摘 要：压缩空气是工业企业、科研院所广泛应用的能源。针对现代化动力设施建设需要，立足目前空气压缩机设备现状，对空气压缩机设备进行节能设计与优化整合。提出了可行性节能运行方案，进一步改善了现有动能运行生产方式。
关键词：压缩空气；节能；压缩机
1 空气压缩机介绍
目前主流空气压缩机主要有 3 种：离心式空压机、螺杆式空压机、活塞式空压机。
1.1 离心式空压机
离心式空压机是由叶轮带动气体做高速旋转，使空气产生离心力，由于空气经过叶轮的加压作用，从而使空气的流速和压力得到提高，连续地生产出压缩空气。
离心式空气压缩机特点有：①设备运行平衡，运转率高，操作可靠，无摩擦件，后期维护费用少。②离心式压缩机可实现完全无油压缩。③设备产气量大，结构紧凑，质量轻，占地面积小。④离心式压缩机不适用于气量小场合，压比也不能太高。⑤离心式压缩机的稳定运行工况比较窄， 且气量的调节不经济。
1.2 螺杆式空压机
螺杆式空压机机头核心部件是成对的互相啮合的阴阳转子，每对转子互相反向旋转，达到压缩空气的效果。
螺杆式空压机的特点是：①操作简便。螺杆式空压机自动化程度高，对操作者要求不高，易实现远程操作和无人值守运转。②运行可靠。螺杆式空压机零部件少，维护简单，没有易损部件，运转可靠，使用寿命长。③适用性强。螺杆式空压机是强制输气，因此容积流量不受排气压力影响，能够适用各种不同的工况，并保持高效运行。④动平衡好。螺杆式空压机无不平衡惯性力，设备高速运行平稳，对设备基础要求不高。
1.3 活塞式压缩机
活塞式压缩机的核心部件是由气缸、 进排气阀以及在气缸中重复运动的活塞构成的。曲轴旋转带动活塞在气缸内往复工作，完成吸气、压缩和排气的过程。活塞式压缩机的优点：①适用压力范围广，活塞式压缩机可设计成不同压力下工作，特别在高压或者超高压范围内是其他压缩机无法取代的。②压缩效率较高，活塞式压缩机压缩气体的过程属封闭系统，其压缩效率较高。③适应性强，活塞式压缩机排气量范围较广， 而且气体密度对压缩机性能的影响不如速度式压缩机那样显著， 同一规格的活塞式压缩机往往只要稍加改造就可以适用于压缩其他的气体介质。④气体带油污，尤其对于有油润滑更为显著。⑤排气不连续，气体压力有波动，有可能造成气流脉动共振。⑥易损件较多，维修量较大。
2 压缩空气需求分析
压缩空气需求牵扯多方面因素，如何高效合理满足生产需求，这里主要从流量、压力和湿度等方面进行分析。
2.1 流量
理想的运行情况，生产与消耗相互匹配，压缩空气量既满足需要，又不产生浪费。但实际运行中，为了满足生产运行波动情况，压缩机流量会过大，用户无法使用过量的压缩空气，设备进行减荷运行，此时设备为空载或半空载，能量被直接消耗，做无用功。
2.2 压力
空气压缩机的排气压力每增减 0.1 MPa 会使能耗增减6％。为此，排气压力一定要根据实际需要合理选择，不能留出太多的压损余量。另外，气动设备的压缩空气消耗量与压力高
低也成正比关系，合理地降低压力能减少不必要的压缩空气消耗。
2.3 湿度
由于大多数的设备对压缩空气中的含水量有要求，压缩空气一般都会进行干燥处理去除冷凝水。压缩空气的干燥程度通常用压力露点温度衡量，压力露点温度越低说明压缩空气越干燥，相应的也会消耗更多的能源。冷冻式干燥机压力露点温度一般为 2 ℃～5 ℃， 消耗的能耗大约是空气压缩机的1.5％。吸附式干燥机的压力露点温度可以达到-50 ℃，消耗的能耗相应的高达空压机的 10%～15％。
2.4 润滑
空气压缩机在工作的过程中， 以空气是否与润滑油的混合来分类，可分成有油式和无油式 2 大类。润滑油的参与显著提升空压机的容积效率。因此，从节能的角度分析，有油式空压机的能效大大高于无油式空压机。而更重要的是，无油机整机价格上比油润滑设备贵 1 倍。除氧压机等特殊要求的工作情况，压缩机选择均应选择有油润滑设备，匹配相应的后处理设备，来满足气源用户的需要。
3 空气压缩机及后处理设备选型
3.1 压缩机类型选择
低压压缩空气（1.6 MPa 以下）的生产：当压缩空气使用量稳定且≥100 m3/min 时，建议使用离心压缩机，当压缩空气量不是持续供应或者压缩空气使用量＜100 m3/min 时， 建议使用螺杆式压缩机。原因是离心压缩机大流量稳定运行，能耗低，维护简单。但是如果用户能耗变化时，离心压缩机容易发生喘震及气窒现象，影响设备正常工作。启停机复杂，不能满足使用。而螺杆压缩机便于进行自动调节，更加灵活。
中压压缩机，选择比较多样。由于技术的不断进步，螺杆压缩机已经能达到 4 MPa，因此在中压领域 1.6 MPa～4 MPa，可以根据需要选用螺杆压缩机、活塞式压缩机，以及螺杆—活塞组合压缩机。根据实际经验，建议优先选择螺杆压缩机，从而降低运行成本。
高压压缩空气（4 MPa 以上）的生产应采用活塞式压缩机进行。建议使用低压螺杆机生产低压空气，进行活塞机二次加压，得到高压压缩空气，从而降低活塞机备件成本。
3.2 后处理类型选择
干燥机选择：冷干机能够使压力露点达到 3 ℃～5 ℃，满足一般性需求。优点是能耗低，处理后压缩空气洁净度高。吸附式干燥机能使压力露点达到-40 ℃甚至更低，满足更苛刻的干燥需要，但是相应的能耗高。由于干燥剂的原因，洁净度受到影响。需要指出的是， 吸附式干燥机需要消耗部分压缩空气（无热吸干机的再生耗气量高达 12%～15%之间， 即便是微热吸干机再生耗气量也高达 7%～8%）， 因此选择吸附式干燥机的用户，压缩机选型应留出相应的余量。
3.3 储气罐选择
储气罐一般放在压缩机与干燥器之间，其作用为：①使空气得到预先冷却，粗分离压缩空气中水分和杂质，减轻后处理设备的工作负荷，提高设备能效，达到节能作用。②消弱活塞式空压机往复的脉冲气流，使气压稳定，保障供应的压缩空气平稳且连续。③储气调节，平衡系统内短时间内出现的耗气量与供气量之间的不均衡当空压机意外停机时，储气罐能够作短时间的应急气源。④提供一个较大的系统容量，防止压缩机设备频发加卸载，提高设备寿命。
根据压缩空气用量，如果用气量与压缩机产出匹配时，储气罐选择可以小些；如果压缩空气用量与生产不匹配，储气罐应选的大些，满足波动时用户需求。
储气罐容积选择经验公式：
V=10NQ/P
式中：V 为储气罐容积，m3；Q 为空气压缩机流量，m3/min；P为储气罐储气压力（绝对压力），MPa；N为冗余系数，用气平稳取值 1， 波动频繁但幅度不大取值 2~3，波动频繁幅度大取值 4以上。
4 节能措施
针对大用风量用户，建设大型空气压缩站，满足大规模空气类试验的要求， 精准供给。对不同用途的压缩空气进行分类，旨在满足用户的需求又不过分消耗能源。对于分布偏远或者特殊需要的压缩空气 （如加工中心等精密设备需要的压缩空气压力低，流量小，洁净度高），如果从空压站引出管道进行专项输送，造价高，压降大，耗能多。因此针对此类设备的低压气源供应，宜在设备就近安装空气压缩机及后处理设备，减少沿程损耗，满足少量压缩空气的需要。
4.1 通信设施
针对用气单位与空压站距离远，生产与消耗无法很好地协调匹配，因此在建设期应建设完善的通信设备，协调匹配动能生产与用户需求，包括：流量，压力，湿度等信息，做到最大限度的精准匹配，依需定支出，达到节能效果。用户与空压站建设信号调控及反馈信息，及时控制生产运行情况。目前压缩空气生产与用户之间通过简单的调度，例如某天 9 时～12 时用压缩空气，用户试验如果在 11 时完成，空压站未收到反馈的情况下，会持续运行 30 min 才逐步停机，此间造成能源的浪费以一台 300 kW 设备为例，每次多消耗 150 kWh 电能。
4.2 设备选型
压缩机设备选型的原则， 应在能够满足用户参数需求的基础上，尽量达到工频负荷，减少因压缩机空载后处理设备过度净化等造成的能源浪费。例如 3 ℃和 10 ℃的露点温度极可能在使用上并没有明显的差异。但两者的能耗却相差 10 倍，干燥机的选择一定要根据实际情况选用， 不必刻意强求过低的压力露点温度，因此针对用户试验需求，匹配合适的压力及干燥设备，并根据需求合理的进行供给才能最大程度的节能。
结合工业企业用能生产波动较大的实际情况，在压缩机设备选型时，多台同类设备并联运行中，宜用 1 台变频压缩机进行负荷调节，保证负荷变化时也能让能源得到的高效利用。其余压缩机设备在工频情况下工作达到最节能运行效果，用变频进行波动调节满足生产与用户之间的匹配问题。
4.3 热能回收
压缩机在运行过程中会产生大量的热能，压缩空气在进行试验过程中，也经常会被加热处理。这就使压缩空气不仅携带压力势能，也携带大量热能。但是在目前新航的生产工艺中，压缩空气附带的热能是被直接排放的。而这部分热能的回收有很多现实的应用，例如：冬季采暖需要，热表处理中清洗加热等。
4.4 能源外包模式
探索能源外包的运行方式，在精准统计动能使用量的情况下，寻找整体外包的可能性，从而达到减少运行成本、节约人力的作用。由于各单位情况不同，各类产品生产用能参差不齐，因此，在能源外包探索中应因地制宜寻找合适本单位的能源外包模式。
