作為工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的動(dòng)力源，壓縮空氣在工業(yè)生產(chǎn)中占總能耗的19%～35%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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)每年的電耗占全國總電耗的6%以上。空壓機(jī)運(yùn)行成本由采購成本、維護(hù)成本和能源運(yùn)行成本組成。據(jù)全生命周期評價(jià)理論來看，采購成本僅占10%左右，而能源成本卻高達(dá)77%。隨著企業(yè)對壓縮空氣系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的深入和節(jié)能減捧的需求，迫切需要選擇適合的技術(shù)對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造以達(dá)到最好的節(jié)能效果。
因各企業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)的特點(diǎn)和適用的節(jié)能技術(shù)不同，為提高節(jié)能改造成功率，節(jié)能改造不能盲目實(shí)施。一般在對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面分析、測試和評估的基礎(chǔ)上，選擇適合的節(jié)能措施顯得尤為重要。本文在基于氣動(dòng)系統(tǒng)能量消耗評價(jià)及能量損失分析理論的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)構(gòu)成的各個(gè)環(huán)節(jié)入手，對目前存在的和新興的一些空壓機(jī)節(jié)能技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析和探討，總結(jié)出了如下節(jié)能措施要點(diǎn)。
①壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)階段。長期以來，壓縮機(jī)一直采用降壓啟動(dòng)，以工頻恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行模式進(jìn)行工作。因選擇壓縮機(jī)時(shí)是根據(jù)壓縮空氣最大需要量來確定的，所以整個(gè)運(yùn)行過程空壓機(jī)出現(xiàn)頻繁起動(dòng)，造成能源浪費(fèi)。由此，可考慮一些克服頻繁起動(dòng)的具體途徑．以達(dá)到節(jié)電的目的。另外，針對空氣壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，也可考慮一些優(yōu)化設(shè)計(jì)。
②壓縮空氣的產(chǎn)生階段。主要是涉及到不同類型壓縮機(jī)的合理配置和維護(hù)，運(yùn)行模式的優(yōu)化，空氣凈化設(shè)備的日常管理。
③壓縮空氣的輸送階段。主要是管網(wǎng)配置的優(yōu)化，高低壓供氣管道分離；耗氣量分配的實(shí)時(shí)監(jiān)管，泄漏的日常點(diǎn)檢與最小化，接頭處的壓損改進(jìn)等。
④壓縮機(jī)余熱回收階段。通過熱交換等手段將空氣壓縮過程中產(chǎn)生的熱量回收，用于輔助采暖和工藝加熱等。
變頻調(diào)速方式
空壓機(jī)在工作時(shí)，由于同時(shí)工作的設(shè)備臺(tái)套數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，因此耗氣量也隨之變化。當(dāng)耗氣量減少時(shí)，如果空壓機(jī)還在高速運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅浪費(fèi)了能源，還可能因氣包內(nèi)壓力不斷升高，引發(fā)超壓事故。為了解決這一問題，空壓機(jī)上均設(shè)有自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)。對于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的空壓機(jī)，當(dāng)需要的耗氣量減少時(shí)，
空壓機(jī)自動(dòng)投入輕載或空載運(yùn)行；反之，又能自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。常用的調(diào)節(jié)方式主要是關(guān)閉吸氣管法，使空壓機(jī)空轉(zhuǎn)，捧氣量等于零。這種調(diào)節(jié)方法簡便易行，經(jīng)濟(jì)性好，廣泛應(yīng)用于中小型空壓機(jī)上。在空壓機(jī)充氣和空載交替運(yùn)行過程中，牽引電機(jī)也是在滿載和輕載之間周期性地轉(zhuǎn)換：滿載時(shí)，電機(jī)處于高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，輕載時(shí)電機(jī)處于非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，浪費(fèi)了大量電能，而變頻調(diào)速方式可以很好的解決這一問題。
(1)、變頻調(diào)速的基本原理
變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系，通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為；
n=n.（l-s）=60f（l-s）/p
式中：
n-電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min;
n．——定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速．也叫異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，r/min;
p-磁極對數(shù)；
s-電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率．s=(n.-n) /n;
f-電源的工作頻率．HZ。
由轉(zhuǎn)速公式可知，可以通過改變磁極對數(shù)p、轉(zhuǎn)差率s和頻率f的方法實(shí)現(xiàn)對異步電機(jī)的調(diào)速。可以知道，如果能設(shè)法改變?nèi)嘟涣麟妱?dòng)機(jī)的供電頻率f．就可以十分方便地改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，這比改變極對數(shù)p和轉(zhuǎn)差率s兩個(gè)參數(shù)要簡單得多。
由異步電機(jī)的電勢公式E =4.44KN．f.￠m，可知，外加電壓近似與頻率和磁通乘積成正比，即U=E= C.f￠，其中C1為常數(shù)，若外加電壓不變，則磁通會(huì)隨著頻率的下降而增加，造成磁路過飽和，勵(lì)磁電流增加，功率因數(shù)下降，鐵蕊和線圈過熱，顯然，這樣會(huì)造成電機(jī)工作不安全。此外，在許多場合，為了保持在調(diào)速時(shí)電機(jī)產(chǎn)坐的最大轉(zhuǎn)矩不變，需要使得磁通不變，所以人們常常采用頻率和電壓協(xié)調(diào)控制來實(shí)現(xiàn)，即可變頻率可變電壓調(diào)速(VVVF)，簡稱變頻調(diào)速。變頻調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置是頻率變換器，即變頻器，它的作用是提供變頻電源。變頻器可分成交～直～交變頻器和交～交變頻器兩大類。目前國內(nèi)大都使用交～直～交變頻器，其特點(diǎn)：效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗，應(yīng)用范圍廣，適用于要求精度高、調(diào)速性能較好的場合。
交～直～交變頻調(diào)速系統(tǒng)的變頻部分是由整流器、濾波器和逆變器三部分組成的。整流器的作用是把交變電流轉(zhuǎn)換為直流電，濾波器的作用是把整流后的電壓或電流進(jìn)行濾波，逆變器的作用與整流器的作用相反，它是將恒定的直流電轉(zhuǎn)換為可調(diào)電壓可調(diào)頻率的交流電，它是變頻器的主要組成部分。工作時(shí)首先將三相交流電經(jīng)整流器整流為直流電，脈動(dòng)的直流電經(jīng)平滑濾波后，在微處理器的調(diào)控下，用逆變器將直流電再逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電，輸出到需要調(diào)速的電動(dòng)機(jī)上。由電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可知電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，通過變頻器可任意改變電源輸出頻率，從而任意調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)平滑的無級(jí)調(diào)速。
(2)、變頻調(diào)速的節(jié)能分析
①恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載類應(yīng)用
恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載即不管轉(zhuǎn)速如何變，負(fù)載轉(zhuǎn)矩是恒定的。其公式如下：
P=KXT×n
式中：
P為軸功率，K為系數(shù)，T為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，n為轉(zhuǎn)速。
從公式可以看到，軸功率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)后，如當(dāng)由于工藝的需要而降低電機(jī)轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速的80%時(shí)，相應(yīng)的電能消耗降低為原來的8096。
②變轉(zhuǎn)矩負(fù)載類應(yīng)用
由流體力學(xué)的基本定律可知：壓縮機(jī)屬變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與排量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q≌n，H≌N，P≌n3:也就是說，捧量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速稍有下降時(shí)，軸功率將大幅下降。如當(dāng)流量為額定流量的80%，Pn僅為0.51。軸功率僅為額定功率的51%，下降近一半。因而，當(dāng)變頻應(yīng)用于空壓機(jī)負(fù)載，用氣量有變化時(shí)就夠節(jié)能，且節(jié)能效果非常顯著。
優(yōu)化空氣壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
實(shí)行空壓站集中供氣，不僅便于管理，節(jié)約投資，還可以提高設(shè)備的利用率，更方便地調(diào)節(jié)供氣壓力和供氣量，滿足生產(chǎn)的需要。設(shè)計(jì)時(shí)，首先要根據(jù)用氣裝置的分布情況，各裝置用氣時(shí)間和用氣壓力的情況，盡可能地避免輸送管道過長而引起的較大的阻力損失和泄漏損失，而設(shè)計(jì)一個(gè)或兩個(gè)甚至更多的空壓站。實(shí)行分片供氣或分片聯(lián)網(wǎng)供氣，同時(shí)空壓站的位置應(yīng)該位于該片供氣系統(tǒng)的中心，并盡量離用氣量大、用氣壓力高的裝置近一些。其次，對輸送管道的設(shè)計(jì)也要認(rèn)真對待，盡量做好：在沒有障礙物的情況下，管道越短越好；為盡量降低泄漏率，管道輔設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先采用輻射狀而少采用樹枝狀方式輸送壓縮空氣；優(yōu)化保障重點(diǎn)裝置的供氣壓力和供氣量。最后，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮空壓機(jī)的運(yùn)行環(huán)境，盡可能降低吸氣溫度，保障吸氣清潔度，并配備良好的冷卻系統(tǒng)。
壓縮空氣的產(chǎn)生階段
單臺(tái)空壓機(jī)節(jié)能
采用的主要節(jié)能措施有：
(1)保證進(jìn)口空氣潔凈度。
(2)降低空壓機(jī)進(jìn)氣溫度，提高效率。
(3)潤滑油油壓對離心機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)影響大，故需選用含消泡劑和氧化穩(wěn)定劑的潤滑油。
(4)重視冷卻水水質(zhì)，合理冷卻水捧污量，有計(jì)劃地補(bǔ)水；
網(wǎng)的冷凝水捧放點(diǎn)要定期捧放；
(6)為防止空氣需求變化過快等引起喘振，注意調(diào)整機(jī)組設(shè)定的
比例帶和積分時(shí)間，盡量避免用氣突減。
壓縮空氣干燥工藝的改進(jìn)
目前最常用的壓縮空氣干燥處理設(shè)備分為冷凍式、無熱再生式和微熱再生復(fù)合式，主要性能比較如表1所示。
節(jié)能改造方向應(yīng)遵循以下原則：①若原系統(tǒng)對空氣進(jìn)行過高純度處理時(shí)，改成較低的匹配的處理方式。②改進(jìn)干燥工藝，減少干燥處理環(huán)節(jié)的壓損(某些系統(tǒng)干燥器處壓損達(dá)0. 05～0.1mPa)，減少能量消耗。
冷卻水系統(tǒng)
工作時(shí)空壓機(jī)內(nèi)的氣體要經(jīng)過絕熱、多變和等溫3種壓縮過程，在相同的初壓和終壓條件下，等溫壓縮消耗的循環(huán)功最少。但實(shí)際的壓縮過程為多變壓縮，空壓機(jī)的冷卻效果越好，越接近等溫過程，則循環(huán)功越少。因此，為提高冷卻效率，在空壓機(jī)的冷卻水系統(tǒng)中，一般設(shè)有中間冷卻器和后冷卻器，以保證各級(jí)壓縮空氣的吸入溫度基本一致。無論是中間冷卻器，還是后冷卻器，其循環(huán)水的動(dòng)力都來自于循環(huán)水泵，合理地進(jìn)行系統(tǒng)配置，控制循環(huán)用水量，并減少管路系統(tǒng)的水路損失，可以有效節(jié)約循環(huán)水泵的功率消耗。冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以采用開式和閉式兩種結(jié)構(gòu)。閉式系統(tǒng)為了使回流的熱水溫度快速降低，可以采用較大面積的循環(huán)水池，或者采用帶有淋水裝置的冷卻塔。對冷卻用水量的大小，也要適當(dāng)加以控制，水量過大會(huì)增加循環(huán)水泵的電能消耗。合理的冷卻用水量有如下經(jīng)驗(yàn)公式：
Q=0.06qQz
式中：
q-冷卻1M3空氣所需的水量；
Q-空壓機(jī)的送氣量；
z-空壓機(jī)的工作臺(tái)套數(shù)。
壓縮空氣的輸送階段
氣路系統(tǒng)
空壓機(jī)的氣路系統(tǒng)由濾風(fēng)器、氣缸、吸捧氣閥、活塞組件、冷卻器、密封裝置和貯氣罐等組成。外界的大氣經(jīng)過清潔和壓縮后通過輸氣管路到使用設(shè)備，這一過程存在較大的節(jié)能潛力。如果活塞與缸套內(nèi)壁密封不嚴(yán)（間隙過大）、吸捧氣閥年久失修（或修理不善）等，就會(huì)造成嚴(yán)重漏氣，直接減少了空壓機(jī)的捧氣量，使其效率下降。對吸捧氣閥的要求是開閉迅速，阻力小，密封性能好。按國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，其漏氣系數(shù)應(yīng)達(dá)到0.95以上，定期進(jìn)行工作參數(shù)的測試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題是十分必要的。
另外，輸氣管路中壓縮空氣的泄漏也是造成氣路系統(tǒng)能耗增大的重要原因。管路系統(tǒng)的能耗損失主要表現(xiàn)在沿程管路損失和漏氣壓力損失。管路系統(tǒng)的壓降不應(yīng)超過工作壓力的1-5%。當(dāng)前很多空壓站的輸氣管道沒有主次之分，不必要的彎頭、彎管過多，壓力脈動(dòng)頻繁，壓損嚴(yán)重。氣動(dòng)管道有的埋于地溝，無法監(jiān)測泄漏。因此，合理地選擇（或設(shè)計(jì)）輸氣管路的管徑和管材，高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量地安裝和施工，才能達(dá)到投資少，能耗損失小，確保輸氣管路的安全可靠性能。實(shí)踐證明，為保證任何情況下系統(tǒng)壓力需求，運(yùn)行管理人員提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行壓力0.1～0.2MPa．引入人為壓力損失。空壓機(jī)捧氣壓力每增加0.lMPa．空壓機(jī)功耗將增加796---1096。為此，所采取的節(jié)能改造措施有：①將支路布置的管線改成環(huán)路布置，實(shí)行高低壓供氣分離，并安裝高低壓精密溢流單元：②節(jié)能改造時(shí)更改局部阻力偏大的管線，降低管道阻力，對管內(nèi)壁酸洗、除銹等凈化處理，保證管壁光滑。
泄漏、檢漏和堵漏
泄漏嚴(yán)重時(shí)，泄漏量可達(dá)到20%～35%．主要發(fā)生在各用氣設(shè)備的閥門、接頭、三聯(lián)件、電磁閥、螺紋連接和氣缸前端蓋等處；有的設(shè)備超壓工作，自動(dòng)卸荷，頻繁捧氣。泄漏造成的損失幾乎超出大多數(shù)人的想象。有數(shù)據(jù)顯示，汽車點(diǎn)焊工位的一個(gè)焊渣在氣管上造成的一個(gè)直徑1mn的小孔，每年電費(fèi)損失高達(dá)3525KWh。
節(jié)能措施：①對主要生產(chǎn)車間的供氣管道安裝流量計(jì)量管理系統(tǒng)，確定工藝用量限額。②調(diào)整工藝用氣量，盡可能減少閥門、接頭的數(shù)量，減少泄漏點(diǎn)。⑨加強(qiáng)管理，使用專業(yè)工具定期巡檢。總之，可以采用一些專業(yè)監(jiān)測設(shè)備如并聯(lián)接入式智能氣體泄漏檢測儀、泄漏點(diǎn)掃描槍等，采取措施防止壓縮空氣系統(tǒng)的跑、冒、滴、漏，據(jù)此開展雛修工作和元器件更換工作。
空壓機(jī)余熱回收階段
空壓機(jī)余熱指的是螺桿空壓機(jī)在生產(chǎn)高壓空氣過程中隨之產(chǎn)生的多余熱量。在空壓機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為風(fēng)能的過程中，空氣得到強(qiáng)烈的高壓壓縮，溫度驟升。同時(shí)，空壓機(jī)螺桿的高速旋轉(zhuǎn)也會(huì)摩擦發(fā)熱，這些高溫?zé)崃坑煽諌簷C(jī)潤滑油混合成的油氣、蒸氣攜帶捧出機(jī)體。這部分高溫油氣流的熱量相當(dāng)于空壓機(jī)輸入電功率的3/4，它的溫度通常在80 --100℃。同時(shí)，這些熱能都需要通過空壓機(jī)的散熱系統(tǒng)快速的冷卻，以滿足空壓機(jī)正常工作的溫度要求，這巨大的熱量被白白浪費(fèi)且在冷卻過程中還需要消耗額外電能。
根據(jù)全生命周期評價(jià)，空壓機(jī)消耗的電能有80%—90%轉(zhuǎn)化成熱的形式散失掉了。除去輻射到環(huán)境中和存于壓縮空氣自身的熱量外，剩余94%的能量均可以采用余熱回收的方式加以利用。
典型余熱回收主要有：輔助采暖、工藝加熱和鍋爐補(bǔ)水預(yù)熱等。通過合理改進(jìn)，50%～90%的熱能可以回收并利用。安裝熱能回收裝置可以將空壓機(jī)運(yùn)行溫度有效控制在最佳運(yùn)行溫度，使?jié)櫥凸ぷ鳡顟B(tài)更良好，空壓機(jī)排氣量會(huì)增加2%～6%。對于空冷式空壓機(jī)，可以停止空壓機(jī)自身的冷卻風(fēng)機(jī)，采用循環(huán)水泵回收熱量；水冷式空壓機(jī)可以用來加熱冷水或空間加熱，回收率在50%～60%。余熱回收相對電熱設(shè)備幾乎無需能耗；相對于燃油燃?xì)庠O(shè)備零排放，是清潔環(huán)保的節(jié)能方式。
