压缩空气系统的能耗现状及节能潜力

压缩空气系统的能耗现状及节能潜力北京航空航天大学SMC节能环保中心蔡茂林《中国设备工程》2009年07期摘要:分析压缩空气系统节能的技术路线及当前我国企业压缩空气系统使用中存在的主要问题，指出我国压缩空气系统节能的前景。前言改革开放三十年来，我国经济规模和综合实力大幅增长，生产大幅提升，国际竞争力显著增强，去年奥运会的成功举办也极大地增强了我们民族的自信。但正如路甬祥院士所说，当前我国制造业、甚至整个国民经济的发展面临资源、能源和环境的严重制约，未来20年制造业的增长，如果单纯依靠数量增长，这是资源、能源和环境所不能承受的。因此我国必须依靠科技进步，采取绿色制造技术，在提高产品质量和附加值的同时，努力降低资源和能源消耗，这是未来制造业的发展方向、也是从制造大国走向制造强国的必由之路。当前，我国1吨标准煤生产的GDP只有美国的28.6%、欧盟的16.8%、日本的10.3%，节能空间巨大。2005年底“十一五”规划中我国首次明确确定节能目标：“十一五”期间，万元国内生产总值能耗从1.22吨标准煤下降到0.98吨，平均年节能目标为4.4%。但2006年仅完成1.23%，2007年完成3.27%，剩下三年的节能压力非常巨大。2008年4月，全面修改的新节约能源法正式实施，将节约资源定为我国的基本国策。可以说，中国已经进入到一个全面推进节能减排工作的局面。在这样一个背景下，可以预见今后几年，越来越多的产业领域、工厂都将改变现在不计能耗只顾发展的态势，开始着手采取措施，有计划有步骤地削减能耗。以此为背景，在工业生产中占据工厂总耗电量10～20%，有些工厂甚至高达35%的压缩空气系统在我国将不可避免地会成为节能工作的对象。压缩空气系统由于其元器件价格低廉、系统构成及维护容易等特点，从70年代开始在工业自动化领域的应用逐步扩大，至今已形成全球年销售额约110亿美元的市场规模，在中国年销售额达到近50亿人民币。但是，在原油日益高涨、能源问题突出的今天，压缩空气系统使用中浪费严重等问题也引起了人们的关注，压缩空气系统的节能在我国正成为一个重要而迫切的课题。压缩空气系统能耗的96%为工业压缩机的耗电。我国工业压缩机的耗电量2006年1800亿度，2007年高达2000亿度，约占全国总耗电量的6%。而GDP为我国1.6倍的日本的工业压缩机耗电量仅为400亿度。这说明我们在调整产业经济结构的同时，还需大力提高压缩空气系统的能源利用效率。压缩空气系统节能的技术路线压缩空气的使用能耗可以用气动功率的积分表示。因此，如图4所示，在压缩空气使用中，减少压力、流量、时间任何一个变量，都可降低压缩空气能耗。例如，如能将压缩机输出压力从0.7MPa降低到0.6MPa，可以节约压缩机用电至少5.8%。具体到压缩空气系统中三大环节，可按图5所示的流程，采取如下的节能措施：1）压缩空气的产生：压缩机的合理配置与运行，供给压力的降压及运行模式优化，压缩机与空气净化设备状态的日常管理„„2）压缩空气的传送：泄漏的日常点检与最小化，接头处的压损改进，管网节点配置的合理化，耗气量分配的监测与日常管理„„3）压缩空气的使用：气力输送中压力及流量的合理化，机器非工作时供气的停止，分压供气，气缸驱动回路及驱动速度的改进，测量管路的最短化„„当前我国企业压缩空气系统使用中存在的主要问题在当前我国气动用户的压缩空气系统中，能源浪费主要表现为泄露偏大、压缩机配置及运行仅以保压为目的、供给压力不合理、气枪喷嘴低效、设备用气存在浪费、现场工人用气成本意识淡薄等等问题。在泄露问题上，工厂中的泄露量通常占供气量的10～30%，而管理不善的工厂甚至可能高达50%。有时一个汽车组装车间的泄漏点就有2万个，其中，泄露量的90%以上来自设备使用中的零部件老化或破损。而尤为严重的是，现场管理人员远远低估了泄漏造成的损失。比如，汽车点焊工位的一个焊渣在气管上导致的一个直径1mm的小孔每年导致的损失高达约3,525度电，几乎相当于两个三口之家的全年家庭用电。加强泄漏损失意识、普及泄漏检测及预防手段是当前工作重点。当前国内一些企业在开始利用泄露检测仪及泄露点扫描枪查漏堵漏，并已取得一些成效。（如表1）压缩机的合理配置及合理运行对节省用电非常重要。通常，为使输出压力波动小，很多压缩机采用吸气阀调节方式。这种方式在没有供气的情况下也仍需消耗70%额定功率的电力，浪费较严重。为此，导入变频控制、采用压缩机群专家控制系统等措施对削减电力十分奏效。而这些在工厂的实际操作中基本都被忽略，保证压力成为大多数工厂对压缩机管理的唯一要求。另外，由于管道压力损失不确定，设备启动存在流量高峰等原因，压缩机的供气压力有时比现场要求压力高出0.2～0.3MPa，浪费非常严重。有时也会为了少数几台压力要求高的设备，而整个调高供气的压力，这在能源使用配置上极其不合理，非明智之举。气枪在制造加工的精修、机加工等工艺现场被广泛使用，其耗气量在某些产业领域达到总供气量的50%。通常，气枪在使用过程中存在供气管道过长、供给压力过高、用直管铜管做喷嘴等问题。另外，现场人员很容易为了追求大冲击力而擅自扩大喷嘴喷口、提高供给压力，从而造成很大的用气浪费。（如图6、图7）另外，在气动设备中存在用气不合理的现象也比较突出，例如确定工件是否卡到位的气体背压检测、真空发生器给气等存在不工作也不间断供气现象。尤其是化学药液槽等用于搅拌目的的用气、轮胎制造中的定型充气等，从0.7MPa的高压减压到0.1～0.2MPa使用的现象非常普遍，浪费得令人痛心。从工艺上把握设备的实际需要压力和最低耗气量是使设备耗气合理化的前提。由于设备用气不合理导致的浪费平均估计为供气量的20%。种种问题，表明当前压缩空气系统的使用中用气浪费比较严重。所以，只需对其开展详细调查，明确问题所在，采取合理有效的节能措施，就可取得30%甚至更高的节能效果。压缩空气系统节能在我国大有所为当前，中国在气动节能技术的研究和应用上几乎还是一片空白。我国气动用户在气动技术使用中存在效率偏低、浪费严重、欲实施节能也无从下手和缺乏经验等问题。在压缩空气系统节能的研究和实施上，日本走在世界的前列。自1997年防止地球温室效应的京都协议签订以来，日本全国开始了声势浩大的节能运动，这其中也包括对压缩空气系统实施的节能活动。根据2002年日本流体动力工业会的调查，各企业实施节能后，气动能耗削减了10～30%。日本在气动节能技术研究应用上遥遥领先于其它各国，已积累了一些成熟的技术和经验，其中，日本SMC公司在日本给100家以上企业做了气动节能提案，最大削减60%，总计节省金额折合人民币1.5亿元。这些技术和经验在中国的消化、普及、再创新将成为中国气动节能工作的当务之急。为此，2007年底，北京航空航天大学和SMC（中国）有限公司进行产学合作，针对压缩空气系统，成立了全国首个节能环保中心，深入研究压缩空气系统合理化技术，面向全国气动用户快速推进和普及气动节能环保技术，促进行业健康发展。该中心对国内一家外资企业实施了全面的节能改造，使工厂每单位产量压缩机耗电量削减了34.5%，压缩机从原来的10.5台满负荷运行变为7.5台满负荷运行，3台压缩机完全停机。这充分说明压缩空气系统节能成效显著，如能在我国广泛开展气动节能活动、普及气动节能技术，每年可为国家节约用电600亿度，折合金额360亿元，具有非常可观的经济效益和社会效益。该中心正在针对我国汽车、纺织、电子半导体、加工机械等制造行业的大中型企业，以降低空气压缩机能耗为目的，结合各个行业特点研究切实可行的节能技术，制定一整套行之有效、易于实施、投资回收期小于一年的节能实施流程，将节能措施行业化、系统化、具体化、可操作化、可视化并进而规范化。我们相信，只要气动元器件厂家、压缩机厂家、气动用户、大学研究机构各自负起责任、共同努力，压缩空气系统的能耗一定能在当前基础上实现大幅度的下降，为我国“十一五”节能目标的顺利完成做出贡献。