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文 | 文淵
編輯 |文淵
<—前言—>
近年來，隨着節能減排的重要性日益凸顯，對於空壓機的節能改造需求也越來越迫切。如何提高熱效率是一個亟待解決的問題。熱效率的損耗主要源於排氣系統和冷卻系統。
對於螺桿式空壓機來說，針對其特點，我們提出了一種可行的方法來提高餘熱回收效率，設計了一種新穎的餘熱回收系統（WHRM）。同時，通過建立人工神經網絡的預測模型，我們可以探究空壓機餘熱回收過程中的效率問題。
<—零部件節能改造—>
空壓機作為大中型工業設備，存在着高初始採購成本和高運行成本的問題。為了降低企業的運營成本，節能技術改造對空壓機系統來說具有重要意義。從節能技術措施的角度來看，可以分為對關鍵零部件的節能技術改造和對整個系統的節能技術改造。
對關鍵零部件的節能技術改造主要是通過優化機械結構來降低能耗。例如，調整啟動方式，將頻敏電阻器改為進口軟起動器，可以降低啟動時的電流，提高啟動性能。另外，安裝電流變送器可以監控和檢測空壓機電機的電流，確保其安全運行。
對整個空壓機系統的節能技術改造主要從系統的全局出發，進行系統優化和管網改造。通過對空壓機系統進行智能控制和優化，可以充分挖掘節能潛力。同時對輸送管網的節能技術改造也可以有效減少能耗。
在企業中，常見的做法是將兩台空壓機進行並聯使用，並通過安裝單向逆止閥使它們可以獨立運行。單向逆止閥位於空壓機出氣口和儲氣罐之間，主要作用是防止氣體倒流。常見的單向逆止閥有翻板式止回閥和升降式止回閥兩種。
翻板式止回閥是一種較為粗獷的控制機構，但存在噪音大、翻板易掉落的問題，因此使用量逐漸減少。升降式止回閥相比之下具有更多優點，可以產生良好的效果。但在實際使用中，我們也發現升降式止回閥存在一些問題。這些問題主要源於空壓機的輸出壓力波動和氣流不穩定。
一方面，由於空壓機吸氣和排氣交替運行的過程，吸入空氣的參數變化會影響到輸出氣體，導致止回閥頻繁撞擊閥體內的密封面，造成損害和噪音。另一方面，空壓機長時間運轉會導緻密封面斷裂和止回閥嚴重磨損，需要定期更換，增加維護成本。
為了實現空壓機的自動控制，常見的減荷方式是通過手動操作控制減荷閥，關閉氣體輸入，使空壓機進入空載狀態。為了實現自動啟停，可以對壓力調節器進行改進，與電磁閥並聯並設置為常開，確保空壓機在空載狀態下也能自動啟動。同時需要更換減荷閥彈簧，選擇適應空壓機工作條件的材料，如硅錳彈簧鋼。
為了實現空壓機的智能監控和節能改造，可以將儲氣罐中的壓力表更換為遠傳壓力傳感器。該傳感器可以將儲氣罐內部的壓力轉化為電流信號，並傳輸給PLC控制系統和顯示儀錶，實現對空壓機的實時監控和壓力參數的調整。
<—壓力流量控制技術—>
由於空壓機系統中的用氣設備種類繁多，並且它們的用氣量和用氣時間也都不相同，這導致了系統中的壓力流量出現瞬時的脈衝波動現象。目前常用的方法是提高整個系統的供氣壓力，以確保即使在氣體壓力波動時，最低壓力仍能夠滿足用氣設備的用氣需求。可這樣的做法明顯不合理，會導致管網長時間處於承壓狀態，增加能耗和壓力載荷。
為了解決這個問題，常用的方法是採用壓力流量控制器來平衡管網的壓力波動，而無需提高整個系統的供氣壓力。壓力流量控制器可以使壓縮空氣系統的供氣壓力保持穩定，在一定範圍內調節壓力，通常可以達到±0.01MPa的調壓範圍。
對於目前常用的工業空壓機，其壓力波動範圍一般在0.07MPa左右。通過使用壓力流量控制器，基本上能夠滿足系統的調壓範圍，從而保持系統壓力的穩定。
採用壓力流量控制器可以減少系統中的人為虛假用氣量和泄漏量，提高系統的儲氣能力和供氣可靠性。這種方法特別適用於壓力波動較大的系統，尤其對於無現場減壓控制的用氣設備來說，效果更為理想。
<—氣體乾燥設備改造—>
在空壓機進行空氣壓縮的過程中，常會夾雜有顆粒物和水蒸氣等雜質。這些雜質的含量與所在地區的氣候條件、季節性氣候循環和大氣污染狀況等因素有關。這些顆粒物和水蒸氣會對氣體系統產生影響，如鏽蝕輸送管路、控制閥等元器件，增加氣體輸送的噪音和阻力，降低用氣設備的使用壽命。
為了解決這個問題，在末端用氣設備前需要設置壓縮空氣乾燥凈化裝置。根據工藝設計要求，有時也需要在空壓機前端設置壓縮空氣的預處理乾燥凈化裝置。
常見的壓縮空氣乾燥凈化方法主要分為冷凍法和吸附法兩類。
除水通常採用吸附法，尤其是吸附法中的無熱微風量再生法。
無熱再生式乾燥法類似於有熱再生式乾燥法，但無需加熱，而是直接利用一部分壓縮空氣作為再生空氣進行吸附劑中的水分帶走排出。這種方法罐體較小，但切換頻率較高，對切換閥的可靠性要求較高。
由於切換頻率較高，吸附劑易粉化，因此需要在無熱再生式乾燥機的後續工藝中設置過濾器。潮解式乾燥法採用單罐結構，罐內充填特殊類型的乾燥劑，通過乾燥劑吸收壓縮空氣中的水汽，並通過排水器排出。這種方法的乾燥效果好，吸濕能力強，且不易產生化學反應。無熱微風量再生法在無熱再生式乾燥法的前端加入冷干機，具有冷凍法和吸附法的優點。
<—空壓機系統節能改造—>
為提高空壓機的運行效率和整個氣動系統的能源利用效率，可以採取一些節能技術改造和日常管理措施。包括但不限於以下幾個方面：
1. 空壓機操作措施：操作者應嚴格按照操作規程進行操作，禁止違規操作。定期進行維護保養，按要求更換易損件，確保空壓機處於正常工作環境下運行。
2. 空壓機群集中控制系統：隨着企業規模的擴大，單一的手動控制已無法滿足需求，需要對整個空壓機群進行集中控制，實現資源的優化配置。通過實時控制空壓機的啟停和加載/卸載，協調空壓機的運行狀態，保持管網系統的壓力穩定，減少壓力波動。
3. 管網優化技術：壓縮空氣的輸送管網布置是否合理以及管網的泄漏直接影響空壓機的能耗。通過對整個管網系統進行優化，例如將支路布置改為環路布置，設置旁通管路等，減少壓力損失和能量損耗。使用智能檢測設備檢測管網的泄漏點，並及時更換勞損的管道。
還可以採用餘熱回收技術來提高空壓機系統的能源利用效率。通過利用空壓機系統排出的高溫熱量，例如使用換熱器將熱量回收並轉換為其他用途，如輔助採暖、工業工藝加熱、鍋爐補水的預熱、生活用水等，從而減少能量的損耗。
<—空壓機節能智能監控—>
變頻式的螺桿空壓機通過使用變頻器設備，可以根據工作現場的用氣量來調整空壓機的轉速，從而實現按需產氣和節能的目的。與普通的控制方式相比，採用變頻器的空壓機具有更優良的節能效果。這種變頻式空壓機適應工業情況下不同氣量大小的需求，並且在許多應用中得到了廣泛的使用。
在變頻器控制下，空壓機的電機轉速和頻率之間存在如下關係：
其中，np為變頻器下空壓機的轉速，N為電機的額定轉速。
通過研究轉速變化對容積效率和功率之間的關係，可以得到如下關係式：
其中，ηv為容積效率，V為吸氣量，su為相對轉速和吸氣量。
根據這些關係，可以推導出壓縮機出氣壓力與吸氣量之間的關係。
在變頻器控制下，採用PD控制器來控制空壓機的輸出。通過控制器的調節，根據系統的偏差和變化率來調整控制器的輸出，以實現精準控制。
通過對變頻器控制的研究，可以提高空壓機的運行效率，實現按需產氣，減少能量損耗。此外，對螺桿式空壓機的機械結構進行改良，並加入變頻器控制，也可以實現節能的目的。
<—結語—>
空壓機系統可簡化為氣體的輸入部分、輸出部分、耗能部分和熱量輸出部分。經過分析，發現輸入空壓機的氣體溫度、濕度以及進口和出口氣體的壓力對空壓機的能耗產生影響。而空壓機在實際運行過程中，螺桿間的間隙會導致壓縮空氣的泄漏，這種泄漏會降低空壓機的容積流量和運行效率。
針對空壓機的能耗模型，我們提出了一些節能改造的技術措施。一方面是從空壓機的結構進行節能改造，另一方面是從空壓機系統層面進行節能改造。
針對螺桿式空壓機的特點，我們提出了一種提高餘熱回收效率的方法，並設計了一種新穎的餘熱回收系統（WHRM）。另外，針對餘熱回收過程，我們利用人工神經網絡建立了預測模型，探究了空壓機餘熱回收效率的問題。
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