综述
SUMMARY

压缩空气节能管理及科学使用探讨

压缩空气节能管理及科学使用探讨
  众所周知,人口、能源和环境已成为全球性的三大难题,中国在发展过程中也同样遇到这些问题。从总体上讲,我国经济属于高消耗、低效益型经济。中国改革开放以来的实践证明,大力推进能源的节约和合理有效利用,是解决经济发展过程中的高消耗、低效益、高污染的根本措施和现实选择。基于以上认识,我国已把节能作为发展国民经济的一项长期战略方针。中国政府在80年代初明确提出了“开发与节约并重、近期把节能放在优先地位”的能源工作方针,有力地推动了我国的节能工作。经过几十多年的努力,中国在开展节能工作方面取得了很大成绩。
  一、引言
  首先我们来给大家介绍一下压缩空气使用现状:当前,我国在气动系统上每年耗电量高达2000亿度以上。我国企业在气动技术使用中存在效率偏低、浪费严重、节能意识淡薄等问题。超过90%的气动系统都有20%以上节能的空间。
  那么我们为什么要节能呢?1)运营成本降低——省钱!直接装入口袋的净利润;2)国家法律法规的执行——守法!3)环境保护的责任——保卫地球!降低能耗,减少二氧化碳排放量。
  二、压缩空气的成本计算
  压缩空气的成本主要是电费成本,下面有个大体的估算公式:
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  以英格索兰250kW,额定输出40m3空压机为例:
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  一般工厂压缩空气的综合成本在0.1元/m3(ANR)以上。空压机输出压力与运行电费是有一定关系的,对于螺杆式、活塞式空压机而言,通常降低0.1MPa输出压力,可以使空压机的用电量节省7~10%。如下图表1所示:
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  例:功率250kW的螺杆式空压机为例,输出压力降低0.2MPa,年工作300天,每天24小时,节省按照8%计算,电费0.7元/kWh。可节约250kW×24小时×300天×0.7元/kWh×8%×2=20.16万元/年。
  气动系统的节能,要从压缩气体的产生,传输和使用三个环节入手。如下图表2所示。
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  按照用最少投资,获取最大效果的原则,排序为:①现场用气的合理性②压缩空气管理③空压机优化。那么我们就按照这个顺序,来逐一学习一下。
  三、现场用气的合理性
  首先我们来说一下,一般使用压缩气体的场合,普遍存在的几种现象:1)泄漏 2)吹气 3)压力损失 4)低压化 5)间歇控制。
  1、泄漏:一般指工业中不应该流出或漏出的物质或流体,流出或漏出机械设备以外,造成损失,称之为泄漏。
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  上图表3展示的是泄漏处的孔径大小与泄漏量的一个对应数据关系,这些数据依据的是这个公式来计算的Q=83×d2×(P+0.1013)L/min(ANR)。这个公式是一个经验数据的估算,另外还有一些精确的测量泄漏量的仪器可以使用。如下图表4所示
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  工厂漏气案例参考:  某大型工厂发现276处泄漏点,泄漏量:18.2m3/min,年损失=18.2X60分钟X16小时X250天X0.07元/m3=30.6万元。
  造成泄漏的原因主要有两方面:一是由于机械加工的结果,机械产品的表面必然存在各种缺陷和形状及尺寸偏差,因此,在机械零件连接处不可避免的会产生间隙;二是密封两侧存在压力差,工作介质就会通过间隙而泄漏。消除或减少任一因素都可以阻止或减少泄漏。就一般设备而言,减小或消除间隙是阻止泄漏的主要途径。
  2、吹气:是指的一种动作,泛指将管路内的气体排放到外接。吹气的主要功能有:1)除尘、除水、干燥、降温;2)分离;3)吹出;4)贴附,喷涂。
  吹气存在问题1:喷嘴末端的压力损失高。压力损失大导致供气压力高,供气压力高导致耗气量大,耗气量大导致耗能多。
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  吹气问题1改善对策:
  1)通过加装喷嘴,减小下游有效截面积,降低流量,提高喷出的气体压力。其原理类似于我们用嘴去吹气,张大嘴去吹气和收拢嘴去吹气的差异。一般常见的喷嘴接头如图表6所示。
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  图表6所示的数据是,在工件距离不变,喷出压力不变的前提下,通过更改终端喷嘴的口径,对应出来的气体流量需求。
  2)通过用低压损元件,增大上游有效截面积。图表7所示是SMC新老两款阀的对比。
  图表8是某集团生产用气枪,节能改善的一个案例,通过表中的数据可以直观的看出耗气量明显降低,间接的表征出来供给压力有所降低。下表数据的计算,按照吹气时间1分钟吹一次,每次20秒,工作时间按8小时/天×300天/年得出。
  吹气存在问题2:吹气供给压力选择不当。不是说供给的气压越高越好,吹击力和喷嘴的直径和距离相关的,如图表9所示。
  问题2改善建议:按照功能需求合理供压。
  吹气存在问题3:无工件时仍然吹气。大多工厂都不太在意吹气的休息问题,没有工件时是需要休息的,哪怕是仅仅1秒两秒,但是日积月累就多了。图表10是几种常见的应用场合。
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  问题3改善建议:使用合适的机械阀、电控阀、气控阀,使得无工件时停止耗气。
  上面是针对单独问题逐条进行的分析,下面我们再举一个例子,把吹气这种应用的合理性再明确一下。
  日常生活中我们会经常喝到啤酒,大家知道在啤酒的生产过程中,有一个环节叫做“啤酒瓶盖吹净”吗?这个环节就是啤酒灌装完并压装盖子后的一个工序,一般用来吹去灰尘和液滴。比较老的啤酒厂会直接在硬钢管子上打孔进行气吹清理,这样无需要减压阀,无需要通断阀,直接成本投入较小。耗气量为14.2m3/min,年运行费用约27万元。
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  结合上面提到的和吹气相关的几点改善措施,我们采取的的改善措施为1)追加喷嘴、喷嘴口径合理化,提高冲击压力;2)追加减压阀,调低供给压力;3)追加2通阀,无工件时停止吹气;最终配置为双喷嘴侧吹+直吹,按照正确顺序加装减压阀、通断控制阀。耗气量为1.1m3/min。年运行费用:2.2万元。
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  3、压力损失:顾名思义就是气体压力没有被用于有益的工作,而是无端的损失浪费了。导致压力损失的主要两个原因为:1)主管路管径小导致的压力损失;2)过滤器滤芯阻塞导致压力损失。
  图表13示意的是同样的供气流量,同样的压损,对应的不一样的传输管路直径。所以建议大家在选用设计管路之前要先计算一下比较好。
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  压缩空气过滤器滤芯会随着使用时间增长而慢慢堵塞,导致进出口侧压力差增大。空压机需要更多工作来弥补此部分压力损失,花掉更多的电费。 滤芯更换的投入产出比: 以AF30系列(流量1000L/min)为例: 压力损失0.1MPa时导致的损失超千元。 AF30的滤芯标准价几十元。 改善对策:压损超过0.1MPa更换滤芯或大型过滤器每年更换滤芯、小型过滤器2年更换滤芯。有些老板一听说每年要更换配件,总感觉自己在一直的花钱,不停的投入,从内心里就比较抵触。那么我们来算一个账:以AF30系列(流量1000L/min)为例: 压力损失0.1MPa时导致的损失超千元,更换一个AF30的滤芯的标准价才几十元。现在SMC也推出了带有带滤芯堵塞指示的过滤器和带差压指示计的过滤器,方便我们选用。
  4、低压化:是指的起源的输出端和主管路要采用低压传输的原则。这个概念和大家常规意识的,高压输出可以抵消压降的思路是完全相反的。反过来大家细数一下,其实在我们整个气路中需要达到高压的位置并不是很多,大多低压就可以满足。所以,我们可以使用整体低压,局部增加的策略来满足不同位置的要求(如图表14所示)。仅少量位置需要高压,可以降低空压机输出的压力,有效降低空压机运行电费。
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  以功率250kW空压机为例,输出压力降低0.2MPa,可节约:250kWx24小时x300天x0.7元/kWhx8%x2=20.16万元/年。
  另外,减压阀的稳压功能也同样不可忽视。同样流量下,稳压特性越好,对上游压力的需求越低。
  5、间歇控制的意思是指:气路系统该休息的时候就得让它休息。这个概念和吹气的现场的问题2——无工件时仍然吹气所表达的意思有些相近。另一方面间歇控制还阐述一个停止的概念,引申为截止,阻断气路的气体的传输。例如我们的管路是有部分泄露点的,要么即使处理掉泄露的位置,要么设备停机时直接截止气路,同样也可以起到节约能源的作用。还有些时候,由于手动气源开关,位置偏僻,容易被忽略且操作不便。这样我们就可以引进一种可与电源开关联动的截止阀产品。
  在常规的气路中耗气量最大的,要数真空元件了,真空发生器在工作时是持续耗气的。下面我们就以某工厂的一套真空装置为例,说明一下采用间歇控制前后的差异,以及给客户带来的直接收益。这里主要引入的为双级喷嘴技术,可以提高真空效率。需要真空时才给真空发生器供气,真空压力达到时便自动停止。使得气体的吸入量增加50%,空气的消耗量削减了30%。
  图表15数据是按照1)每天工作24小时,每年工作300天计;2)压缩空气的电费成本约合0.1元/m2来计算的。
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  综合图表15数据得出测试结论1)改善后每个发生器每年节省成本2.328.2,压缩空气运行成本消减88%.2)由于ZK2是间歇供气,改善后现场噪音明显减少。3)由于ZK2自带破坏阀,改善后吸盘释放工作时,更容易与工作脱机。
  四、结语
  文章说了这么多可能有些人还是比较模糊,想要知道自己的气路实际存在怎么问题?有什么对策?节能的空间有多大?投入规模大小?那么,我们最后再用一个图表16来给大家说明一下,希望对大家能够有所帮助。
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  作者简介
  吴广忠(1980.04--),男,汉族,山东省青岛市人,大学本科(工学学士),毕业于青岛科技大学,中级工程师,研究方向:空气压缩机。
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