调查显示，提高压缩空气系统效率，可以在很大程度上帮助企业降低能耗。达到这个目标的关键是优化系统的维护保养流程和各组件的效率。本文旨在帮助所有压缩空气用户在压缩空气系统之外获得更多的价值。

能源浪费的代价

英格索兰在全球完成的数千个压缩空气评估揭示出：压缩空气装置比实际所需耗费更多的电。由于设备和操作程序的效率低下不时造成浪费。只不过这种浪费常常被忽视。无论何种原因，由于浪费所产生的成本都非常惊人，从下面的例子我们可以看出：在标准7kg/平方厘米系统中一个直径3.2mm的微小的孔，其泄漏速度大致是12L/s。以0.65元每度电费计算， 这个小洞一年能浪费大于2400元的电费。更为严重的问题是大部分的系统有多处这样的泄漏点。

设计一个良好的空气系统通常由以下几方面组成：

●确定系统对压缩空气的需求；

●写出详细系统说明；

●准备系统设计布局；

●确定压缩空气的管道系统；

●决定空压机类型和尺寸；

●选择空压机驱动形式；

●选择空压机和驱动装置的控制方式；

●选择压缩空气的干燥机；

●整合各项节能要素。

不仅在设计新的压缩空气系统时我们必需遵循这些步骤， 在对现有的压缩空气系统添加设备或系统改造时也应参考这些步骤。

系统布局

要实现工厂效率最大化和节能的目的，系统布局十分重要。如下因素必须考虑：

●必要的系统规模；

●空压机的位置；

●用气点的位置；

●管道系统的布置。

系统分配压力并非都必须设置为常用的7kg/平方厘米 ，而应该更多的根据系统中多数用气设备的实际压力需求来确定。这个压力需求应考虑到用气点空气处理装置如过滤器、润滑器等引起的压降。用气点过滤器压降可用于评价过滤芯的堵塞状态，即是否需要更换滤芯。应事先确定用气点空气处理装置的选型、尺寸、安装和维修准则，且应注意到合理的用气点总压降必须控制在0.5kg/平方厘米以内。如果系统中的某些用气点需要比其他大多数用气点更高的压力（通常用气量并不大），可以使用一个单独的高压系统或者本地增压机来满足这种小气量或者间歇性的需求。

空压站位置的选择应满足如下要求：最远端的用气点尽量靠近气源，且气源尽量靠近大气量用气点。更为重要的是，空压机必须靠近有效的冷却源以带走压缩机产生的压缩热，许多压缩空气系统的问题最终被确认为冷却不良所引起的。应合理设计管网系统走向以及设备分布，以使得系统中使用的阀门和其他附件数量最少。
当工厂需要扩大规模时，往往发现当下的空压机容量太小，或者原有的场地太小不足以增加新的压缩机，此时常会用到环状系统或者网格状系统。这种系统分布显示初始规划不良的迹象，并且对系统的有效运作是一种挑战。

系统规格

系统规格是对系统中压缩空气的流量、压力、温度和空气品质等指标的定义。对于不同的工作点或者工艺流程，其中每个单独的用气装置可能需要根据其操作和运行要求加以区分。在某些工艺流程中，例如对于喷漆工艺，就可能需要在工厂公用压缩空气系统之外，再额外提供专用的过滤和干燥装置。在大多数的供气系统中，往往给每个用气点都会提供一条单独的供气管线。分支管线和辅助总管的容量取决于在最极端状态下（温度最高且压力最低），下游所有用气点出现的并发需求。推荐压降极限值：各供气管线压降不超过0.07kg/平方厘米，而过滤器、润滑器压降不大于0.07kg/平方厘米。同样，系统内所有用气装置流量需求的总和也决定了总管和垂直管的容量。在这种情况下，考虑到用气设备的负载周期和工作系数的影响可适当调低空气系统容量；同时考虑到今后2~5年内用气量的增长，又必须适当调高系统容量。负载周期是每台设备使用时间的百分比，工作系数是相对于全负载流量的实际使用流量百分比。总管压降推荐极限是0.07kg/平方厘米，垂直管的压降可被忽略。一个常见的，同时又是代价昂贵的错误是，由于缺乏资料，或者不能对“未来的需求”做出准确预测，而拼凑出总需求量数据。这将导致设计出的系统是一个需扩展的系统，而不是对目前实际需求的适当扩容。

对于大多数工厂空气系统而言，除去压缩空气中的游离液态物，诸如水和油，是必须的。由于空气中的绝对含水量会随着温度降低以指数关系减少，因此可以通过降低压缩空气的压力露点至冰点（接近3℃）来获得几乎完全干燥的压缩空气。通过正确的应用和配置冷冻干燥系统，可以非常有效和经济的实现这一目的。在空气后处理系统的选择上，要考虑到其可能造成的最大压力损失。考虑到过滤器的“脏堵”，后处理系统造成的整体压力损失应限制在0.07kg/平方厘米以内。任何有特殊空气品质需求的用气点，应分开个别处理。当系统中有相当数量的用气点（如气动工具）需要比系统其余部分品质高的压缩空气时，那么单独的高品质压缩空气配送体系则是必要的。

在设计一个压缩空气系统时，一个必须考虑的内容是，必须提供合适的压缩空气存储能力。压缩空气作为能源使用的基本概念是，空气能以压缩状态储存，然后在用气点通过压缩空气的膨胀释放能量。这意味着，没有一个系统能在不具备压缩空气存储容量条件下，发挥应有的功能。我们可以将压缩空气管线系统作为最基本的存储空间，但是依靠存储在管线中的压缩空气显然是不足的，因此，增加储气罐是必要的。

对于给定容量的储气罐而言，其有效存储与储气罐的容积以及由于排气造成的可接受压差成正比：可接受的压差越大，则有效存储空间越大。反过来说，如果压力需要控制在较窄的压力带内，那么存储某一容量的有效压缩空气就需要一个更大的储气罐。

压缩空气系统分配压力需要维持在一个较窄的压力带内。一般来说，供气侧供气压力应略高于用气侧的需求压力，并使用合适的控制装置来控制需求压力。通过较大的压差带操控储气罐将在储气罐尺寸确定的前提下提供更多的有效存储，合理的设计储气罐容量将有效的平衡需求波动。

由于储气罐的唯一功能是存储压缩空气，且有可能通过一根管路直接连接到用气点，因此储气罐应始终置于清洁空气系统的干侧（即置于干燥机之后），这使得储气罐的定位具有更多的灵活性。

某些系统也可能会有“湿侧”（干燥机之前）储气罐的需求，比如往复式压缩机就需要直接连接储气罐以降低对后端设备的压力脉动影响，这往往是由压缩机制造商提供的小容量储气罐。在缺乏合适的压力脉动消除器时，储气罐应可尽可能地接近往复式压缩机。其他的储气罐配置包括供应整个系统的通用储气罐，以及供应特殊用气点的专用储气罐 。

压缩机规格包含如下信息：

●流量应区分系统的最小流量需求以及最大系统需求。最小流量需求，通常会发生在用餐、工间休息、夜班和周末这样的时间。

●压力应包括管线和用气点设备的压力损失，以及供气的非线性控制区域。

●水和油的规格应包括压缩空气的含水量，压缩空气中液滴微粒大小，单位体积中含油量的微克数。显然，对压缩空气的品质指标要求越多需要的成本也就越高，因此没有必要提出不必要的指标。

●入口空气的详细状况对于完整的定义压缩机同样是必须的。

压缩机的选择，应以提供有效率的压缩空气为目标；最终压缩机房位置、组态和维护系统的确定，应为未来的潜在增长提供扩展的可能。

系统分布

适当的尺寸和系统布局在系统设计方面往往被忽视，虽然从某方面说它是其中最重要的部分。良好的设计将在系统运行的整个生命周期内通过降低能耗带来显著的效益。很显然，当工厂现有的压缩空气系统不能给每个用气点提供足够的压力时，工厂就需要增加新的压缩机。但是经验又表明，较细的管路会造成较高的压力损失，如果用较粗的管路来取代原有的细管路，效果就如同减少系统泄漏，其结果不仅不再需要增加额外的压缩机，而且还可能局部卸载现有的压缩能力。
管路系统设计应遵循下列准则：

●排气管应为压缩机排气接口直径的1.5倍，并直接连接到后冷却器 。

●垂直管、总管和分支管道设计时应留出足够的余量以应对未来2~5年的预计增长。

●垂直管尺寸应该大于总管和压缩机排气管。它必须带有一段疏水排水管，以防止冷凝水回流至压缩机。

●总管以倾斜角度为10mm/M从垂直管朝下连接，以方便凝结水流动和排出。

●系统设计压降应小于压缩机排气压力的10％。

●建议采用环状系统，因为它提供了双向气流供给最大的用气点。

●采用低阻力流动装置和阀门。

●辅助总管、分支线路和直连管路的位置，应尽可能靠近用气点。

●应从总管和支线的上方开新的出口，以减少压缩空气中的水分。

●在垂线的垂直拐角安装排水设置。

●使用快速接头、管线太长或管径太小、尺寸不合适的过滤器将显著增加系统压力损失。

●采用其他减少系统泄漏的措施。例如，采用电子阀隔离季节性/间歇性用气点。用气点电源关闭时，该阀也将自动关闭，从而将该用气点与空气系统其他部分隔离。

●焊接接头比丝扣接头泄漏更少，且产生的管网阻力也小。

压缩空气系统设备

压缩空气系统设备包括除主机、杂质滤除设备、空气预处理设备，以及其他必要的辅助部分，它应包含如下部分：

进气过滤器

即便是最洁净的空气中仍然会有尘埃，过滤器的基本功能是除去进入压缩机空气中的3μm以上固体颗粒。

后冷却器

为了经济便捷的除去压缩空气中的水分，通常建议系统配备后冷却器，包括水冷或者风冷式。由于冷却器有较大的压降，尺寸大的冷却器较为节能。

分离器

随同后冷却器配备，与排污阀连通以排放冷凝水。

过滤器

过滤器用于除去压缩空气中的油、水以及固体颗粒等，以保护下游的设备。过滤器尺寸应根据用气点所需气量和压力来选用，而不是依照入口管径。一般来说过滤器有三种：标准机械式、聚合式和吸附式。机械式过滤器通常配合后冷却器、水分离器以及储气罐使用，能为大多数制造业所需的空气系统有效除去固体颗粒以及汽雾成分。聚合式过滤器能在使用有油压缩机的场合提供无油压缩空气；基于用气点的过滤器可为某些单个的用气点提供无油压缩空气，而不必对整个空气系统进行过滤；吸附式过滤器专门用于保护再生式干燥机。

干燥机

常见有三种干燥机：再生式、潮解式和冷冻式。为了避免湿气冷凝在管网系统中，压缩空气中的绝对含水量必须降到非常低的水平。最经济的方法是将压缩空气降温到冰点从而除去冷凝液态水，但是之后压缩空气又必须加热到环境温度。一台设计优良的冷干机能自动/高效的完成这一任务。在要求含水量特别低的场合，需要使用吸附再生式干燥机。潮解式干燥机不适用于一般的工业场合。选用干燥机时应多方兼顾成本、压力露点、压降以及维护需求等，很重要的一点是满足系统需求，不要超容，更不宜容量不够。

储气罐

储气罐的容量必须足以平衡系统需求的波动。对于一个小型空气系统而言，储气罐可以用于平抑活塞机排气压力脉动，也可以通过柔化机组启停周期来减少压缩机组的启动能耗。

调节器和润滑器

调节器和润滑器与用气点过滤器结合使用，可为某些气动工具或者润滑装置提供特别的压缩空气。任何用气点的额定操作压力若低于系统压力，则需要使用压力调节器将压力调整至实际需要的压力值，调节器的选择依据是用气点需要的最小压差。用气点设备的尺寸必须满足工作周期内最大流量的需求，例如，如果工作气缸每分钟有两次两秒钟的工作周期，且工作用气量为20L/s，那么其标称用气需求为40L/s；但是其最大用气量可达600L/s，选择的供气管道以及其他装置，包括尺寸，都必须满足这个流量的需求。

水分离器和排水阀

这两个部件用于收集并排放污染物，对系统正常运作非常关键。可通过手动阀、自动排污阀、或者电动阀排除冷凝水。手动排污简单有效，但是冷凝水量较大时效率不佳。手动阀有时是主要的泄漏点。

当需要连续排放冷凝水时，自动排污阀是不错的选择。只要保持自动排污阀清洁，它能及时排放油污或水分，且压缩空气损失最小。但是这种阀的节流孔不十分可靠，一旦出现机械堵塞，会导致阀要么常开，造成泄漏；要么常闭，使得系统中冷凝水堆积。

电动排污阀带自动顺序控制功能，成为冷凝水排放领域受欢迎的技术。该阀通过消耗压缩空气开启排污并自动关闭。这种阀的瞬时气量消耗较大，会导致局部压力下降；若阀安装位置靠近控制系统的话，有可能使得压缩机误启动并阻止压缩机卸载。

新型的无损气动阀PNLD是专为节能设计的工业冷凝液管理设备，用于排空冷凝液而不浪费压缩空气。它无需电能、可预先设定和并可手动干预。易于安装，不会堵塞。适用于空气系统中所有需要进行冷凝液排放的设备，诸如压缩机、管道、干燥机、过滤器、储气罐等。

仪表

安装在关键位置的压力表和温度表能迅速指出系统可能存在的问题，并给出系统维护需要的信号。温度表一般会安装在后冷却器和干燥机排气口，此外温度表也用于监控冷却水入口和排放温度。压力表存在于管路系统中以监控压降，不同的压力表监控不同的设备，并在压降超出预设限制时提供远程报警。

润滑

润滑对于压缩机系统的重要性不言而喻，但其在高效运行方面的潜力往往易被忽视。高性能离心式压缩机润滑油能保持较好的静态粘度和其他重要的性能特性, 而且享有较低的动态粘度值。较低的动态粘度值可以使轴承产生较少的摩擦功率损耗, 并且可以改进压缩腔中各运行部件的冷却效果。根据英格索兰的测试数据，使用高性能润滑油金技油III的离心式压缩机机，其摩擦力可以减少10%左右。

进气导向阀IGV

在某些要求精确控制流量的离心式压缩机应用场合，常使用进气导向阀（IGV）取代常见的进气蝶形阀。IGV导向叶片的每一个角度都能产生一条惟一的性能曲线，特征曲线的形状随着进气导向叶片中叶片角度的变化而变化。利用进气导向叶片产生的预旋，使得气流方向在进入叶轮前由轴向流动转为径向流动，从而减少了压缩机叶轮做功量，提高了整个压缩机的效率。

压缩机尺寸和类型

开发空气系统不仅仅选用最小系统来满足需求，还需要考虑系统非计划停车以及非计划检修期间的需求。所以可靠的压缩机容量是必须考虑的事项。

可靠的系统容量必须等于所有大机组的总和。管理多台小机组组合成的系统比管理一台大机组要容易的多。多台小机组有更多的运行组合：当运用多机组顺序控制系统时，多机组能适用于多种不同负荷需求。这种控制方式可根据需求，运行所需最少的压缩机，从而有效节能。某台机器处于微调状态以适应小的需求变化，其他机器处在满载状态来应对大的系统需求变化。

图1 英格索兰Nirnana是全球第一台真正意义上的变频调速无油空气压缩机。它不仅能提供绝对无油的压缩空气，而且能够将系统的运行费用降到最低。

压缩机类型

压缩机主要分为两类：

●正位移压缩机：单行程往复机、双行程往复机、螺杆式、螺头式。

●动压机：离心式、轴流式。

正位移压缩机包含无油机和有油机，离心式是无油压缩机。

值得注意的是仅仅以类型为基础来比较压缩机会造成一些误解，因为压缩机为适应不同的需求会在卸载/部分加载的条件下运行，其性能很大程度上取决于机器的控制方式。

此外，在选择压缩机时仅仅考虑机器的效率是不合适的，更重要的是从满足整个系统效率的角度来考虑。需要收集关于当前以及将来成本的完整而准确信息，包括初始购置费用、工程、安装、运行、维护、能耗、冷却水等各个方面成本。价值分析有助于得出不同种类压缩机的成本，用于做出现实的购机决策。
压缩机驱动装置

交流电动机是最常见的驱动装置，且90％的工业运用都使用交流感应电机。高效能电机，即便价格较高，从长期运行的角度来说也是非常经济的。

控制系统选择

由于压缩机容量往往与系统最大需求匹配，必须选用合适的控制系统来降低压缩机输出以适应较小的需求。通过监控系统压力，控制设备能够在系统需求下降导致系统压力上升到设定点时降低压缩机的输出；反过来，当系统需求上升导致系统压力下降到设定点时，压缩机输出流量会有所增加，这两个设定点之间的范围就是控制带。一般来说，每台压缩机都有其专用的控制系统，以下介绍一些常见的控制方式。

启/停控制和加/卸载控制

启/停只是根据系统压力的变化简单的启动关闭电动机。但是，反复的启停会导致电机过热，且这种模式不能用于系统压力变化频繁的系统。反过来说，电机和压缩机可以连续运转且让压缩机处于卸载状态，即不向空气系统输送压缩空气。对于螺杆压缩机而言，这一般意味着关闭进气阀。由于压缩机仍需产生与系统匹配的压力，机器仍将消耗满载时50%~70%的能量，即便此时没有产出压缩空气。为了克服这种低效率状态，许多压缩机生产厂商降低了压缩机的排放压力，卸载时直接排放到大气。对于有油螺杆机，排气段的油槽就用于连通大气。有些控制需要一定量的残留压力用于控制，此时需要的能量是满载的15%~40%。

节流控制

螺杆式压缩机一般使用这种控制模式，最常见的模式类似于加卸载控制，使用进口节流阀控制进气。在这种状态下，不是简单的开、关阀门，而是根据系统压力调整阀门的开度位置。随着阀门逐渐关闭，将形成局部真空，从而增加压缩比，并增加压缩机的能耗。

阀门持续关闭以升高系统压力，当压缩机输出达到满载的50%~70%时，其能耗为满载的70%~85%。如果系统压力持续升高到某个预定值，阀门将关到最小开度，此时压缩机事实上是没有输出的。类似加卸载控制模式，此时机器（卸载状态）仍将消耗满载时50%~70%的能量，除非排气端直通大气。

某些螺杆机通过将部分螺杆连通大气来减少输出。节流范围降低到40%在理论上是可以接受的，其能耗是满载时的60%。对于40%以下的节流，压缩机基本没有输出，能耗约是满载时的20%。事实上，这两种不同的控制系统，很难调和。

离心式压缩机，会在系统需求降低导致系统压力上升时降低输出，以维持基本稳定的效率。离心机能通过进气节流维持稳定的输出压力，蝶阀、导向阀均适用。遗憾的是，这种调节只在一定范围内（进气阀节流范围45%~100%）有效，一般是额定输出的70%~80%。如果系统需求降低到最小节流点以下，就需要开启旁通阀来产生一个人造的需求，其结果是导致机器效率迅速下降。离心机卸载状态时，能耗是满载时的15%~20%。英格索兰的高性能压缩机控制器CMC，以及基于CMC控制器的控制产品Ambient Control控制逻辑，能有效的增加离心机在最小负载状态下的节流范围。案例显示，使用Ambient Control控制的离心式压缩机，其进气阀节流范围能从原有的45%~100%扩展为35%~100%，从而大大减少了最小负载状态下旁通阀的开启时间，达到节能的目的。

图2 英格索兰是第一家通过离心式空气压缩机ISO零等级认证的企业。

多机组联控

单台控制器的控制范围是20~170kPa，多级组的压力范围会更宽。多机组压缩机系统的最大问题是协调每个单独的控制器来实现整个系统的效率，这需要更负责的控制系统。理想状态是，只有一台机器满载，其他部分负载。这样有助于实现最佳系统效率。

系统维护

良好的维护对压缩空气系统的正常运作以及节能具有积极的作用。相对其他工业系统而言，压缩空气系统对于维护系统的敏感程度更高。常常可以听到这样的说法，“压力太低，是时候去买一台新压缩机了”。但是实际情况可能是：

●用气点附件的过滤器堵塞；

●管路太长或者直径太小；

●存在间歇性大气量用气点或者泄漏，增加一个专用的储气罐是不错的选择。

这种情况下，仅仅增加压缩机不是最有效的解决方法。 很主要的一点是在空气系统建立之初，对各种变化还很敏感的时候就设定压力、温度，以及泄漏的基准。

空气系统中所有的设备都需要根据生产商的手册和建议进行维护。事实上，许多维护要求都与节能密切相关。

泄漏控制

压缩空气泄漏是明显的能量损失。当泄漏的严重程度迫使工厂启动更多的压缩机时，就必须采取切实的步骤来优化系统能量需求。但是对于运行在最小负荷状态下的离心式压缩机，由于旁通阀处在开启状态，减少泄漏仅仅意味着旁通损失的减少，节能效果并不明显。由于大多数的压缩机运行在非满载的状态下，所以节能与泄漏之间的关系非常复杂。首要的原则是，在各种负荷水平下系统的效率优先于泄漏控制。最有效的泄漏管理措施是建立基准：采用质量流量计或者监控压缩机的运作，来测量常规下以及低需求条件下的气量需求。

当系统需求量明显上升而相应的工厂产能没有明显提高时，这表明系统存在无法忽略的泄漏，此时有必要立即采取措施修补泄漏。采用超声波测漏仪有助于发现泄漏点，修补后的系统能使得系统需求降低到基准之下。

结语

大多数压缩空气系统都存在许多机会来实现节能，可以采取的措施包括高效运作，简化维护流程（发现并修补泄漏），低成本的改进（增加储气罐），以及其他主要措施（移动压缩机或者重新设计管路系统分布。）通过实施本文提及的改进方案，大多数客户能显著降低压缩空气系统的电能消耗。