能是一个相对于大气状态基准的相对量，是建立在气动系统都工作在大气环境下这样一个事实基础上的。有效能在大气温度下可用以下公式表达：

　　式中E——有效能；

　　p——压缩空气绝对压力；

　　V——压缩空气体积；

　　pa——大气绝对压力。

　　根据该公式，有效能取决于空气的压力和体积，在空气压力等于大气压力时，有效能为零，压力越高有效能值越大。

　　例如，绝对压力0.8MPa、流量1000 L/min（ANR）的压缩空气的气动功率为3.49kW。从单位kW可以看出，气动功率使工厂中的压缩空气可以与电力一样，在kW单位下统一起来进行能量消耗管理。

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