王 斌，武 丹

（陕西莱特迈思光电材料有限公司，陕西西安 710038）

0 引言

某产线压缩空气系统由1 台永磁变频螺杆空气压缩机、1 台1 m3储气罐、1 台冷冻式干燥机、1 台微热型吸附式干燥机组成，整套系统设备位于钢构厂房楼顶，有简易雨棚遮挡，系统设备参数见表1。压缩空气在产线端用于设备腔室吹扫，同时为各类气动阀提供动力，用气要求压力≥0.6 MPa，用气量500 L/min。压缩空气系统运行以来，为产线很好地提供了动力气源保障。但空压机一直存在着频繁启停的现象，在运行约11 000 h 后，空压机频繁无规律地出现“风机过载”报警，导致空压机停机，经多次进行维保、检修均未得到有效改善。

表1 压缩空气系统气源设备主要参数

对故障的彻底排查处理，异常现象已全部消除。通过对压缩空气系统设备架构的改造，明确现有设备的实际用气需求，提高了现有产线运行的可靠性与稳定性，为后续扩建产线提供了有力支撑，并在节能降耗方面取得了明显效果。

1 异常现象与分析

1.1 空压机频繁“风机过载”报警

“风机过载”报警异常现象在2 个月内共发生12 次，每次停机后复位故障，空压机又能正常启动运行。先后对该空压机进行了全面保养、彻底清理冷却器积尘，协同厂商检查测温装置、风机性能、控制电路等，异常现象均未消失。由于该异常的出现无规律可循，于是在现场以“蹲点”的方式捕捉异常出现时的设备状态，发现散热风机运行时，交流接触器偶然发生频繁吸合、断开的现象，进而发现风机过载报警现象恰好发生在接触器频繁吸合、断开的过程中，但并非每次出现接触器频繁吸合、断开现象都会发生“风机过载”报警。

接触器的每次吸合对于风机来说都是一次重新启动，启动电流远大于正常运行电流。当接触器频繁吸合、断开时，恰好在某一个时间点与散热风机电流互感器的监测频率重叠，控制器认为风机在运行中出现大电流，于是发出了“风机过载”的假报警。

接触器频繁吸合、断开现象有3 个可能原因：①接触器自身存在异常；②接触器线圈电压过低；③控制信号不稳定。针对上述可能原因进行逐一排除，重点检查控制器对接触器控制电路的参数及性能，二次电路变压器输出电压221 V 正常，各线路连接牢固。更换新的交流接触器后开机运行，故障现象未得到有效改善。

将接触器控制回路中串接的急停按钮触点进行跨接后，发现该异常现象得到改善，但半个月后又再次出现。而整个控制回路中的触点共有两组，一组是急停开关的常闭触点，另一组是控制器内的继电器触点。由此分析，接触器控制信号不稳定与空压机运行时的振动有很大关系，空压机运行中会产生的强烈振动，诱发其控制回路触点偶发性地出现颤动。空压机机身以焊接的形式安装在槽钢底座上，整套设备又位于钢构车间楼顶，所以运行时的振动比较强烈。

由于产线运行无法随时停机改造，结合散热风机启动运行时间仅十余秒，所以选用热过载继电器暂时替代电流互感器对风机进行保护，利用热过载继电器的电流时间特性避开了互感器监测的灵敏性，使空压机可以持续运行。

在后续的整套系统改造中，在空压机与底座之间加装了1 cm厚的橡胶减振垫，并恢复风机电流互感器监测线路。开机运行数月，再未出现风机过载的报警停机现象，至此，该异常原因已明了。

1.2 空压机启停频繁

经现场监测，该空压机1 个启停周期约5 min，其中加载运行时长约4 min20 s，停机时长约40 s，每小时启停频次达到12 次以上。经分析论证，此异常现象是系统硬件与实际用气量匹配不当造成的。

产线设备要求压缩空气压力≥0.6 MPa，压缩空气流量为500 L/min，折合成大气压（以0.1 MPa 为基准）状态流量约为3.0 m3/min。由于输气管线至车间入口长度约80 m，考虑压力损失，结合空压机参数性能，将压力下限设定为0.65 MPa，上限设定为0.77 MPa，空压机额定排气量为5.85～6.35 m3/min，为便于分析，此处按6 m3/min 计算。微热型吸附式干燥机再生用气量为空压机排气量的10%，约0.6 m3/min，故标定总用气量为3.6 m3/min，空压机额定排气量大于标定用气量约2.4 m3/min。现场配套的缓冲储气罐容积为1 m3，显然较小。综上所述，空压机排气量选用过大，在压力下限时空压机启动，但很快就突破了产用气平衡点达到压力上限，空压机进入待机状态。缓冲储气罐选用过小，加之管线过长，有效储气量仅能短时支撑产线用气，所以空压机待机后系统压力快速降至下限，空压机再次启动。如此循环往复，造成空压机频繁启停。

在后续的系统改造中，扩充了储气罐容量，使得空压机启停周期有效延长，再未出现频繁启停现象，空压机运行工况得到很大改善。

2 系统改造与评估

2.1 系统改造目标

在原有位置增设空压机房，改善现有空压机运行环境；新增1 台储气罐，改善当前空压机运行工况；新增1 台空压机，实现1用1 备交替使用，保障产线不间断供气，并为2 年内扩建1 条同规格产线预留用气需求。

2.2 系统改造方案

2.2.1 新增空压机

产线设备对压缩空气压力要求≥0.6 MPa，故新增空压机为1 台相同等级的低压永磁变频螺杆空压机。现有产线标定压缩空气需求量为3.0 m3/min，压缩空气净化再生用气量为0.6 m3/min，考虑2 年内产线扩大一倍及保留10%排气裕量，故从空压机排气量上选用一台排气量≥7.26 m3/min 的空压机。现有永磁变频螺杆空压机调频范围为80～150 Hz，供气量及压力满足需求，但排气量起点高、压力波动较大，同时有启动噪声及振动大的现象，所以选用了频率控制下限更低、调频范围更宽的空压机。

随着企业规模不断发展，产线规模逐步扩大，明确单产线实际用气量与设备标定用气量差异很有必要，故从综合控制上选用空压机应具备数据分析功能，空压机能在运行中对负载率、产气量等参数进行统计分析。

综上，选定某品牌37 kW 永磁变频螺杆空压机，额定排气压力范围0.40～1.3 MPa，额定排气量范围1.49～7.89 m3/min，控制频率范围28～130 Hz，控制器具有运行参数统计功能。

2.2.2 新增储气罐

为改善原有空压机频繁启停的异常现象，重新进行储气罐容积选型。原空压机一个启停周期待机时长为40 s，改善目标为待机时长≥2 min，按照以下公式进行计算：

式中,V 为储气罐容积，P 为本地大气压常压，K 为压缩空气实际消耗量3.6 m3/min，T 为储气罐有效供气时长2 min，P2为空压机排气压力上限0.77 MPa，P1为空压机排气压力下限0.65 MPa，由此可计算得出系统需储气罐总容量为5.8 m3，由于原系统已有1 m3缓冲储气罐，故新增储气罐容量选择5 m3。

针对现有系统布局进行确定新增储气罐安装位置及材料选型，由于现有系统管线较长，且气源设备位于钢构厂房楼顶，考虑供气压力稳定性与设施安全性，将新增储气罐安装于靠近产线端的地面位置，用于存储净化后的成品压缩空气，并起到一定的缓冲作用。因此，常规的碳钢材料储气罐显然不符合该方案的要求，本文选用不锈钢（06Cr19Ni10）材料储气罐，罐体配套有压力表、安全阀、排污阀，储气罐出口管道配套精密管道过滤器，罐体安装于预制混凝土基座上。

综上，新增储气罐选型为I 类5 m3，设计压力0.84 MPa 的不锈钢储气罐。

2.2.3 机房配套

由于原系统设备位于钢构厂房楼顶，且原有压缩空气净化设备、电气配套线路、输气管路不做大的变动，所以决定空压机房以简易板房形式搭建。为便于后期维修保养作业，确保每台空压机四周距离墙面有效距离≥1 m，机房整体长宽高尺寸定为5.5 m×3.2 m×3.8 m。空压机房整体底座采用12#镀锌槽钢焊接，通过混凝土与楼面结合，并在机房整体底座上预制两台空压机安装基座，基座上安装1 cm 厚橡胶减振垫。机房主体架构采用60 mm 方钢搭建，墙体采用5 cm 厚隔热岩棉彩钢板铺设，有效减弱夏季夕晒与冬季严寒等极端天气对空压机运行产生的影响。机房中线对立墙面水平高度1 m 位置各设置600 mm×900 mm进风口1 个，进风口外侧安装百叶窗遮挡雨水进入室内，进风口内镶嵌工业防尘过滤无纺布，避免恶劣天气扬尘或柳絮飞虫等进入空压机空气过滤器内造成塞堵。空压机冷却器上方设置通径导热通道，高效排出空压机散热，通道口径尺寸与空压机散热器尺寸保持一致，垂直向上延伸1 m 后直角弯转向室外，室外通道口位置设置直插式风阀，室内导热通道外侧铺设保温隔热棉，避免对机房室温造成不必要温升。2 台空压机分别配置独立电源，并挂接计量电表用于能耗分析，机房排风通道侧配置独立排风扇1 台，以应对夏季极端高温天气。

压缩空气系统改造整体结构如图1 所示。

图1 压缩空气系统改造整体结构

2.3 系统改造效果评估

2.3.1 系统泄漏率测试

工程案例表明，压缩空气系统若存在一个1 mm 直径的沙眼，1 年泄漏的压缩空气成本约3000 元，且与供气压力成正比，因此不论是新系统还是改造后的系统，泄漏率测试很有必要。根据工程实践经验，中小型压缩空气系统泄漏率一般在5%～7%之间，此处泄漏率合格标准定为S≤5%。结合实际用气压力情况，泄漏率测试压力P1为0.77 MPa，压机排气压力设置为0.8 MPa，空压机停机后关闭产线端管路总闸，手动卸压至0.77 MPa，保压3 h。测试时间结束后，系统压力显示P2=0.75 MPa，可得：

故系统泄漏率合格。

2.3.2 原系统空压机运行测试

启动空压机后，待系统压力上升至0.65 MPa 时，逐步开启产线用气设备正常运行，整个系统运行稳定后，使用计时器记录空压机启停周期时长，一个启停周期内运行时长约15 min，待机时长约4 min，每小时启停频次降至3～4 次，且空压机运行时振动明显减弱，在长期运行中再未发现散热风机交流接触器频繁吸合断开的异常现象，该空压机运行工况得到极大改善。

2.3.3 新空压机运行测试

新空压机排气压力设定为0.67 MPa，整机运行平稳，主机加载率恒定在20%～40%之间，监测运行510 h 后数据，产气量共51 240 m3，由此计算出空压机实际排气量为1.67 m3/min，表明当前产线设备及空气净化设备再生用气实际总量为1.67 m3/min，远小于各用气设备标定的总用气量3.6 m3/min，同时也由此可得知原空压机改造后的待机时长较改善目标待机时长多出一倍的原因。所以在后续产线扩大1 倍的情况下，2 台空压机均能满足需求，且留有较大裕量，当前系统配套的空气净化设备处理量也完全满足需求，不需再做额外改造。

2.3.4 能耗指标评估

原有空压机在产线负载正常运行的情况下，改造前每小时平均电耗为16.8 kW·h，改造后统计500 h 运行电耗，每小时平均电耗为15.5 kW·h，每小时节能1.3 kW·h，效果并不理想，这主要由其自身性能决定了在减少启动次数的情况下能耗微降。新增空压机统计其运行500 h 运行电耗，每小时平均电耗为11.2 kW·h，相比原有系统每小时节电5.6 kW·h，相同工况下，按照全年运行350 d 计算，年节电量47 040 kW·h，按平均电价按照0.75 元/kW·h 计算，全年节约能耗成本35 280 元，节能效果明显。

3 结束语

在小型压缩空气系统的设备配套中，空压机及净化设备的技术参数与用气负载的需求参数是紧密结合的，如果选型不当，会直接造成设备的运行状态异常，并在长期的运行工作中不断出现机械或电气运行异常，引发供气不稳定与不可靠问题，同时还会造成大量能源的浪费，增加不必要的运行成本。随着空气压缩技术的不断发展，根据企业发展规划可以考虑建立集中式空压机站供气，空压机的选型可以考虑控制性能更加优良的机型，以避免由于短期用气需求的变化反复改造系统。