【壓縮機網】1 石化行業高能耗現狀
1.1 石化行業高耗能設備現狀
石化行業既是能源生產大戶也是能源消耗大戶，石油加工過程中消耗大量能源。其中設備能耗是煉油化工裝置能耗主要組成部分。根據中國石化 2005年的統計，中國石化2005年加工原油14879.50萬噸，煉油綜合能耗為68.59千克標油/噸，總能耗約合1020.58萬噸標油，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%。從上述數據可以看出，煉油企業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。由設備消耗轉化的燃料油、燃料氣、電耗、蒸汽占了67.84%。電能主要由動設備，如泵、風機、壓縮機、分離機械、制冷空調等消耗，用于輸送分離各類介質。總的來說，設備用能占了煉油化工裝置用能的 70% 左右，提高設備及設備系統的能效是石化企業節能減排的主要途徑之一。
1.2 石化行業壓縮機的用能問題與差距
通過調研發現，我國石化行業高耗能設備與國際先進水平相比還有一定差距，節能潛力很大，以壓縮機為例，主要表現在以下幾個方面。
（1）部分壓縮機偏離設計工況
通過某石化煉油分部6000V壓縮機效率測算得出，壓縮機匹配的電機負載率平均值是77.3%，接近下限75%，有的甚至只有41%。壓縮機運行負荷偏離設計工況，動力負載率有待提高。
（2）工藝用壓縮機缺少能效評價方法
一般動力空氣壓縮機，產品標準、試驗方法、能效標準齊全。但節能監測方法標準系1996 年頒布實施，應根據現狀進行修訂。
工藝用壓縮機缺乏能效考核標準。由于工藝用壓縮機種類繁多，型式各異，大部分功率大，難以監測，目前還缺乏能效考核標準，掌握的能效數據少，難以判斷壓縮機性能是否高效。
（3）變負荷運行調節急待改善
石化行業對于低負荷運行常采用加卸載/回氣調節的方法，能耗很大，調節下來的氣量相當于對于這部分做的功完全浪費了。系統低負載運行，還帶來壓縮空氣后處理設備低效率運行。在匹配不完全合理情況下，系統的多數設備處于部分低負載的狀態，能源使用效率低下現象十分嚴重。因此，變負荷運行調節亟待改善。典型的氣動系統如圖1所示。壓縮空氣系統能耗的96%為工業壓縮機的耗電。我國工業壓縮機的耗電量約占全國總耗電量的6%。
石油化工企業，空壓機組上都是依靠機器原始的控制方式（自帶的上下限壓力控制），基本沒有實現聯控，只能查看單臺空壓機的運行參數。一般石化企業內，壓縮空氣主要用途有設備用氣、儀表用氣和制氮三類。設備用氣在化工廠內主要用于用氣設備，主要集中在氣動泵、包裝機械上，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。設備用氣經過除油、除水和塵埃之后，專供儀表用氣，供氣壓力至少4.5bar。有的企業儀表用氣壓力設為6bar～7bar，目的就是為了防止管網中用氣量突然變化，儀表用氣壓力瞬間降低，導致部分儀表無法正常工作（例如，FC電磁閥）。大部分企業的空壓機系統規劃不太合理，存在明顯浪費。如果將化工企業的空壓機系統能耗降下來，將大幅減少企業的耗電量。通過氣動系統的節能改造，完全可以實現20%～30%的節能。
1.3 石化行業壓縮機節能的對策與建議
綠色、清潔、低碳和循環經濟將成為新的生產方式和發展方式的主導力量。2009年10月26日，國務院正式對外宣布控制溫室氣體排放的行動目標，決定到2020年單位國內生產值二氧化碳排放Lk2005年下降40%～45%。石化企業無論從企業經營還是社會責任角度出發，均面臨極大地節能減排壓力，走節能環保、低碳發展之路是石化企業的基本要求。對石化行業壓縮機節能的對策及建議如下：
（1）企業應提高節能意識
壓縮機是石化行業能源消耗大戶，節能減排大有潛力可挖。生產單位應提高認識，加強節能意識。
（2）制定壓縮機性能評價、監測方法
調研中，發現缺少壓縮機性能評價、監測方法。制造單位無法對生產的壓縮機進行性能監測，用戶使用時也無法對壓縮機的性能進行監測。沒有性能監測，就不能夠對壓縮機的效率進行精確評價，阻礙壓縮機水平的提高和確定節能方向。
（3）推廣節能型氣量負荷調節技術
根據末端用氣需求進行氣量調節技術是一項好的節能技術，目前國外公司已經廣泛使用，但是國內應用仍處于推廣階段。
（4）加強對壓縮機運行狀態的監測
在調研時發現企業對有些壓縮機的運行狀態參數并沒有進行全方位的健康監測，例如壓縮機氣量調節時的回流氣量，壓縮機排氣量與電流的對應報警等。這導致在生產運行時無法實現對壓縮機運行狀況，運行安全分析等全面的了解。
目前，一些先進的壓縮機節能技術已經逐步實現了國產化，因此這些技術在國內市場的完善、推廣等工作對我國節能減排事業意義重大。
2 壓縮空氣的成本
空氣來自大氣，取之不盡，用之不竭，工業現場很多人都認為使用壓縮空氣是不需要成本的，對壓縮空氣成本認識極其淡薄，這是導致現場浪費的一個主要原因。
工業壓縮機的能耗指標通常用“比能量”來表示。比能量指標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)。該指標在壓縮機輸出壓力為0.7MPa(G)時在0.08～0.12kWh /m3(ANR)范圍內，數值越小，表示效率越高。壓縮機的比能量因壓縮機和輸出壓力而異。如按我國絕大多數地方的工業用電每度電費0.6元計算的話，制造1m3(ANR)壓縮空氣所需電費為4.8分錢～7.2分錢。
除電費外，壓縮空氣制造成本中還有壓縮機潤滑油、定期保養及設備折舊費等。以年工作時間 4000小時的中型螺桿式壓縮機為例，該部分成本與電費各占19%和81%。如將這部分成本也計入的話，1m3(ANR)壓縮空氣的實際制造成本為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是氣動節能的第一步。
3 壓縮空氣系統節能理念
3.1 現有空氣壓縮機調節方式分析
通常狀況下，設計院總是根據用戶用氣量z*大的工況來選定螺桿空壓機的容積流量（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的容積流量，以適應工業生產現場的運行工況。此外，從工作原理可知，屬于容積式壓縮機械的螺桿空壓機的容積流量，不因供氣管網內壓力的提高而降低。因此，若不對空壓機的容積流量做相應的有效調節，不但增加了功耗，在某種場合下，還有可能發生事故。所以必須設置調節控制機構，對螺桿空壓機進行流量調節[1]。
3.1.1 加/卸載調節
加/卸載調節有時又稱為“滿載—空載”調節，其基本做法就是讓空壓機的排氣壓力達到某一特定壓力時關閉空壓機進氣閥，然后在排氣壓力降低到一定程度時又重新打開空壓機進氣閥。中間間隔的時間，取決于儲氣罐、管道容積的大小、生產現場的用氣情況及管網允許的壓力波動，通常的管網壓力波動范圍應控制在0.1MPa范圍內。
上述的加/卸載調節方式調節機構簡單、經濟性很好，常被螺桿空壓機生產廠家用于螺桿空壓機的容量調節，以適應實際工況的需求。
加/卸載調節方式優點明顯，但其缺點亦很突出。這種容量調節方式使得供氣管網內的壓力在Pmin～Pmax之間來回波動，圖2示出了這種管網內的壓力波動特性。從運行能耗角度考慮，會帶來 2個部分的能量浪費，Pmin是z*低壓力值，即能夠保證廠家正常生產的z*低壓力。一般情況下，Pmax、Pmin之間關系可以用下式來表示：Pmax ＝(1＋δ)
Pmin(1)δ是一個百分數，其數值大致在 10%～20%之間。
（1）壓縮空氣壓力超過Pmin所消耗的能量
在壓力達到Pmin后，加/卸載調節方式決定供氣管網壓力會繼續上升 (直到Pmax)。這一過程中必將會消耗更多的能量，從而導致供氣系統能耗的增加。請大家注意：這里的能耗損失是指供氣系統中所有空壓機的能耗，而不是供氣系統中某臺空壓機的單機能耗。針對這一運行工況能耗浪費我們可采用氣動功率分析。
式中P：氣動功率[kW]；pa：大氣絕對壓力[Pa]；
Qa：換算到大氣狀態下的體積流量[m³/s]；ln：自然對數；
p：壓縮空氣絕對壓力[Pa]。
例如，某工廠現有4臺250kW的螺桿空壓機，每臺額定容積流量為43.2m³/min，工廠的平均用氣量為150m³/min，空壓機容積流量采用加/卸載調節方式，加載壓力設置為6bar，卸載壓力設置為7bar，運行能耗計算如下：由壓力波動范圍為6bar～7bar，可假設管網平均供氣壓力為6.5bar。由絕對壓力7.5bar、流量150m³/min（ANR）的壓縮空氣的氣動功率為535kW；絕對壓力7bar、流量150m³/min（ANR）的壓縮空氣的氣動功率為486kW；即由此壓力波動每小時造成的能源浪費為535-486=49度電，每天就浪費了1176度電，可見浪費十分嚴重。
上一過程 (Pmin到Pmax) 消耗的能量主要浪費在高于Pmin的氣體在進入氣動元件前，其壓力需要經過供氣管道、減壓閥等減壓至接近Pmin這一過程中。
（2）單機卸載時調節方法不合理所消耗的能量
通常情況下，當壓力達到Pmax 時，空壓機通過如下方法來降壓卸載：關閉進氣閥使電機處于空轉狀態，同時將油氣分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調節方法要造成很大的能量浪費。關閉進氣閥使電機空轉雖然可以使空壓機不需要再壓縮氣體做功，但空壓機在空轉中還是要帶動螺桿做回轉運動，據經驗測算，空壓機卸載時的能耗約占空壓機滿載運行時的30%～50%，在做無用功。很明顯在加、卸載供氣調節方式下，空壓機電機存在很大的能源浪費。例如，250kW的螺桿空壓機，每小時卸載20分鐘，卸載功率為75kW，則每天就浪費了75×8=600度電。
其它不足之處：頻繁關閉、打開進氣閥，會加速進氣閥的磨損，增加維修量和維修成本；頻繁采用打開和關閉放氣閥，放氣閥的耐用性得不到保障；頻繁的加/卸載對電機帶來的機械沖擊。
3.1.2 容調閥節流調節[3]
容調閥節流調節其基本做法就是通過在螺桿空壓機的吸氣管上加裝吸氣節流閥，利用排氣壓力的變化自動調節進氣閥的開啟度對吸氣進行節流，就可實現調節壓縮機容積流量的目的。
從圖3中可以看出，如果僅通過吸氣節流使空壓機“空轉”運轉，雖然不會排出氣體，但其耗功卻是滿負荷時的70%左右。為了提高在調節工況下壓縮機的效率，常常還需采用降低排氣壓力的方案。即把壓縮機與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值（噴油壓力）。圖3示出這種調節方案的特性曲線，表明在容積流量為零時，壓縮機的功耗將大大減小。
圖4示出的吸氣節流和排氣放的這種調節方法也被部分螺桿空壓機生產廠家所應用。這種調節方式實現方法用得z*多的是：使用蝶閥調節，蝶閥的調節或關閉由數碼控制步進電機控制，當供氣管網壓力達到空壓機的額定卸載壓力99%時，調節閥開始工作，隨著供氣管網壓力的上升，調節量不斷增加。當空壓機的排氣量等于工廠的用氣量時，調壓保持穩定，當壓力調整到工廠設定值時，氣量z*終能減少到空壓機額定氣量的60%左右。若此時供氣管網壓力略微升高，就觸發空壓機本身的控制器。然后空壓機就切換到卸載控制位置，空壓機放氣卸載；若調壓保持穩定后，若空壓機的排氣量小于工廠用氣量時，隨著排氣壓力的降低，控制系統發出控制信號，使得進氣閥開啟度逐漸增大，直到完全打開為止（空壓機加載運行）。
上述的容調閥節流調節方式調節機構亦不是很復雜、在小范圍內能起到對螺桿空壓機容量進行調節的作用，但其缺點尤為突出。這種容量調節方式在使用過程中，只有當供氣管網的壓力波動到接近Pmax時，容調閥才進行調節，當容量調節到額定值的60%時，若此時排氣壓力仍上升，需讓空壓機卸載運行。因此，供氣管網內的壓力仍會在Pmin～Pmax之間來回波動。從運行能耗角度考慮，會帶來兩個部分的能量浪費。
（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前面已說明。
（2）容量調節過程中氣電比升高引起的能量浪費
圖4中，我們可以直接看出容量調節時，由于節流作用，降低了氣體的壓力和密度，故理論上可以進行連續無級地調節壓縮機的流量。圖3示出螺桿空壓機的采用吸氣節流調節時的特性曲線，理想的情況是功耗與容積流量成正比，即呈45°虛線所示。吸氣節流調節的曲線與理想情況下的偏差，是由于以下兩個相互制約的因素所引起的。當吸氣節流時，一方面壓縮機的容積流量在減小，因此其功耗下降；另一方面節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。容積流量調節過程中的比功率增大，帶來了額外的能源浪費。
另外，值得指出的是，當采用吸氣節流的調節方法時，隨著壓縮比升高，壓縮機的排氣溫度也會升高。所以在無油螺桿空壓機中，由于排氣溫度的制約，這種調節方式的應用場合有著嚴格的限制。只有當排氣溫度遠遠低于所允許的z*大值時，才可以在無油螺桿空壓機中采用這種容量調節方法。
3.2 空氣壓縮節能理念分析
要想消減壓縮空氣系統的能耗，必須消減壓縮空氣的消耗量，從而減少壓縮機的耗電量。壓縮空氣的使用能耗可以用氣動功率的積分表示。因此，如圖5所示，在壓縮空氣使用中，減少壓力、流量、時間任何一個變量，都可降低壓縮空氣能耗。例如，如能將壓縮機輸出壓力從0.7MPa降低到0.6MPa，可以節約壓縮機用電至少5.8%，考慮到壓力降低后泄漏的減少，降壓0.1MPa通常節能 8%～10%。
圖5式中：
Pa：大氣壓絕對壓力
Qa：換算到大氣狀態下的體積流量
t：時間
同時，節能的具體要素包括壓力、流量和時間，如圖6。
具體到壓縮空氣系統中三大環節（空壓站、管網、末端設備），采取如下的節能措施：
（1）壓縮空氣的產生：壓縮機的合理配置與運行，供給壓力的降壓及運行模式優化，壓縮機與空氣凈化設備狀態的日常管理。
（2）壓縮空氣的傳送：泄漏的日常點檢與z*小化，接頭處的壓損改進，管網節點配置的合理化，耗氣量分配的監測與日常管理。
（3）壓縮空氣的使用：噴嘴的合理化，各用氣節點壓力及流量的合理化，機器非工作時供氣的停止，分壓供氣，測量管路的z*短化。
日本在氣動系統節能技術的研究和實施中，走在世界的前列。實施氣動節能中的一些數據對我國具有很大的參考價值。日本企業實施氣動節能的主要對象如圖7所示，氣動系統投資回收期如表1所示。從數據中可以看出，氣源和噴嘴的節能是氣動系統節能s*要考慮的關鍵點，氣動系統的投資回收期1年就可以收回67%的成本。泄露和配管的恰當處理也可以很有效地實現壓縮空氣的節省。
4 當前我國石油化工企業壓縮空氣系統存在的主要問題
在當前我國用戶的壓縮空氣系統中，能源浪費主要表現為泄露偏大、壓縮機配置及運行僅以保壓為目的、供給壓力不合理、噴嘴低效、設備用氣存在浪費、現場工人用氣成本意識淡薄等問題。
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 50%。有時一個汽車組裝車間的泄漏點就有2萬個，其中，泄露量的90%以上來自設備使用中的零部件老化或破損。而尤為嚴重的是，現場管理人員遠遠地低估了泄漏造成的損失。比如，在供氣壓力為0.7MPa下的氣管中一個直徑1mm的泄漏小孔，每年導致的損失高達約3525度電，幾乎相當于兩個三口之家的全年家庭用電，如表2。加強泄漏損失意識、普及泄漏檢測及預防手段是當前工作重點。當前國內一些企業在開始利用ECOSO泄露檢測儀及泄露點掃描槍查漏堵漏，并已取得一些成效。
壓縮機的合理配置及合理運行對節省用電非常重要。通常，為使輸出壓力波動小，很多壓縮機采用吸氣閥調節方式。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，浪費較嚴重。為此，導入變頻控制、臺數控制，采用空壓機房節能監控系統等措施對削減電力十分奏效。而這些在工廠的實際操作中基本都被忽略，保證壓力成為大多數工廠對壓縮機管理的w*要求。
另外，由于管道壓力損失不確定，設備啟動存在流量高峰等原因，壓縮機的供氣壓力有時比現場要求壓力高出0.2MPa～0.3MPa。而末端設備每提高0.1MPa，壓縮機的耗電就提高4%～8%，造成了巨大的能源浪費。有時也會為了少數幾臺壓力要求高的設備，而整個調高供氣的壓力，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、制造加工的精修及機加工等工藝現場被廣泛使用，其耗氣量在某些產業領域達到總供氣量的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，現場人員很容易為了追求大沖擊力而擅自擴大噴嘴噴口、提高供給壓力，從而造成很大的用氣浪費，如圖8、9。
另外，在氣動設備中存在用氣不合理的現象也比較突出，例如確定工件是否卡到位的氣體背壓檢測、真空發生器給氣等存在不工作也不間斷供氣現象。尤其是化學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使用的現象非常普遍，浪費得令人痛心。從工藝上把握設備的實際需要壓力和z*低耗氣量是使設備耗氣合理化的前提。由于設備用氣不合理導致的浪費平均估計為供氣量的20%。
以上種種問題，表明當前壓縮空氣系統的使用中用氣浪費比較嚴重。用氣設備的節能改造措施有：①使用新型氣動噴嘴節能裝置和脈沖式氣槍，工件到位時噴嘴開始吹掃；②工件到位時真空發生器開始供氣；③高耗能氣動設備改為電動設備（工藝攪拌）；④大型氣缸改兩節節能型氣缸；⑤壓縮空氣滿足設備z*低需求壓力，增加合適儲氣罐緩沖瞬間大的用氣量；⑥在特定行業采用專業氣動設備，如電解鋁行業推廣使用的打殼缸專用節氣閥等。
因此，只要對壓縮空氣系統開展詳細調查，明確問題所在，采取合理有效的節能措施，整個系統可以實現20%甚至更高的節能效果。
5 壓縮空氣系統節能在中國具有重大意義
筆者曾對中國某橡膠企業進行氣動系統節能改造，z*終使工廠每單位產量壓縮機耗電量削減了30%以上，如表3、圖10所示。2010年初，筆者對中國某輪轂企業進行氣動系統節能改造，同樣實現系統節能30%以上，如表4所示。在我國如果能廣泛開展氣動節能活動、普及氣動節能技術，每年可為國家節約用電約600億度，折合金額360億元，具有非常可觀的經濟效益和社會效益。
目前，針對我國化工、化纖、紡織、汽車、橡膠、電子半導體、加工機械等制造行業的大中型企業，以降低空氣壓縮機能耗為目的，結合各個行業特點研究切實可行的節能技術，制定一整套行之有效、易于實施、投資回收期小的節能實施流程，將節能措施行業化、系統化、具體化、可操作化、可視化并進而規范化，可為企業的節能降耗和國家的節能目標做出應有的貢獻。
參考文獻
[1]邢子文.螺桿壓縮機——理論、設計及應用 [M].機械工業出版社，2000.
[2]蔡茂林,香川利春.氣動系統的能量消耗評價體系及能量損失分析[J].機械工程學報，2007（43）:70.
[3]孔德文 ,林惟鋟.螺桿空壓機容積流量調節的能耗分析[J].液壓與氣動，2011.
1.1 石化行業高耗能設備現狀
石化行業既是能源生產大戶也是能源消耗大戶，石油加工過程中消耗大量能源。其中設備能耗是煉油化工裝置能耗主要組成部分。根據中國石化 2005年的統計，中國石化2005年加工原油14879.50萬噸，煉油綜合能耗為68.59千克標油/噸，總能耗約合1020.58萬噸標油，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%。從上述數據可以看出，煉油企業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。由設備消耗轉化的燃料油、燃料氣、電耗、蒸汽占了67.84%。電能主要由動設備，如泵、風機、壓縮機、分離機械、制冷空調等消耗，用于輸送分離各類介質。總的來說，設備用能占了煉油化工裝置用能的 70% 左右，提高設備及設備系統的能效是石化企業節能減排的主要途徑之一。
1.2 石化行業壓縮機的用能問題與差距
通過調研發現，我國石化行業高耗能設備與國際先進水平相比還有一定差距，節能潛力很大，以壓縮機為例，主要表現在以下幾個方面。
（1）部分壓縮機偏離設計工況
通過某石化煉油分部6000V壓縮機效率測算得出，壓縮機匹配的電機負載率平均值是77.3%，接近下限75%，有的甚至只有41%。壓縮機運行負荷偏離設計工況，動力負載率有待提高。
（2）工藝用壓縮機缺少能效評價方法
一般動力空氣壓縮機，產品標準、試驗方法、能效標準齊全。但節能監測方法標準系1996 年頒布實施，應根據現狀進行修訂。
工藝用壓縮機缺乏能效考核標準。由于工藝用壓縮機種類繁多，型式各異，大部分功率大，難以監測，目前還缺乏能效考核標準，掌握的能效數據少，難以判斷壓縮機性能是否高效。
（3）變負荷運行調節急待改善
石化行業對于低負荷運行常采用加卸載/回氣調節的方法，能耗很大，調節下來的氣量相當于對于這部分做的功完全浪費了。系統低負載運行，還帶來壓縮空氣后處理設備低效率運行。在匹配不完全合理情況下，系統的多數設備處于部分低負載的狀態，能源使用效率低下現象十分嚴重。因此，變負荷運行調節亟待改善。典型的氣動系統如圖1所示。壓縮空氣系統能耗的96%為工業壓縮機的耗電。我國工業壓縮機的耗電量約占全國總耗電量的6%。
石油化工企業，空壓機組上都是依靠機器原始的控制方式（自帶的上下限壓力控制），基本沒有實現聯控，只能查看單臺空壓機的運行參數。一般石化企業內，壓縮空氣主要用途有設備用氣、儀表用氣和制氮三類。設備用氣在化工廠內主要用于用氣設備，主要集中在氣動泵、包裝機械上，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。設備用氣經過除油、除水和塵埃之后，專供儀表用氣，供氣壓力至少4.5bar。有的企業儀表用氣壓力設為6bar～7bar，目的就是為了防止管網中用氣量突然變化，儀表用氣壓力瞬間降低，導致部分儀表無法正常工作（例如，FC電磁閥）。大部分企業的空壓機系統規劃不太合理，存在明顯浪費。如果將化工企業的空壓機系統能耗降下來，將大幅減少企業的耗電量。通過氣動系統的節能改造，完全可以實現20%～30%的節能。
1.3 石化行業壓縮機節能的對策與建議
綠色、清潔、低碳和循環經濟將成為新的生產方式和發展方式的主導力量。2009年10月26日，國務院正式對外宣布控制溫室氣體排放的行動目標，決定到2020年單位國內生產值二氧化碳排放Lk2005年下降40%～45%。石化企業無論從企業經營還是社會責任角度出發，均面臨極大地節能減排壓力，走節能環保、低碳發展之路是石化企業的基本要求。對石化行業壓縮機節能的對策及建議如下：
（1）企業應提高節能意識
壓縮機是石化行業能源消耗大戶，節能減排大有潛力可挖。生產單位應提高認識，加強節能意識。
（2）制定壓縮機性能評價、監測方法
調研中，發現缺少壓縮機性能評價、監測方法。制造單位無法對生產的壓縮機進行性能監測，用戶使用時也無法對壓縮機的性能進行監測。沒有性能監測，就不能夠對壓縮機的效率進行精確評價，阻礙壓縮機水平的提高和確定節能方向。
（3）推廣節能型氣量負荷調節技術
根據末端用氣需求進行氣量調節技術是一項好的節能技術，目前國外公司已經廣泛使用，但是國內應用仍處于推廣階段。
（4）加強對壓縮機運行狀態的監測
在調研時發現企業對有些壓縮機的運行狀態參數并沒有進行全方位的健康監測，例如壓縮機氣量調節時的回流氣量，壓縮機排氣量與電流的對應報警等。這導致在生產運行時無法實現對壓縮機運行狀況，運行安全分析等全面的了解。
目前，一些先進的壓縮機節能技術已經逐步實現了國產化，因此這些技術在國內市場的完善、推廣等工作對我國節能減排事業意義重大。
2 壓縮空氣的成本
空氣來自大氣，取之不盡，用之不竭，工業現場很多人都認為使用壓縮空氣是不需要成本的，對壓縮空氣成本認識極其淡薄，這是導致現場浪費的一個主要原因。
工業壓縮機的能耗指標通常用“比能量”來表示。比能量指標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)。該指標在壓縮機輸出壓力為0.7MPa(G)時在0.08～0.12kWh /m3(ANR)范圍內，數值越小，表示效率越高。壓縮機的比能量因壓縮機和輸出壓力而異。如按我國絕大多數地方的工業用電每度電費0.6元計算的話，制造1m3(ANR)壓縮空氣所需電費為4.8分錢～7.2分錢。
除電費外，壓縮空氣制造成本中還有壓縮機潤滑油、定期保養及設備折舊費等。以年工作時間 4000小時的中型螺桿式壓縮機為例，該部分成本與電費各占19%和81%。如將這部分成本也計入的話，1m3(ANR)壓縮空氣的實際制造成本為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是氣動節能的第一步。
3 壓縮空氣系統節能理念
3.1 現有空氣壓縮機調節方式分析
通常狀況下，設計院總是根據用戶用氣量z*大的工況來選定螺桿空壓機的容積流量（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的容積流量，以適應工業生產現場的運行工況。此外，從工作原理可知，屬于容積式壓縮機械的螺桿空壓機的容積流量，不因供氣管網內壓力的提高而降低。因此，若不對空壓機的容積流量做相應的有效調節，不但增加了功耗，在某種場合下，還有可能發生事故。所以必須設置調節控制機構，對螺桿空壓機進行流量調節[1]。
3.1.1 加/卸載調節
加/卸載調節有時又稱為“滿載—空載”調節，其基本做法就是讓空壓機的排氣壓力達到某一特定壓力時關閉空壓機進氣閥，然后在排氣壓力降低到一定程度時又重新打開空壓機進氣閥。中間間隔的時間，取決于儲氣罐、管道容積的大小、生產現場的用氣情況及管網允許的壓力波動，通常的管網壓力波動范圍應控制在0.1MPa范圍內。
上述的加/卸載調節方式調節機構簡單、經濟性很好，常被螺桿空壓機生產廠家用于螺桿空壓機的容量調節，以適應實際工況的需求。
加/卸載調節方式優點明顯，但其缺點亦很突出。這種容量調節方式使得供氣管網內的壓力在Pmin～Pmax之間來回波動，圖2示出了這種管網內的壓力波動特性。從運行能耗角度考慮，會帶來 2個部分的能量浪費，Pmin是z*低壓力值，即能夠保證廠家正常生產的z*低壓力。一般情況下，Pmax、Pmin之間關系可以用下式來表示：Pmax ＝(1＋δ)
Pmin(1)δ是一個百分數，其數值大致在 10%～20%之間。
（1）壓縮空氣壓力超過Pmin所消耗的能量
在壓力達到Pmin后，加/卸載調節方式決定供氣管網壓力會繼續上升 (直到Pmax)。這一過程中必將會消耗更多的能量，從而導致供氣系統能耗的增加。請大家注意：這里的能耗損失是指供氣系統中所有空壓機的能耗，而不是供氣系統中某臺空壓機的單機能耗。針對這一運行工況能耗浪費我們可采用氣動功率分析。
式中P：氣動功率[kW]；pa：大氣絕對壓力[Pa]；
Qa：換算到大氣狀態下的體積流量[m³/s]；ln：自然對數；
p：壓縮空氣絕對壓力[Pa]。
例如，某工廠現有4臺250kW的螺桿空壓機，每臺額定容積流量為43.2m³/min，工廠的平均用氣量為150m³/min，空壓機容積流量采用加/卸載調節方式，加載壓力設置為6bar，卸載壓力設置為7bar，運行能耗計算如下：由壓力波動范圍為6bar～7bar，可假設管網平均供氣壓力為6.5bar。由絕對壓力7.5bar、流量150m³/min（ANR）的壓縮空氣的氣動功率為535kW；絕對壓力7bar、流量150m³/min（ANR）的壓縮空氣的氣動功率為486kW；即由此壓力波動每小時造成的能源浪費為535-486=49度電，每天就浪費了1176度電，可見浪費十分嚴重。
上一過程 (Pmin到Pmax) 消耗的能量主要浪費在高于Pmin的氣體在進入氣動元件前，其壓力需要經過供氣管道、減壓閥等減壓至接近Pmin這一過程中。
（2）單機卸載時調節方法不合理所消耗的能量
通常情況下，當壓力達到Pmax 時，空壓機通過如下方法來降壓卸載：關閉進氣閥使電機處于空轉狀態，同時將油氣分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調節方法要造成很大的能量浪費。關閉進氣閥使電機空轉雖然可以使空壓機不需要再壓縮氣體做功，但空壓機在空轉中還是要帶動螺桿做回轉運動，據經驗測算，空壓機卸載時的能耗約占空壓機滿載運行時的30%～50%，在做無用功。很明顯在加、卸載供氣調節方式下，空壓機電機存在很大的能源浪費。例如，250kW的螺桿空壓機，每小時卸載20分鐘，卸載功率為75kW，則每天就浪費了75×8=600度電。
其它不足之處：頻繁關閉、打開進氣閥，會加速進氣閥的磨損，增加維修量和維修成本；頻繁采用打開和關閉放氣閥，放氣閥的耐用性得不到保障；頻繁的加/卸載對電機帶來的機械沖擊。
3.1.2 容調閥節流調節[3]
容調閥節流調節其基本做法就是通過在螺桿空壓機的吸氣管上加裝吸氣節流閥，利用排氣壓力的變化自動調節進氣閥的開啟度對吸氣進行節流，就可實現調節壓縮機容積流量的目的。
從圖3中可以看出，如果僅通過吸氣節流使空壓機“空轉”運轉，雖然不會排出氣體，但其耗功卻是滿負荷時的70%左右。為了提高在調節工況下壓縮機的效率，常常還需采用降低排氣壓力的方案。即把壓縮機與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值（噴油壓力）。圖3示出這種調節方案的特性曲線，表明在容積流量為零時，壓縮機的功耗將大大減小。
圖4示出的吸氣節流和排氣放的這種調節方法也被部分螺桿空壓機生產廠家所應用。這種調節方式實現方法用得z*多的是：使用蝶閥調節，蝶閥的調節或關閉由數碼控制步進電機控制，當供氣管網壓力達到空壓機的額定卸載壓力99%時，調節閥開始工作，隨著供氣管網壓力的上升，調節量不斷增加。當空壓機的排氣量等于工廠的用氣量時，調壓保持穩定，當壓力調整到工廠設定值時，氣量z*終能減少到空壓機額定氣量的60%左右。若此時供氣管網壓力略微升高，就觸發空壓機本身的控制器。然后空壓機就切換到卸載控制位置，空壓機放氣卸載；若調壓保持穩定后，若空壓機的排氣量小于工廠用氣量時，隨著排氣壓力的降低，控制系統發出控制信號，使得進氣閥開啟度逐漸增大，直到完全打開為止（空壓機加載運行）。
上述的容調閥節流調節方式調節機構亦不是很復雜、在小范圍內能起到對螺桿空壓機容量進行調節的作用，但其缺點尤為突出。這種容量調節方式在使用過程中，只有當供氣管網的壓力波動到接近Pmax時，容調閥才進行調節，當容量調節到額定值的60%時，若此時排氣壓力仍上升，需讓空壓機卸載運行。因此，供氣管網內的壓力仍會在Pmin～Pmax之間來回波動。從運行能耗角度考慮，會帶來兩個部分的能量浪費。
（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前面已說明。
（2）容量調節過程中氣電比升高引起的能量浪費
圖4中，我們可以直接看出容量調節時，由于節流作用，降低了氣體的壓力和密度，故理論上可以進行連續無級地調節壓縮機的流量。圖3示出螺桿空壓機的采用吸氣節流調節時的特性曲線，理想的情況是功耗與容積流量成正比，即呈45°虛線所示。吸氣節流調節的曲線與理想情況下的偏差，是由于以下兩個相互制約的因素所引起的。當吸氣節流時，一方面壓縮機的容積流量在減小，因此其功耗下降；另一方面節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。容積流量調節過程中的比功率增大，帶來了額外的能源浪費。
另外，值得指出的是，當采用吸氣節流的調節方法時，隨著壓縮比升高，壓縮機的排氣溫度也會升高。所以在無油螺桿空壓機中，由于排氣溫度的制約，這種調節方式的應用場合有著嚴格的限制。只有當排氣溫度遠遠低于所允許的z*大值時，才可以在無油螺桿空壓機中采用這種容量調節方法。
3.2 空氣壓縮節能理念分析
要想消減壓縮空氣系統的能耗，必須消減壓縮空氣的消耗量，從而減少壓縮機的耗電量。壓縮空氣的使用能耗可以用氣動功率的積分表示。因此，如圖5所示，在壓縮空氣使用中，減少壓力、流量、時間任何一個變量，都可降低壓縮空氣能耗。例如，如能將壓縮機輸出壓力從0.7MPa降低到0.6MPa，可以節約壓縮機用電至少5.8%，考慮到壓力降低后泄漏的減少，降壓0.1MPa通常節能 8%～10%。
圖5式中：
Pa：大氣壓絕對壓力
Qa：換算到大氣狀態下的體積流量
t：時間
同時，節能的具體要素包括壓力、流量和時間，如圖6。
具體到壓縮空氣系統中三大環節（空壓站、管網、末端設備），采取如下的節能措施：
（1）壓縮空氣的產生：壓縮機的合理配置與運行，供給壓力的降壓及運行模式優化，壓縮機與空氣凈化設備狀態的日常管理。
（2）壓縮空氣的傳送：泄漏的日常點檢與z*小化，接頭處的壓損改進，管網節點配置的合理化，耗氣量分配的監測與日常管理。
（3）壓縮空氣的使用：噴嘴的合理化，各用氣節點壓力及流量的合理化，機器非工作時供氣的停止，分壓供氣，測量管路的z*短化。
日本在氣動系統節能技術的研究和實施中，走在世界的前列。實施氣動節能中的一些數據對我國具有很大的參考價值。日本企業實施氣動節能的主要對象如圖7所示，氣動系統投資回收期如表1所示。從數據中可以看出，氣源和噴嘴的節能是氣動系統節能s*要考慮的關鍵點，氣動系統的投資回收期1年就可以收回67%的成本。泄露和配管的恰當處理也可以很有效地實現壓縮空氣的節省。
4 當前我國石油化工企業壓縮空氣系統存在的主要問題
在當前我國用戶的壓縮空氣系統中，能源浪費主要表現為泄露偏大、壓縮機配置及運行僅以保壓為目的、供給壓力不合理、噴嘴低效、設備用氣存在浪費、現場工人用氣成本意識淡薄等問題。
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 50%。有時一個汽車組裝車間的泄漏點就有2萬個，其中，泄露量的90%以上來自設備使用中的零部件老化或破損。而尤為嚴重的是，現場管理人員遠遠地低估了泄漏造成的損失。比如，在供氣壓力為0.7MPa下的氣管中一個直徑1mm的泄漏小孔，每年導致的損失高達約3525度電，幾乎相當于兩個三口之家的全年家庭用電，如表2。加強泄漏損失意識、普及泄漏檢測及預防手段是當前工作重點。當前國內一些企業在開始利用ECOSO泄露檢測儀及泄露點掃描槍查漏堵漏，并已取得一些成效。
壓縮機的合理配置及合理運行對節省用電非常重要。通常，為使輸出壓力波動小，很多壓縮機采用吸氣閥調節方式。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，浪費較嚴重。為此，導入變頻控制、臺數控制，采用空壓機房節能監控系統等措施對削減電力十分奏效。而這些在工廠的實際操作中基本都被忽略，保證壓力成為大多數工廠對壓縮機管理的w*要求。
另外，由于管道壓力損失不確定，設備啟動存在流量高峰等原因，壓縮機的供氣壓力有時比現場要求壓力高出0.2MPa～0.3MPa。而末端設備每提高0.1MPa，壓縮機的耗電就提高4%～8%，造成了巨大的能源浪費。有時也會為了少數幾臺壓力要求高的設備，而整個調高供氣的壓力，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、制造加工的精修及機加工等工藝現場被廣泛使用，其耗氣量在某些產業領域達到總供氣量的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，現場人員很容易為了追求大沖擊力而擅自擴大噴嘴噴口、提高供給壓力，從而造成很大的用氣浪費，如圖8、9。
另外，在氣動設備中存在用氣不合理的現象也比較突出，例如確定工件是否卡到位的氣體背壓檢測、真空發生器給氣等存在不工作也不間斷供氣現象。尤其是化學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使用的現象非常普遍，浪費得令人痛心。從工藝上把握設備的實際需要壓力和z*低耗氣量是使設備耗氣合理化的前提。由于設備用氣不合理導致的浪費平均估計為供氣量的20%。
以上種種問題，表明當前壓縮空氣系統的使用中用氣浪費比較嚴重。用氣設備的節能改造措施有：①使用新型氣動噴嘴節能裝置和脈沖式氣槍，工件到位時噴嘴開始吹掃；②工件到位時真空發生器開始供氣；③高耗能氣動設備改為電動設備（工藝攪拌）；④大型氣缸改兩節節能型氣缸；⑤壓縮空氣滿足設備z*低需求壓力，增加合適儲氣罐緩沖瞬間大的用氣量；⑥在特定行業采用專業氣動設備，如電解鋁行業推廣使用的打殼缸專用節氣閥等。
因此，只要對壓縮空氣系統開展詳細調查，明確問題所在，采取合理有效的節能措施，整個系統可以實現20%甚至更高的節能效果。
5 壓縮空氣系統節能在中國具有重大意義
筆者曾對中國某橡膠企業進行氣動系統節能改造，z*終使工廠每單位產量壓縮機耗電量削減了30%以上，如表3、圖10所示。2010年初，筆者對中國某輪轂企業進行氣動系統節能改造，同樣實現系統節能30%以上，如表4所示。在我國如果能廣泛開展氣動節能活動、普及氣動節能技術，每年可為國家節約用電約600億度，折合金額360億元，具有非常可觀的經濟效益和社會效益。
目前，針對我國化工、化纖、紡織、汽車、橡膠、電子半導體、加工機械等制造行業的大中型企業，以降低空氣壓縮機能耗為目的，結合各個行業特點研究切實可行的節能技術，制定一整套行之有效、易于實施、投資回收期小的節能實施流程，將節能措施行業化、系統化、具體化、可操作化、可視化并進而規范化，可為企業的節能降耗和國家的節能目標做出應有的貢獻。
參考文獻
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[2]蔡茂林,香川利春.氣動系統的能量消耗評價體系及能量損失分析[J].機械工程學報，2007（43）:70.
[3]孔德文 ,林惟鋟.螺桿空壓機容積流量調節的能耗分析[J].液壓與氣動，2011.
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