气力输送系统气源机械选择和节能探索

　　摘要：
　　介绍可供气力输送系统使用的各类气源机械及其特征和适用场合。通过分别对气力输送气源机械的压缩机压降、泄漏、变频控制和冷却进行详细分析，指出在气力输送设计时应采用独立的气源，选用适合的压缩机；泄漏可造成能源的巨大浪费，采用有压容器的放气过程方法可以堵住50 ～7o 的泄漏；采用变频控制按需气量供气，可大大减少压缩机空载运行，从而降低能耗；通过增强冷却效果也可得到良好的节能效果。
　　
　　关键词：气力输送；气源机械；节能
　　
　　气源机械是气力输送系统的4个基本组成部分之一，为气力输送系统提供具有一定压力和足够流量、满足一定净化程度要求的压缩空气，用以克服气力输送系统中各部分所引起的压力损失。
　　
　　气源机械广泛地应用在与国民经济相关的各个部门及各种生活设施方面，是我国常用耗电量较大的设备，其总耗电量为总发电量的1／3以上。据各工业部门对气源机械的调查，目前我国使用的气源机械效率多数比工业先进国家的同类产品低5 以上，气源机械的实际运行效率普遍比工业先进国家低10％ 以上，节能潜力巨大。因此，对气源机械正确合理选择，开展节能、降耗工作，是非常必要的。
　　
　　1 气源机械的分类
　　
　　应用在气力输送系统中的气源机械分类如图1 E 所示。
　　
　　1．1 空气动力式气源机械
　　
　　空气动力式气源机械指通过对气体施加作用力使其获得动能，而气体在流动时动能又不断地转化为势能，因而提高气体压力的压缩机。
　　
　　离心式送风机是径流式压缩机的代表，其特性曲线如图2所示。从图2可以看出，当压力变动时相应的风量变化较大。在气力输送系统中，输料管中的阻力损失在急剧增大时，离心式送风机为克服阻力损失，出口压力也相应提高，此时压缩机的出口风量相应急剧减小，从而会使输料管中流速减小，物料会停滞，进而导致管道堵塞。因此，这类气源设备的使用不可靠。
　　
　　1．2 容积式气源机械
　　
　　(1)罗茨鼓风机罗茨鼓风机是稀相气力输送系统最常用的气源机械，其排气压力不超过100 kPa，最大排气量可达560 rn。·min L3]。罗茨鼓风机特性曲线如图3所示。罗茨鼓风机的风量与转速成正比，根据其压力与流量特性曲线，在转速一定时，风量随压力变化不大，适合于气力输送系统工作时压力损失变化大的特点。当压力损失增大时，不至于因风量大幅度减小而使风速减小，进而造成管道堵塞现象。同时，从图3中的压力与轴功率关系曲线可以看出，轴功率随着静压力的增加而增大。
　　
　　因此，罗茨鼓风机应空载启动，防止因有载启动而发生设备事故。
　　
　　(2)螺杆式压缩机螺杆式压缩机可以为气力输送系统提供中压到高压压缩空气。其优点是压缩过程为容积式的连续压缩，能在很大压缩比范围内稳定运转，没有脉动现象；当工作压力有变化时，排气及吸气量变化很小，符合气力输送的输送特性。
　　
　　螺杆式压缩机的排气能力为3．4～ 700m min 。干式单级螺杆压缩机的压力能达到约400 kPa(表压)；干式两级压力能达到1．1MPa(表压)。喷油式的最高压力约为900 kPa(表压)[33。由于喷油能带走热量，因此喷油式比干式能以较少的压缩级数实现给定的压缩比，选择时应考虑表1中所列的因素 。此外，喷油式还需要高压喷油装置和油气分离设备以及外部的冷却器等。
　　
　　螺杆式压缩机通常没有压力脉动，其效率通常低于离心式或往复式压缩机，主要原因为螺杆啮合处固有的残留气体在内部再循环和螺杆转子顶部密封泄漏。由于螺杆式压缩机的最佳效率点为全负荷运转，因此对于给定的压缩比，在选择螺杆式压缩机时，其能力要尽可能接近实际运转工况。
　　
　　(3)滑片式压缩机因滑片式压缩机转速较高，体积较小，质量小，供气均匀，适于正压气力输送装置中对压力要求不是很高的场合。目前使用压力_一般为0．069～0．32 MPa(表压)，排气量为3．0～83．5m 。‘min(4)水环式真空泵水环式真空泵的排气能力为2．0～ 140m。·min_。。单级可达到一80 kPa(表压)，两级时则可超过一93 kPa(表压)。若需要较高真空度，如密相真空输送系统或长距离真空输送系统，通常采用水环式真空泵。
　　
　　水环式真空泵的特性曲线如图4所示。从图4可以看出，由于水在旋转时摩擦损失大，因此效率较低，最佳效率仅为60 。为此，压缩机的吸人真空度以40～67 kPa为宜。水环式真空泵没有机械接触部分，因此吸人的空气中即使有悬浮运动的颗粒也没有关系，这在气力输送(负压式)中特别有利。
　　
　　(5)往复式压缩机往复式压缩机是容积式的代表，由于它能很容易地产生高压或高真空，因此适用于特别高的混合比和长距离高压输送的空气源。
　　
　　往复式压缩机的特性曲线如图5所示。当出口压力超过某一压力时，流量几乎是不变的。因此，压力脉动速度变化小，这是往复式压缩机的优点。但其缺点为机械振动大、占地面积大、设备投资及维修费用高。另外，当吸人空气不干净时，会磨损气缸表面，因此一般需带有空气过滤器。
　　
　　2 气力输送气源机械的选用
　　
　　在选择气源机械时，一定要参考气源机械的压力一流量曲线，在一定的输出压力下排气量需满足气力输送系统最大使用气量要求。另外，当输送管内压力变化时其流量应变化不大，即特性曲线的斜率越大，对气力输送越有利。图6所示为气源机械流量随压力变化的特性曲线 ，容积型气源机械在压力变化时流量一般变化较小，且容易获得高压，适于气力输送。图7所示为各类气源机械的适用范围L2]。
　　
　　不同气力输送方式所采用的压缩机或风机也不同，具体选用原则可参考表1[4]。
　　
　　3 气力输送气源机械节能分析
　　
　　目前，气力输送使用气源机械的场合普遍存在资源浪费严重的现状，主要表现为压缩机配置及运行仅仅以保压为目的、供给压力不合理、输送管道泄漏严重、用气场合不当、现场工人用气成本意识淡薄等。
　　
　　例如，仓泵密相气力输送系统在气源机械配置上存在严重缺陷。由于多数仓泵输送属于单泵间歇式输送，没有综合考虑其用气特点和通过详细计算配置合适的空气储罐和管路，造成空压机在仓泵装料用气量小时，压缩机长时间处于卸载空运行，特别是对于采用吸气阀关闭调节气量的方式。不同动力下的动力一排气量曲线如图8所示。由图8可以看出，压缩机在空运行期间耗电量仍高达7O 。设计人员考虑到部分气动阀门和除尘器用气压力较高，在系统配置选用排气压力较高(多数为0．7～1．0 MPa)的气源机械，但物料输送管道压力损失一般为0．15～0．3 MPa，在进入仓泵前通过减压阀降压，因此会造成较大的能量损耗。
　　
　　针对这种问题，需改善压缩机运行状态，具体方法如下。
　　
　　(1)压缩机降压压缩机在不同的输出压力下，其压缩效率和耗能也不同。不同输出压力下，消耗能量的大小可以用气动功率计算。气动功率(E)的计算方法为式中P。— — 标准大气压，Pa；Q —— 标准状态下的空气体积流量，工况压力或压缩机输出压力，Pa。
　　
　　当体积流量分别为100，500 和1 000L·min 时，在不同输出压力下计算出的气动功率如表2所示[5]。
　　
　　从表2可以看出，当体积流量一定时，气动功率随着压力减小而减小，也就是能量消耗降低了。
　　
　　一般情况下，气力输送系统是与其它车问共用一个空压站，在确保不影响正常生产的前提下，应将压缩机的输出压力调低。对于部分高压用气点，可通过增压泵或单独配置高压压缩机实现高压空气供给 。
　　
　　在新设计的气力输送系统中，用于气力输送的压缩机最好单独配置，选用排气压力与物料输送管道压力损失相接近的压缩机。为防止输送后期气源压力下降太大造成管道堵塞的问题，在空气管直径和储罐容积配置上适当增大，以保证输送用气量。压缩机排气压力可以考虑设计有20 ～5O 的余量。
　　
　　采用排气压力较高的压缩机，虽然通过降压生产可以节能，但由于相同气量条件下高排气压力设备投资较大，降压后压缩机效率也会降低，因此最好仅在现有系统进行节能改造时使用。
　　
　　(2)封堵泄漏压缩空气的泄漏在实际生产过程中是不可避免的。泄漏主要发生在橡胶软管接头、三连件、螺纹连接、各种快换接头、尼龙管、减压阀排气口、过滤器排污口以及管网等处。
　　
　　管道上不同泄漏孔径的小孔在表压为0．7MPa的压力下泄漏量以及折算成压缩机的耗电量如表3所示。
　　
　　从表3可以看出，空气泄漏引起的能源浪费是非常严重的，因此必须及时对其进行检查堵漏。
　　
　　现场可以通过接入相关仪表测量泄漏所在的可能位置及泄漏量，也可以通过计算大体估算出泄漏量。计算原理是通过有压容器的放气过程，即在设备处于不运转状态下，通过气体状态方程推算出管道泄漏量，公式为式中 — — 空气泄漏量，L·min ；P —— 管路内的起始压力，MPa；p。—— 管路内放气后的压力，MPa；f一放气时间，min；V —— 管路以及与管路相连的储气罐体积。
　　
　　通过计算可以估算出泄漏量，但泄漏具体位置需要人工查找。查找出泄漏点以后，采取相应的堵漏措施，一般情况可以成功堵住总泄漏气量的5O ～7O 。堵漏之后还应对泄漏点进行定期检查，以防因管道或接头老化等而出现新的泄漏点。
　　
　　(3)变频控制压缩机上的电机一般采用标准三相鼠笼式交流电动机，工作时电机恒速不变，压缩机只能工作在电机的全速状态。用户用气量是波动的，因此，选择压缩机必须按最大用气量配置，当用气量不是最大时，压缩机依然按额定的排气量排气，系统压力升高，压缩机就会卸载，持续空载运行一段时间后会处于待机(停机自动启动)状态。
　　
　　采用变频调速系统后，电机速度与电源的频率成正比，改变电源频率可改变电机转速，从而控制压缩机的排气量，避免固定转速带来的大量浪费。同时变频器具有软启动的作用，启动较平稳，电流冲击和机械振动也会大大减小。
　　
　　变频节能原理可参见图8。不同调节方式下的耗能大小与对应线下的面积相等，由图8可以看出，采用变频调速方式比吸气阀调节方式可节约40 左右的能量。
　　
　　(4)冷却压缩机排气温度高达140～170℃ ，排气时压缩空气中所含的水蒸气及油均为气态，若带至储气罐和管网中，会引起不良后果，同时若吸人空气的温度升高，对压缩空气的全功也有影响。对于1 kg的空气，按多变过程压缩时，吸气温度每升高3℃ ，压缩机约增加1 的能耗。为防止油和水分进入储气罐和管网，减少压缩机功耗，节约能源，可在压缩空气站中装设冷却系统。
　　
　　某厂试验数据显示㈨，经冷却系统处理后，压缩机运行参数发生了明显的变化，如表4所示。
　　
　　从表4可以看出，由于冷却效果改善，气缸温度降低，气体经过阀室所受到的预热减少，吸气效率提高，压缩机的排气量也得到提高。理论计算表明，气体温度比原始温度每提高3℃ ，约使下一级功耗增加1 。由此可知，二级压缩缸进气温度降低了16℃ ，二级缸功耗约可降低5．3 ，可见冷却后可得到良好的节能效果。
　　
　　4 结语
　　
　　气源机械是气力输送系统中的关键部件之一，其能耗较大，若选择和使用不当会带来极大的能源浪费。通过对某企业气源机械实施节能措施后，能耗降低了3O％ 。