壓縮空氣儲能效率(空氣易壓縮還是不易壓縮)

①空壓機85%～95%；

②干燥器3%～15%：

2.空壓機耗功

在壓縮空氣系統中耗功占比最大的是空壓機，因此對空壓機的耗功節省可以立竿見影。圖4為空壓機耗功分解。

作者在文章《軸功率對噴油螺桿空壓機節能影響》講到空壓機耗功主要在：

√主機軸功率耗功占比最大；

√其次是電機效率；

√再就是傳動效率

3.軸功率耗功

主機軸功率大小，跟主機選型、設計、制造及系統匹配有關。在后面的節能誤區會有詳細描述，見圖5。

4.電機效率

電機作為空壓機的主要輸入動力，其效率對于空壓機節能也是影響很大。工頻和變頻電機的采用，在后面的節能誤區會有詳細描述，圖6。

四、壓縮空氣系統的節能誤區

誤區一：空壓機的主機轉數越高或越低越節能

作者在文章《什么因素會影響比功率》中講到每檔主機都有一個最佳轉數，見圖7。

①當轉數低時，泄露會影響到比功率值上升（左邊曲線）；

②當轉數高時，機械損失也會影響到比功率值上升（右邊曲線）；

③所以，當空壓機工作在最佳主機轉數時，最節能（曲線最低點）。

通常主機的內泄漏是不可避免的，提高主機轉速可以改善相對泄漏量，提高效率。而增加主機壓力，也會使主機的內泄露加大，排氣量減少，主機耗能增加。

主機在高轉速下，軸承和軸封磨損加劇；潤滑油的冷卻效果降低，機頭內溫遠高于排氣溫度，潤滑油加速老化，潤滑性能降低。此時主機機械損失引起的能耗會隨轉數增加而加大。

正如圖8所示，當主機在某個轉數下，其能效值可以達到一個平衡點（內泄露和機械損失在某段轉數下主機能耗處于低值，某個轉數點為最佳）。當偏離該區域值時，無論增加轉數或減少轉數，都會引起主機增加能耗。

因此在設計節能型空壓機時，我們設定主機的轉數是根據主機的比功率曲線圖來選擇而不是轉數越高越好或越多越好！

另外，不同的空壓機主機由于設計和制造的水平不一樣，也會出現某些主機的比功率曲線低洼線段較陡，對于變頻空壓機的節能是不利的。

因此，在各流量段的空壓機有不同主機來搭配，同時工頻和變頻機型也是根據需要來選型主機。

市場上，為了競爭的需要，拼命提高主機轉數會有“小馬拉大車”的風險。同時，一味強調大主機、低轉數，也不一定節能。

誤區二：推崇兩級壓縮，忽略使用周期成本

作者在文章《絕熱效率對噴油螺桿空壓機節能影響》中談及：“空壓機組壓縮比增大，容積效率降低，比功率值增高?！?/p>

從理論上來說，兩級壓縮由于級間壓縮比小，主機泄露少（壓力低），同時第二級進氣溫度由于中間冷卻作用變低，因而在相同空壓機能效限定值，兩級比單級壓縮的所需的絕熱效率更低。見圖9為單級和雙級壓縮達到1級能效時主機所需的絕熱效率。

從理論上，兩級壓縮可減小主機能耗，提高絕熱效率，以求達到相關能效比功率限定值，從而提高空壓機能效等級，但是由于兩級壓縮采用中間冷卻的方式不同卻有可能無法實現理論上的等溫壓縮。

兩級壓縮：當空氣經過兩個主機壓縮時，級間設有中間冷卻器和汽水分離器。此時，進入二級壓縮主機的空氣可以盡量接近環境溫度，從而使得壓縮更接近等溫壓縮。

兩段壓縮：當空氣經過兩個主機壓縮時，級間通過噴液（油）冷卻，但是由于壓力露點的影響，進入二級壓縮主機的空氣不會低于60℃，此時壓縮距離等溫壓縮有一定差距。

無論是兩級（或兩段）壓縮的耗功小于單級壓縮的耗功，但是其關鍵零部件數量翻倍（相比單級的2.3倍），零部件越多故障率概率越高，從而導致機器的可靠性和安全性大幅下降。

從產品的使用生命周期來看，隨著使用時間的推移，兩級壓縮的性能降低及維護成本也遠大于單級壓縮。犧牲安全性和可靠性換取節能在小型機器上有點得不償失。

根據國內外螺桿空壓機性能的實驗研究成果，我們發現常見主機（7～8bar機組中）250kW以上使用單級壓縮達到1級能效已有較大難度，見圖10。

綜合考慮到國內主機的設計及加工水平和能力，建議：在90kW以下機組可采用單級壓縮，而追求1級能效的90kW以上機組則采用兩級壓縮，這將有助于提高機組能效，降低成本，提高穩定性。

誤區三：變頻空壓機滿載使用

大多數用戶使用空壓機時并不是時時刻刻滿負荷工作時，此時變頻空壓機的參與可以通過調整主機轉數來調節氣量，保證管網壓力穩定。從而達到節能的效果。

然而在市場上，許多供需雙方都認為購買變頻空壓機一定比工頻空壓機節能。即使客戶大部分時間其用氣量在滿載的情況下，也在為小部分時間變負載而糾結。

例1，某工廠有兩條氣量要求不一樣的生產線。原有空壓機想進行節能改造。A生產線的滿載用氣量為10m3/min且幾乎沒有波動；而B生產線的滿載用氣量為8m3/min但經常波動，見圖11。

由于兩條線都是獨立管網。如果按滿載流量給A和B生產線都改造為變頻空壓機。對于A生產線來說，不但不節能，反而更耗能。為什么？

變頻器自身消耗輸入功率的5%，折算到每一立方壓縮空氣的耗電量和生產成本，明顯大于工頻螺桿機耗能。

我們再看GB19153-2019《容積式空氣壓縮機能效限定值和能效等級》標準中關于1級能效空壓機工頻和變頻的限定值比較(10m3/min-7bar)：

對于B生產線來說，由于氣量變化大，使用變頻空壓機是適合的。

誤區四：變頻空壓機做主力機型用

例2，某生產線一天的用氣量在10～12m3/min，見圖12。

如果只用一臺12m3/min變頻空壓機，由于變頻器自身消耗輸入功率的5%，機頭和電機偏離設計轉速，效率降低5%左右，電機反復加速和減速（制動）耗電顯著大于恒速運轉，折算到每一立方壓縮空氣的耗電量和生產成本，明顯大于工頻空壓機。

所以在空壓機配置上，推薦1臺10m3/min工頻機+1臺2m3/min變頻機。工頻空壓機作為主力機型，變頻空壓機為輔助機。

在2臺空壓機以上的系統，工頻空壓機永遠為主力，變頻為輔助。

筆者曾經看見有些用戶的空壓機房里十幾臺空壓機全是清一色的變頻空壓機，這是對變頻空壓機節能的誤解。

誤區五：永磁電機最節能

永磁電機雖然在額定電壓的時候有很好的節能效果，但是在實際用戶現場電壓經常會偏離額定電壓，而當電壓大于或者小于感應電壓時，電流都會急劇增大，功率因數變小，節能效果大幅度變差。（見圖13）。由圖中可以看出：偏差在±3%電壓范圍內時，電機功率因數大于或等于0.9，否則，功率因數較低。

永磁電機雖然在額定電壓的時候有很好的節能效果，但是在實際電壓偏離額定電壓的時候，節能效果大幅度變壞。另外，對于常規結構的永磁電機，在不同負載下的運行特性差別很大，負載率低于25%，功率因數變很低。見圖14。

永磁電機在用戶電壓波動小<±2%且負載率>25%時才節能!

誤區六：通過簡單改造把工頻空壓機改為變頻空壓機

前面講了，無論是主機軸功率還是電機效率，都有其額定轉數（最佳轉數），偏離了最佳轉數，其效率都會降低。（見圖15a、15b）

在空壓機滿載時，工頻空壓機的設計是主機和電機轉數一般都處于最佳轉數狀態下，其能耗也處于最低。而變頻空壓機由于設計時更多地考慮變負荷運行，其主機轉數最佳值放在70%左右的負荷。再加上變頻電機的特殊構造，不是簡單的普通電機+變頻器=變頻空壓機。

因此簡單使用變頻器對工頻空壓機進行改造，不但不會對節能產生幫助，反而增加了空壓機的風險，比如電機散熱和壽命問題，機器的可靠性及變頻器的耗能和散熱等等。

變頻器對電機的影響：

①電動機的效率和溫升的問題：使電動機在非正弦電壓、電流下運行會產生很大的轉子損耗，這些損耗都會使電動機額外發熱，效率降低，輸出功率減小。

②電動機絕緣強度問題：載波頻率約為幾千到十幾千赫，這就使得電動機定子繞組要承受很高的電壓上升率，會對電動機對地絕緣構成威脅，對地絕緣在高壓的反復沖擊下會加速老化。

③諧波電磁噪聲與震動：普通異步電動機采用變頻器供電時，會使由電磁、機械、通風等因素所引起的震動和噪聲變的更加復雜。當電磁力波的頻率和電動機機體的固有振動頻率一致或接近時，將產生共振現象，從而加大噪聲。

④電動機對頻繁啟動、制動的適應能力：采用變頻器供電后，電動機可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流的方式啟動，給機械結構和絕緣結構帶來疲勞和加速老化問題。

⑤低轉速時的冷卻問題：普通異步電動機再轉速降低時，冷卻風量與轉速的三次方成比例減小，致使電動機的低速冷卻狀況變壞，溫升急劇增加，難以實現恒轉矩輸出。

⑥在設計結構及選材上都有些區別，主要是為了考慮散熱及高/低頻轉矩等問題：變頻電機可在0.1HZ～130HZ范圍長期運行，普通電機可在：2極的為20～65hz范圍長期運行，4極的為25～75hz范圍長期運行。

誤區七：忽略了電機的差異性

電機是空壓機里除了主機外，成本占比最大的零部件。想節省成本的方法很多：

①材料差異：v硅鋼板：熱軋/冷軋

◆線圈：粗細/含銅量

◆端子：大小/黃銅/紫銅

◆殼體：鑄鐵/鋁合金

◆軸承：國產/進口/SKF

②絕緣等級：

如果超出上限溫度10℃并持續一段時間， 絕緣材料將會減少大約一半的使用壽命。絕緣等級（見圖16）越高，采購成本越大。

③防護等級

根據IEC 60034-5標準，電動機的防護等級表示防塵、防水以及防碰撞的能力，用字母IP以及后面兩位數字表示。這跟電機的采購成本有關。數字越大，成本越高。

④機座號選取

機座號是衡量電機采購成本的重要指標，同樣功率的電機可能會有兩種中心高度，數值越大，可靠性越好，價格也越高。

⑤電機效率：

通常電機也分能效等級1～3級，每級電機效率相差不大，但價格卻是差距很大。

通常工頻空壓機采用三相異步電動機一般為IE3，變頻空壓機采用永磁電機一般為IE4以上；各級效率η相差1～2%；

電機功率越大，節能效果越好。從空壓機使用周期來看：能用高壓不用低壓，能用節能電機不用入門電機。

誤區八：只要有節能空壓機，干燥機配什么都無所謂

例3，某工廠配置一臺10m3/min冷干機，一天工作的平均負載情況如圖19。

大多數干燥機都是采用固定輸出功率且按最大負荷配置，當壓縮空氣處理量發生變化時，干燥機的耗功卻固定不變，就造成了干燥機耗能的浪費。

相當于浪費了10kW/天，3000kW/年。（見圖20）

另外對于干燥器的選配原則應根據客戶使用氣體品質對七個壓力露點的不同需求來選配干燥機。（見圖21）

干燥機的選型原則：能用冷干機就不用吸干機，再生方式能用電就不用氣，能用熱就不用電。（見圖22）

在多臺空壓機的系統中，不要一臺干燥器兜底，最好是一對一配置！

誤區九：忽略機房環境溫度的影響

空壓機進氣溫度越高，其耗功也越高；（見圖23）

例4，一臺75kW空壓機，如果進氣溫度降低10℃，大約可以節約15138度電/年。

GB50029《壓縮空氣站設計規范》站房溫度1-40℃；當環境溫度增加5℃。

①空壓機排氣量減少1.5%左右；

②干燥器增加25%的負荷

誤區十：一味強調節能，忽視了空壓機的質量和安全

無論機器多么節能，如果質量和安全得不到保障，客戶省下來的節能成本還不夠花費的。國家對產品的質量安全監督只會越來越嚴格。

空壓機的質量是客戶賺錢的基礎，螺桿空壓機生產制造驗收項目主要有以下13項：

空壓機的檢測項目13項中有9項涉及到安全指標，任何一項不達標，產品會被視為不合格產品。在現代空壓機生產制造中，任何一件合格產品都需要有規范、標準、作業指導書和測試報告。如果一味強調節能，忽視了質量和安全，賺的還不夠賠的。不出事還好，出事就是大事。