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文 | 文渊
编辑 |文渊
<—前言—>
近年来，随着节能减排的重要性日益凸显，对于空压机的节能改造需求也越来越迫切。如何提高热效率是一个亟待解决的问题。热效率的损耗主要源于排气系统和冷却系统。
对于螺杆式空压机来说，针对其特点，我们提出了一种可行的方法来提高余热回收效率，设计了一种新颖的余热回收系统（WHRM）。同时，通过建立人工神经网络的预测模型，我们可以探究空压机余热回收过程中的效率问题。
<—零部件节能改造—>
空压机作为大中型工业设备，存在着高初始采购成本和高运行成本的问题。为了降低企业的运营成本，节能技术改造对空压机系统来说具有重要意义。从节能技术措施的角度来看，可以分为对关键零部件的节能技术改造和对整个系统的节能技术改造。
对关键零部件的节能技术改造主要是通过优化机械结构来降低能耗。例如，调整启动方式，将频敏电阻器改为进口软起动器，可以降低启动时的电流，提高启动性能。另外，安装电流变送器可以监控和检测空压机电机的电流，确保其安全运行。
对整个空压机系统的节能技术改造主要从系统的全局出发，进行系统优化和管网改造。通过对空压机系统进行智能控制和优化，可以充分挖掘节能潜力。同时对输送管网的节能技术改造也可以有效减少能耗。
在企业中，常见的做法是将两台空压机进行并联使用，并通过安装单向逆止阀使它们可以独立运行。单向逆止阀位于空压机出气口和储气罐之间，主要作用是防止气体倒流。常见的单向逆止阀有翻板式止回阀和升降式止回阀两种。
翻板式止回阀是一种较为粗犷的控制机构，但存在噪音大、翻板易掉落的问题，因此使用量逐渐减少。升降式止回阀相比之下具有更多优点，可以产生良好的效果。但在实际使用中，我们也发现升降式止回阀存在一些问题。这些问题主要源于空压机的输出压力波动和气流不稳定。
一方面，由于空压机吸气和排气交替运行的过程，吸入空气的参数变化会影响到输出气体，导致止回阀频繁撞击阀体内的密封面，造成损害和噪音。另一方面，空压机长时间运转会导致密封面断裂和止回阀严重磨损，需要定期更换，增加维护成本。
为了实现空压机的自动控制，常见的减荷方式是通过手动操作控制减荷阀，关闭气体输入，使空压机进入空载状态。为了实现自动启停，可以对压力调节器进行改进，与电磁阀并联并设置为常开，确保空压机在空载状态下也能自动启动。同时需要更换减荷阀弹簧，选择适应空压机工作条件的材料，如硅锰弹簧钢。
为了实现空压机的智能监控和节能改造，可以将储气罐中的压力表更换为远传压力传感器。该传感器可以将储气罐内部的压力转化为电流信号，并传输给PLC控制系统和显示仪表，实现对空压机的实时监控和压力参数的调整。
<—压力流量控制技术—>
由于空压机系统中的用气设备种类繁多，并且它们的用气量和用气时间也都不相同，这导致了系统中的压力流量出现瞬时的脉冲波动现象。目前常用的方法是提高整个系统的供气压力，以确保即使在气体压力波动时，最低压力仍能够满足用气设备的用气需求。可这样的做法明显不合理，会导致管网长时间处于承压状态，增加能耗和压力载荷。
为了解决这个问题，常用的方法是采用压力流量控制器来平衡管网的压力波动，而无需提高整个系统的供气压力。压力流量控制器可以使压缩空气系统的供气压力保持稳定，在一定范围内调节压力，通常可以达到±0.01MPa的调压范围。
对于目前常用的工业空压机，其压力波动范围一般在0.07MPa左右。通过使用压力流量控制器，基本上能够满足系统的调压范围，从而保持系统压力的稳定。
采用压力流量控制器可以减少系统中的人为虚假用气量和泄漏量，提高系统的储气能力和供气可靠性。这种方法特别适用于压力波动较大的系统，尤其对于无现场减压控制的用气设备来说，效果更为理想。
<—气体干燥设备改造—>
在空压机进行空气压缩的过程中，常会夹杂有颗粒物和水蒸气等杂质。这些杂质的含量与所在地区的气候条件、季节性气候循环和大气污染状况等因素有关。这些颗粒物和水蒸气会对气体系统产生影响，如锈蚀输送管路、控制阀等元器件，增加气体输送的噪音和阻力，降低用气设备的使用寿命。
为了解决这个问题，在末端用气设备前需要设置压缩空气干燥净化装置。根据工艺设计要求，有时也需要在空压机前端设置压缩空气的预处理干燥净化装置。
常见的压缩空气干燥净化方法主要分为冷冻法和吸附法两类。
除水通常采用吸附法，尤其是吸附法中的无热微风量再生法。
无热再生式干燥法类似于有热再生式干燥法，但无需加热，而是直接利用一部分压缩空气作为再生空气进行吸附剂中的水分带走排出。这种方法罐体较小，但切换频率较高，对切换阀的可靠性要求较高。
由于切换频率较高，吸附剂易粉化，因此需要在无热再生式干燥机的后续工艺中设置过滤器。潮解式干燥法采用单罐结构，罐内充填特殊类型的干燥剂，通过干燥剂吸收压缩空气中的水汽，并通过排水器排出。这种方法的干燥效果好，吸湿能力强，且不易产生化学反应。无热微风量再生法在无热再生式干燥法的前端加入冷干机，具有冷冻法和吸附法的优点。
<—空压机系统节能改造—>
为提高空压机的运行效率和整个气动系统的能源利用效率，可以采取一些节能技术改造和日常管理措施。包括但不限于以下几个方面：
1. 空压机操作措施：操作者应严格按照操作规程进行操作，禁止违规操作。定期进行维护保养，按要求更换易损件，确保空压机处于正常工作环境下运行。
2. 空压机群集中控制系统：随着企业规模的扩大，单一的手动控制已无法满足需求，需要对整个空压机群进行集中控制，实现资源的优化配置。通过实时控制空压机的启停和加载/卸载，协调空压机的运行状态，保持管网系统的压力稳定，减少压力波动。
3. 管网优化技术：压缩空气的输送管网布置是否合理以及管网的泄漏直接影响空压机的能耗。通过对整个管网系统进行优化，例如将支路布置改为环路布置，设置旁通管路等，减少压力损失和能量损耗。使用智能检测设备检测管网的泄漏点，并及时更换劳损的管道。
还可以采用余热回收技术来提高空压机系统的能源利用效率。通过利用空压机系统排出的高温热量，例如使用换热器将热量回收并转换为其他用途，如辅助采暖、工业工艺加热、锅炉补水的预热、生活用水等，从而减少能量的损耗。
<—空压机节能智能监控—>
变频式的螺杆空压机通过使用变频器设备，可以根据工作现场的用气量来调整空压机的转速，从而实现按需产气和节能的目的。与普通的控制方式相比，采用变频器的空压机具有更优良的节能效果。这种变频式空压机适应工业情况下不同气量大小的需求，并且在许多应用中得到了广泛的使用。
在变频器控制下，空压机的电机转速和频率之间存在如下关系：
其中，np为变频器下空压机的转速，N为电机的额定转速。
通过研究转速变化对容积效率和功率之间的关系，可以得到如下关系式：
其中，ηv为容积效率，V为吸气量，su为相对转速和吸气量。
根据这些关系，可以推导出压缩机出气压力与吸气量之间的关系。
在变频器控制下，采用PD控制器来控制空压机的输出。通过控制器的调节，根据系统的偏差和变化率来调整控制器的输出，以实现精准控制。
通过对变频器控制的研究，可以提高空压机的运行效率，实现按需产气，减少能量损耗。此外，对螺杆式空压机的机械结构进行改良，并加入变频器控制，也可以实现节能的目的。
<—结语—>
空压机系统可简化为气体的输入部分、输出部分、耗能部分和热量输出部分。经过分析，发现输入空压机的气体温度、湿度以及进口和出口气体的压力对空压机的能耗产生影响。而空压机在实际运行过程中，螺杆间的间隙会导致压缩空气的泄漏，这种泄漏会降低空压机的容积流量和运行效率。
针对空压机的能耗模型，我们提出了一些节能改造的技术措施。一方面是从空压机的结构进行节能改造，另一方面是从空压机系统层面进行节能改造。
针对螺杆式空压机的特点，我们提出了一种提高余热回收效率的方法，并设计了一种新颖的余热回收系统（WHRM）。另外，针对余热回收过程，我们利用人工神经网络建立了预测模型，探究了空压机余热回收效率的问题。
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