1、空壓機(jī)及能耗的概述

空壓機(jī)，即空氣壓縮機(jī)，是利用電能做功壓縮空氣產(chǎn)生高壓來(lái)驅(qū)動(dòng)其他機(jī)械裝置運(yùn)行的設(shè)備，是構(gòu)成氣源裝置的核心部件?？諌簷C(jī)依據(jù)其工作原理可分為：容積式、動(dòng)力式。容積式壓縮機(jī)提高空氣壓力是依靠活塞在汽缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將氣體的體積壓縮，從而提高單位體積內(nèi)的分子密度，其根據(jù)結(jié)構(gòu)以及活塞運(yùn)動(dòng)方式的不同可分為：往復(fù)式與回轉(zhuǎn)式。動(dòng)力式壓縮機(jī)提高空氣壓力是通過(guò)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，增加氣體分子動(dòng)能，然后將其轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能，廣泛使用的主要有4 種類(lèi)型：離心式壓縮機(jī)、軸流式壓縮機(jī)、混流式壓縮機(jī)、旋渦式壓縮機(jī)。

 

空壓機(jī)雖然應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其在工業(yè)中占據(jù)不可取代的位置，其優(yōu)點(diǎn)也顯而易見(jiàn)，但是由于需要消耗電能做功增壓，其能耗問(wèn)題一直以來(lái)是一個(gè)棘手的問(wèn)題。據(jù)調(diào)研， 在全國(guó)發(fā)電總量中， 空壓機(jī)耗電量便占到 9% ～ 10%，在企業(yè)總耗電量中，更是高達(dá)15%～35%，年耗電成本在整個(gè)運(yùn)行成本中更是一直居高不下， 高達(dá)到80% 。然而如此迫在眉睫的能耗問(wèn)題，卻很少有企業(yè)會(huì)去做定性、定量的能耗檢測(cè)與分析，所以針對(duì)目前空壓機(jī)能耗存在的浪費(fèi)現(xiàn)象，本論文將對(duì)空壓機(jī)能耗問(wèn)題的檢測(cè)與分析進(jìn)行一個(gè)詳盡的論述。

 

2、空壓機(jī)的工作原理

空壓機(jī)是能量轉(zhuǎn)換裝置，以空氣為原料，通過(guò)壓縮作用改變空氣分子密度的原理使得被壓縮空氣超過(guò)大氣壓力，將電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能。

 

2.1單螺桿式空壓機(jī)的工作原理

 

單螺桿空壓機(jī)的工作原理是依靠?jī)蓚€(gè)對(duì)稱(chēng)配置的星輪將壓縮空間分為兩個(gè)，其中兩個(gè)空間內(nèi)的平衡力對(duì)稱(chēng)，這兩個(gè)星輪交互轉(zhuǎn)動(dòng)，分別壓縮各自空間內(nèi)的氣體產(chǎn)生高壓空氣。由于星輪的制作材料為塑料，在與螺桿高速高溫的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，會(huì)加速星輪的快速磨損，造成產(chǎn)生的壓縮氣體總量快速下降，所以該問(wèn)題是現(xiàn)制造行業(yè)亟待解決的問(wèn)題之一。

 

2.2活塞式空壓機(jī)的工作原理

 

活塞式空壓機(jī)內(nèi)有一套改變運(yùn)動(dòng)方式的裝置——曲柄連桿機(jī)構(gòu)，可以將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊闹本€(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其中通過(guò)進(jìn)氣閥、排氣閥循環(huán)地自動(dòng)打開(kāi)與閉合完成吸氣、壓縮和排氣過(guò)程。它是空壓機(jī)最早采用的方式，技術(shù)手段相對(duì)比較落后，而且由于氣與油沒(méi)有明顯分開(kāi)，導(dǎo)致氣體中含有一定量的機(jī)油，故此種空壓機(jī)只能用于精度要求不是很高的行業(yè)，同時(shí)還存在一些不可避免的缺點(diǎn)：主機(jī)壽命短、噪音大，氣體脈沖現(xiàn)象嚴(yán)重等。

 

2.3滑片式空壓機(jī)的工作原理

 

滑片式空壓機(jī)的主要結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)子，在其長(zhǎng)度方向有一定數(shù)量切割的槽，槽內(nèi)涂有油膜，油膜上嵌有滑片，滑片在油膜的作用下可以在槽內(nèi)滑動(dòng)。其具體的工作原理是轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)的定子中旋轉(zhuǎn)，由于旋轉(zhuǎn)作用產(chǎn)生離心力，滑片受到離心力的作用脫離滑槽，形成數(shù)個(gè)密閉的壓縮室， 隨著旋轉(zhuǎn)，壓縮室的體積逐漸減小，達(dá)到增大空氣壓力的目的。滑片式壓縮機(jī)與活塞式壓縮機(jī)類(lèi)似，應(yīng)用比較早， 方式落后，油氣難以分離，需采用油氣分離器進(jìn)行分離， 同樣不可應(yīng)用于精度要求很高的制造行業(yè)。

 

2.4離心式空壓機(jī)原理

 

離心式空壓機(jī)的主要結(jié)構(gòu)是葉輪，進(jìn)入壓縮機(jī)的空氣會(huì)隨著葉輪急速旋轉(zhuǎn)，氣體便會(huì)被壓入擴(kuò)壓器，葉輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，空氣被逐步加壓。該種空壓機(jī)避免了油氣難以分離的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)油壓縮，能耗低，維修方便，排氣量大。

 

3、空壓機(jī)能耗的影響因素

對(duì)于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的空壓機(jī)而言，能耗便可以認(rèn)為是電耗，電耗一般與兩類(lèi)條件有關(guān)：可控因素與不可控因素， 可控因素包括：進(jìn)氣壓力、氣泵的等溫效率、排氣壓力、排氣量；不可控因素包括：環(huán)境溫度、空壓機(jī)的機(jī)械效率。

 

（1）環(huán)境溫度降低以降低電耗。環(huán)境溫度人為很難控制，在能耗研究方面，不是主要的研究因素。

 

（2）進(jìn)氣壓力提高以降低電耗。進(jìn)氣壓力主要由自然因素與非自然因素兩方面控制，自然因素便是當(dāng)?shù)氐拇髿鈮?，非自然條件便是吸氣系統(tǒng)阻力，主要由過(guò)濾器的阻力決定，所以在使用過(guò)程中，需要定期清潔過(guò)濾器，使得阻力不至于過(guò)高而造成電能不必要的浪費(fèi)。

 

（3）氣泵的等溫效率提高以降低電耗?？諌簷C(jī)的等溫效率是指在氣體壓縮過(guò)程中，盡量使得氣體在相同的溫度下壓縮，而等溫壓縮與使用方式密不可分。所以在使用過(guò)程中，著重注意氣體在各級(jí)冷卻器中的冷卻效果，改善空壓機(jī)等溫效率，節(jié)能減耗。

 

（4）空壓機(jī)的機(jī)械效率提高以降低電耗?？諌簷C(jī)一旦被制造并投入生產(chǎn)后，該因素便成為不可人為控制的因素，因?yàn)樗强諌簷C(jī)的一個(gè)固有屬性，決定于它的制造過(guò)程，在正常運(yùn)行過(guò)程中，該參數(shù)基本沒(méi)有變化。

 

（5）排氣壓力降低以降低電耗?；诳諌簷C(jī)特性曲線(xiàn)：排氣壓力降低，排氣量會(huì)增加，不僅可以降低電耗而且可以增加排量。

 

（6）空壓機(jī)排氣量降低以降低電耗。當(dāng)壓縮空氣壓力過(guò)剩，用氣設(shè)備應(yīng)降低負(fù)荷工作，可以通過(guò)調(diào)節(jié)空壓機(jī)的導(dǎo)葉部件減少空氣流量，從而降低電耗。

 

4、空壓機(jī)能耗分析

壓縮空氣系統(tǒng)的流程如下：空壓機(jī)→管網(wǎng)→用氣設(shè)備，故主要從這3 個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行能耗分析。

 

4.1空壓機(jī)

 

空壓機(jī)是能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，將電能轉(zhuǎn)化為空氣壓力能， 在其連續(xù)工作過(guò)程中，空壓機(jī)效率直接影響能量的轉(zhuǎn)換率，即電能的利用率。

 

以螺桿式空壓機(jī)為例，其主要結(jié)構(gòu)是螺桿轉(zhuǎn)子，在工作一段時(shí)間后，螺桿轉(zhuǎn)子勢(shì)必有一定程度的磨損，單位時(shí)間內(nèi)排氣量降低。依據(jù)此問(wèn)題，考慮更換一個(gè)新的轉(zhuǎn)子， 經(jīng)過(guò)一年的時(shí)間運(yùn)行，對(duì)更換轉(zhuǎn)子的空壓機(jī)進(jìn)行能耗以及排氣量的測(cè)量，對(duì)比先前未更換轉(zhuǎn)子一年內(nèi)的能耗與排氣量，可以發(fā)現(xiàn)，由于空壓機(jī)效率的降低，更換轉(zhuǎn)子前后年耗電量成本的差值按現(xiàn)有電價(jià)計(jì)算高達(dá)十幾萬(wàn)元，接近一個(gè)新的轉(zhuǎn)子價(jià)格。

 

4.2壓縮空氣管網(wǎng)

 

壓縮后的高壓空氣需要輸送到用氣設(shè)備，這就需要用到管網(wǎng)，它對(duì)整個(gè)空氣系統(tǒng)有著不可替代的作用，管網(wǎng)需要有效地降低壓力的損耗。在確保用氣設(shè)備氣壓不改變的條件下，管網(wǎng)的壓力損耗越小，空壓機(jī)的出口壓力就越高。由于電動(dòng)機(jī)消耗的能量轉(zhuǎn)換為壓縮空氣的壓力與流量，管網(wǎng)的壓力損耗越小，相同流量的條件下，電動(dòng)機(jī)消耗的能量便越小。所以在管網(wǎng)管理中，要盡可能找到管網(wǎng)的瓶頸部位，即管徑最細(xì)的部位，在該部位流量較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的壓降，增加能耗，這就需要工廠(chǎng)管理者解決好這一管道問(wèn)題，以便節(jié)能減耗。

 

4.3用氣設(shè)備

 

通過(guò)對(duì)主要用氣設(shè)備的了解，明確了其對(duì)空氣壓力的具體要求。為保證實(shí)際生產(chǎn)的連續(xù)不間斷以及安全的前提下，管網(wǎng)中的空氣壓力需要高于實(shí)際所需的壓力，因?yàn)橛脷饬繒?huì)不斷變化，同時(shí)引起的空氣壓力變化，用氣設(shè)備仍需維持其最低需求。由于該用氣壓力的限制，雖確保了用氣設(shè)備的最低壓力，但是不可避免地造成了壓力過(guò)剩，勢(shì)必導(dǎo)致能耗增加。

 

5、空壓機(jī)能耗檢測(cè)方法

通過(guò)上一節(jié)對(duì)能耗的定性分析，那么運(yùn)用指標(biāo)比功率(kW?h)/m3  可以定量地檢測(cè)能耗水平，其計(jì)算公式為[7]：比功率= 空壓機(jī)輸出功率 （kW） /空壓機(jī)排氣量（m3 h ）可以借助于流量計(jì)檢測(cè)空壓機(jī)性能，通過(guò)比功率與實(shí)際電耗計(jì)算空壓機(jī)效率，空壓機(jī)效率越高，說(shuō)明能量損耗越小，電能所做的有用功越多，該空壓機(jī)性能越好，同時(shí)可以通過(guò)對(duì)檢測(cè)結(jié)果分析，科學(xué)地使用、維護(hù)、管理以及更換空壓機(jī)。

 

總結(jié)

在全球能源嚴(yán)重供不應(yīng)求的惡劣形勢(shì)下，能耗問(wèn)題已然成為企業(yè)極為突出的問(wèn)題，目前多數(shù)企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注這一問(wèn)題并不斷尋求能源浪費(fèi)的主要原因，力求在保證生產(chǎn)的前提下，降低能耗。據(jù)調(diào)研，空壓機(jī)耗電量占總耗電量的比例：在部分行業(yè)竟高達(dá)70%，而在整個(gè)行業(yè)內(nèi)平均耗電量仍不低于30%。所以，對(duì)于企業(yè)而言，空壓機(jī)能耗檢測(cè)與分析勢(shì)在必行，通過(guò)檢測(cè)與分析，以尋求節(jié)能的空間。

 

注：文章轉(zhuǎn)載于《機(jī)電工程技術(shù)》2018年第47卷第10期，作者董旭慧，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系刪除。