刘洋博，何兴灵，李晓翠，陈 艳

（红塔烟草（集团）有限责任公司昭通卷烟厂，云南 昭通 657000）

空压机作为卷烟厂重要设备之一，可为卷烟生产设备提供压缩空气，是卷烟生产的主要动力源之一，适用于卷烟机、制丝机、包装机等设备中，为上述设备的气动部件、工艺部件提供动力空气，是卷烟生产高效、可靠运行的重要保障。

在工业生产阶段，空压机系统的耗电量在国内总用电量中的占比达到9.41%，虽然压缩空气属于清洁能源，但如果空压机耗能严重，则同样会影响节能效果。对此，应采用多种评价方法，判断空压机系统运行效率是否满足要求，并对影响其运行效率的因素进行有效管控，及时发觉并消除设备故障，从而减少能耗，促进系统能效提升。

1 空压机系统的构成要素

1）空压机。在生产设备系统运行中需要用到空压机，将大气吸入到内部压缩部件中，通过增压方式产生大量高压空气，对空压机系统运行效率产生较大影响。根据运行原理的不同，可将空压机分为两种类型，即容积型空压机与动力型空压机。应用较为频繁的螺杆式空压机属于前者，技术原理为阴阳转子与星轮、配套机体构成的容积变化，产生吸气、压缩、排气的持续工作过程。在运行效率评价方面，以比功率为评价依据，如果该项指标较低，则说明系统能效水平较高[1]。

2）干燥机和过滤机。该系统的后处理部分主要由干燥机和过滤机构成，其作用在于剔除压缩空气内的水、油等污染物。根据运行原理不同，可将干燥机分成冷冻式干燥机、吸附式干燥机两种形式，在运行中会消耗一定量的压缩空气，冷冻式干燥机的消耗量为总处理量的12%~18%之间，吸附式干燥机的消耗量为总处理量的7%~10%之间，后者的消耗量低于前者，特别是在微热再生吸附式干燥机应用中，消耗量为最低，这是通过减少空压机非必要做功来实现的。

3）压缩空气管路。系统内各处压缩空气管路布置合理性以及连接点气密性，对系统运行效率具有直接影响，还与压缩空气是否浪费息息相关。如果压缩空气管路布局合理，且各处连接点密封牢靠，则会有效降低压缩空气的浪费量，促进系统运行效率提升；如果出现压缩空气泄漏情况，则会降低系统压力值，使企业被动提高空压机的排气压力，致使设备供气量与实际需求不相符。但是，部分企业对压缩空气泄漏问题的重视度不高，由此造成大量能源浪费。据调查，当供气压力为0.7 MPa时，直径为1 mm的泄气孔每年将会损失能源6 660 kWh，在无形中造成了资金浪费。

2 空压机运行效率的评价方法

1）机型配置合理性评价。在空压机系统配置中，机型选择对系统能效具有直接影响：合理的机型可帮助系统能效提高到最大；反之，则会影响系统能效发挥，无法达成预期压缩目标。在机型选择时，不但要优先选择比功率较低、节能性较强的空压机，还应确保额定产气量配置合理。在生产阶段，受多种因素影响，存在许多不确定性，容易使压缩空气需求量发生改变。例如，某企业共配置5台空压机，1号为变频型空压机，其他均为定频型空压机，各台空压机具体的比功率参数为：1号为79 m3·min-1；2号和3号均为60 m3·min-1；4号为50 m3·min-1；5号为30 m3·min-1。在此条件下，如果需求量位于20~40 m3·min-1范围内，则其中某台空压机的运行效率便会降低。因此，最好配置1台10 m3·min-1和2台15 m3·min-1的空气压缩设备，其中1台15 m3·min-1的空气压缩设备为变频型空压机，适用于多个供气范围。以螺杆空压机为例，变频器在永磁电动机作用下可起到强大的节能效果，与常规型号相比节能超过30%，适用于企业生产阶段多种工况下的压缩空气需求[2]。

2）运行效率的综合性评价。空压机系统的内部结构较为复杂，在运行效率评价中，不但要对核心设备单独分析评价，还要进行综合性评价。由于每个构件对系统能效产生的影响程度不同，因此可利用权重计算法进行综合测评，首先要明确评价内容与标准，其次为每项内容赋予相应的分值和权重，最后根据得分情况对系统运行能力进行正确判断，具体见表1。根据总分值情况进行综合性评价，如果总分值超过80分，则说明系统能效较高；如果总分值在60~80分之间，则说明系统能效一般；如果总分值低于60分，则说明系统能效较低。

3）系统管理评价。通过科学高效的管理，能够使空压机系统长期稳定、高效运行，对于大多数企业而言，空压机比功率较低、故障较少便可称为高能效，这种说法实则有些片面。在系统全生命周期运行中，初始投资费用仅为总费用的10%，后期的运行与维护投资费用占总费用的90%，这意味着系统运维管理效果才是系统能效的主要评价依据。在实际管理中，不但要定期养护，还要详细记录系统使用期间产生的耗电量、产气量、管网压力波动情况、泄露情况等，将其与空压机系统中的气电比进行对比分析，采用同比、环比等多种方式，探究空压机系统使用中能耗发生的改变，可及时掌握能耗异常情况，进而明确系统能效的影响因素与成因[3]。

4）系统运行可靠性评价。先在空压机上设置多个监测点，主要设置在电机、空压机主机上，将各点位的振动烈度与标准值进行对比，得出不同点位的线性可靠度，对于线性可靠度较低的区域，实施归一化小波信息熵处理，并与频谱相结合，与正常情况下同样点位进行对比，得到空压机的系统运行可靠性评价结果。本研究以振动速度信号有效值为特征，将线性可靠度与归一化小波信息熵算法相结合，判断系统运行效率是否退化。

一是设备状态监测。以某车间的螺杆式空压机为例，在设备状态监测期间，发现5号设备的振动较大，剩余设备均无异常。对5号空压机的振动状态进行现场监测，利用DH5901采集仪获取数据信息，并用MATLAB软件进行故障诊断，在单通道下进行采样，频率为2 560 Hz，数据长度为4 096，灵敏度为20 mV/G。在5号空压机上布置5个监测点，均采用Vibration技术进行振动烈度监测，其监测点的位置、方向、振动烈度见表2。根据表2可知，主机监测点的振动烈度相对较大。

表2 设备状态监测结果

二是线性可靠度。在现场监测后，得出5个监测点的振动烈度值，为了使该项指标拥有可靠度数值依据，根据国际标准ISO 2372《设备振动标准》，对振动烈度值进行分段处理，与[0，1]可靠度范围相对应，共分成4种类型，具体如下。第一类：功率低于15 kW，在常规情况下，可与整机相连的发动机。第二类：功率在15~75 kW范围内，带有专用尺寸的发动机与中等尺寸机器。第三类：功率超过300 kW，采用刚性连接的大型原动机。第四类：功率超过300 kW，采用柔性连接的大型原动机。

在监测点线性可靠度指标R（x）的分析中，如果该指标超过0.9，则意味着振动状况良好；如果该指标在0.7~0.9之间，则意味着振动良好；如果该指标在0.5~0.7之间，则意味着振动中等，但有劣化的概率，应该密切监测；如果该指标低于0.5，则意味着设备正处于故障状态，且情况危急，随时有失效的危险，需要立即停机整修。在系统运行可靠性评价中，线性可靠度指标R（x）的计算公式为

式中：x为不同监测点的振动烈度值；x1为第一类设备的烈度值；x2为第二类设备的烈度值；x3为第三类设备的烈度值；x4为第四类设备的烈度值。评价对象的铭牌中标记，额定功率为300 kW，属于第三类设备，将其数值代入式（1）中，可对各监测点的线性可靠度指标R（x）进行计算，见表3。发现主机内部存在明显积炭情况，但阴阳转子未有明显的磨损，初步判断是过滤器受损所致。在内腔清理干净后，整体运行噪音明显降低，相同监测点的振动值也有所改善。在检修后，对3号监测点信号进行小波包3层分解，获取8个频带相对能量分布情况；与检修前相比，发现相对能量汇集到第一个频带上，意味着空压机系统此时运行状态较为单一，见表4。经过检修后的信息熵值、可靠度均接近标准值，意味着空压机系统此时运行状态良好。

表3 评价对象各监测点线性可靠度

表4 检修前后3号监测点指标对比

根据表3内容可知，该空压机中电机位置没有明显的异常，但主机监测点显示设备运行情况为“中等，具有恶化可能，应及时寻找振动过高的原因”，值得强调的是，本研究根据国际标准ISO 2372《设备振动标准》进行线性可靠度评价，不同振动等级的点位区间属于线性函数，适用于烈度值在0~1之间的可靠度评价，且为定量评价。要想获得更为准确的可靠度，则需要利用归一化小波信息熵，并与频谱分析相结合，对空压机振动过大的成因进行深入剖析[4]。

三是归一化小波信息熵与可靠度。指标公式为

3 结束语

综上所述，在空压机系统运行期间，为了避免造成不必要的能源资源浪费，除了优先选择比功率较低的机组之外，还应注重各组成部分对系统整体能效产生的影响。对此，应开展机型选择、系统管理、系统运行可靠性等一系列评价工作，明确评价内容、标准与权重分配，并根据得分情况，使系统能效得到客观准确的评价，取得理想的应用效果。

式中：S为归一化小波信息熵；Eli为相对能量。在频带中相对能量均一致的情况下，S取值为1；如果频带能量相对集中，则意味着某一监测点的振动状态单一，此时S取值为0。在被测对象处于故障状态时，频带内相对能量处于分散状态，S取值接近于1，则该设备的可靠度接近于0，意味着系统运行可靠性较低。由技术人员将故障设备拆机后，