浅谈机械制造企业压缩空气系统设计

浅谈机械制造企业压缩空气系统设计
摘要：通过对机械制造企业用气特点及压缩空气设备性能分析，设计机械制造企业的压缩空气系统。

关键词：压缩空气系统机械制造企业
工业企业生产过程中都使用压缩空气做为载能工质，生产和净化压缩空气的用电占企业生产用电量的10~20%左右，在企业规划设计时，做好压缩空气系统的规划设计，能有效降低公司能耗，减少生产成本，本文主要从空压机站房、设备选型、压缩空气管网等方面论述机械制造企业的压缩空气系统设计。

压缩空气在机械制造企业的主要用途是板材切割、设备控制、装配、喷涂、喷砂、吹扫等场合。

在生产过程压缩空气需求主要有以几个特点：①、压力从0.3MPa~1.5MPa都有设备使用，但主要集中在0.5MPa~0.65MPa范围内，只有切割机等小部分设备用气压力大于0.7MPa，铁屑及粉尘吹扫压力小于0.4MPa。

②、各零部件加工时间差异，生产过程中用气量波动大。

③、设备控制、装配等大部分设备、工艺用气含水量要求都低于4级（≦3℃），只有喷涂、试验及测量设备等少部分用气含水量要求在3级（≦-20℃）。

一、空压站设计
1.1空压站选址
目前输送压缩空气的管道主要有不锈钢、碳钢管、聚乙烯管道等。

因为受材质、制造工艺及使用过程中腐蚀影响，压缩空气管道存在一定的粗糙度，在输送压缩空气过程中，会产生压降，消耗能源，管道压降及能耗可用以下计算公式确定。

压降计算公式：△P压力=1.15（ρν2/2（103λL/d+∑Ꜫ))+10ρ，单位：pa
Ρ--压缩空气密度；ν压缩空气流速；λ摩擦阻力系数；d管道内径；L管道长度；∑Ꜫ局部阻力系数总和
管道压降产生能耗计算公式：∆P能耗=Ꜫ*（△P压降)/(p压力)*60：单位（kWh）
例：一台空压机比功率为6kw/(m3/min)，末端需求压力为0.7MPa，当使用DN100管径的碳钢管输送压缩空气时，求输送每立方米气体增加的每米能耗。

解：
1、根据压降公式计算每米管道的压降：△P压力=1.15（ρν2/2
（103λL/d+∑Ꜫ))+10ρ(h2-h1)=1.15(1.28*10*10/2（1000*0.0352*1/100））=157pa。

2、因压降增加的空压机能耗：∆P能耗=Ꜫ*（△P压降)/(p压力)*60=60*6*（157/（0.7*1000000））=807.4*10-4（kWh)。

根据以上计算可知，在需求0.7MPa时，管道每增加1米，每输送1立方米压缩空气就多耗807.4*10-4度电，所以在空压站选址时，选择在用气负荷中心建设空压站，可以有效降低系统能耗。

1.2空压站通风及冷却排风设计
空压机的额定排气量（铭牌流量）是每指在1 个大气压、20℃下，湿度为0状态下空压机吸入的自由空气量。

从表1（压力/温度与空压对照表）可知，当环境温度升高时，空气密度变小，环境压力升高时，空气密度变大；只有降低空压站温度的同时提高空压站内空气的压力，空压机才能保持良好的运行效率。

表1 压力/温度与空气密度对照
表 (kg/m 3)
因空压机运行消耗大量的空气，不具备使用空调设备降低环境温度的条件，
也不具备空气加压的条件，只有进行合理的通风和冷却排风设计，才能降低空压
站温度，提高站房空气压力。

空压机冷却排风设计：根据经验，空压机在压缩过程时有15%左右的功率产
生的能量转换为热量，在设计时应此部分热量强制排出空压站，以降低空压站内
环境温度，最有效的办法是在空压机上设计排风管，把热空气排出空压站，在条
件允许时，空压站进风口与排风口应设计在站房的对向，避免出现空气短路现象。

空压站通风口设计：空压机生产气体和向室外排放冷却空气时，要抽走空压机内的空气，造成空压站负压，只有在站房设计足够面积的通风口来补充空气，消除空压站负压的风险。

空压站的通风口面积可以用公式S=Qv/v（Q V:空压机热流量；V（空压站自然通风流速）=2m/s）估算，其中当Qv=k*kW(空压机轴功率）/∆t（空压站最大允许温升）,k的取值（风冷空压机=0.92；水冷空压机=0.1）
例：求安装一台160kW空压机，空压站温升不超过环境温度10℃时的空压站通风口面积。

解：通风口面积：风冷空压机：S=0.92*160/10/2=7.36(m2)；水冷空压机
=0.1*160/10/2=0.8(m2)
二、空压机及干燥机选型
2.1压缩空气设备选型原则
压缩空气的生产和水份处理是由空压机及干燥机，合理选择空压机类型组合和干燥机，在满足压缩空气质量的前提下降低系统能耗。

2.2空气压缩机的类型及工作原理
空气压缩机(以下简称空压机)是一种用来产生压缩空气的气源设备，是将机械能转化为气体压力能的装置，现在在各领域应用最为广泛的有活塞式空压机、螺杆式空压机和离心式空压机。

1、活塞式空压机。

活塞式空压机是容积式空压机的一种，利用曲柄连杆机构驱动活塞在气缸内往复运动，使空气压缩而排出，设置在空压机的进排气阀控制压缩空气的压力，本身机体会自带一个储气罐用来储存压缩空气，以保证供气能够持续稳定。

因容易实现高压的压缩空气和生产无油的压缩空气，常用于生产高压压缩空气的场合（如轮船)和特殊行业（如饮食和制药等）
2、螺杆式空压机。

螺杆式空压机也属于容积式空压机的一种，利用相互啮合的阴阳螺杆机构旋转时产生的齿问容积变化，完成吸气和气体压缩并排气的过
程，由于其本身供气持续稳定，机体不配备储气罐。

因具有性能稳定，且可采用变频调节气量等优势，制造企业都在采用螺杆空压机替代活塞式空压机。

3、离心式空压机。

离心式空压机是动力式(速度型)空压机的一种，转子(叶轮和轴)和定子(主体为机壳)是该类型空压机的重要组成部分，利用高速旋转的叶轮来带动气体旋转，从而产生离心力，并通过扩压的作用，连续产生的气体会得到一定的流速和压力。

主要用于生产中压以下的压缩空气场合，目前常用的离心空压机流量都在60m3/min以上。

2.3空气压缩机优缺点分析
活塞式空压机、螺杆压缩机、离心式空压机三种空压机因结构和工作原理不同，在性能及可靠上存在差异，各有优势，详细分析见表2所示。

表2 活塞/螺杆/离心空压机供气范围及优缺点
2.4空压机选型
根据空压机工作原理、优缺点对比结果及用气质量要求，机械制造企业宜选用离心空压机和螺杆空压机做为气源设备，同时通过合理的组合，降低空压机空载损耗，实现空压机低耗运行，结合各公司对压缩空气用量、站房管理模式等情况，空压机选型可按表3中的用气及站房管理模式选择对应方案。

表3：空压机选型方案
2.5干燥机选型
压缩空气水分处理设备主要有冷冻式干燥机和咐附式干燥机两种类型，两种类型干燥机的工作原理、运行成本等参数详见表4
表4：干燥机工作原理、运行成本等参数汇总（以30立方干燥机为例）
根据机械制造企业使用的压缩空气含水量要求及两类干燥机耗能对比，冷冻式干燥机能满足80%以上的设施含水量要求，所以空压站的干燥机宜选择冷冻式干燥机，在对含水量有特殊需求的测量、实验及喷涂前增设吸附式干燥机满足特殊区域的含水量要求。

三、管网系统设计
3.1供气管道选型设计
因管道材料都有一定的摩擦阻力，压缩空气从空压站输送到用气设备时有压力损失，所以在管道设计时考虑要系统考虑管道直径、管道的布局及系统的稳压等因素，根据《压缩空气站设计手册》要求，从站房出口到用气端的压降＜
0.05MPa，管道压降可按公式：
计算，部分用于压缩空气的碳钢管管径单位压降见表5。

表5：压缩空气管道（R=0.2mm）单位压降对照表单位：（pa/m）
管道直规格径选型：根据管道压降计算公式和表5对照数据，在流速和压力一定时，管径越大，压缩空气输送过程压降越小，但管径太大，会影响压缩空气系统的综合运行成本，需要合理设计压缩空气管道直径，即能保证合理有压降，
同时也降低综合运行成本。

压缩空气管道直径的选型可以按照公式：计算确定：其中Q=工作状态下的压缩空气流量（m3/h）；V=压缩空气在工作状态下的流速（m/s)。

央结构及制造原因，阀门及弯头等管道的压降比同等长度直管道的压降大，部分管件的压降相等同直管的压降长度（当量长度）如表6所示，所以在条件允许时，减少管道弯头数量，降低压缩空气压降。

表6：碳钢管压缩空气管道（R=0.2mm)局部阻力当量长度（单位：m）
例：在环境温度20℃，系统供气压力为0.7MPa状态下，供应离空压站500米处的设备用气量为100m3/min，管道需要安装2个闸阀、3个3倍管径的90度弯头，求输送压缩空气的管道规格，压降是多少。

解：
根据《动力管道设计手册》选型推荐，车间压缩空气流速取值范围为
8~15m/s,厂区压缩空气流速取值范围为8~10m/s，压缩空气流速取值10m/s。

设备用气量一般是指在标准状态的用气量，所以在工作状态下的用气量为。

Q
工=Q
标准
*（273+t)/(273+20)/p/10=100*60*293/293/0.7/10=857.14m3/h
管道内径D=18.8*SQRT(857.14/10)=174（mm）。

根据管道规格参数对照表，选择规格DN219的管道。

查管件及弯头当量长度对照表得:直径200的阀门当量长度=3.2m,2R弯头的
当量长度=5.3m
压缩空气管道计算压降的当量长度L=500+2*3.2+3*5.3=522.3（m）
查管道计算水力计算表得到在压力0.7MPa，流速10m/s时，DN219管道的单
位压降∆P1=44.8pa/m
全程管道的降压∆P=L*∆P1=522.3*44.8=23399（pa)=0.023MPa
3.2压缩空气管网设计
碳钢管压缩空气管道的主要以架空敷设，焊接联接为主，在公共管网部分很
少有阀门等管件，泄漏维修机率小；在厂房内管网配置有监测仪表，阀门等管件，管道与这些管件的连接主要螺纹连接，压缩空气泄漏机率大。

压缩空气管道布局主要有三种方式，每种布管方式的优缺点及应用场合如表7所示
表7不同管网优缺点及主要应用场合
结合建设成本、维修机率、供气质量等因素，管网按公共管网设计成枝状，厂房内管网设计成环网，同时在每个厂房的接入口增设储气罐稳压，按此设计即可降低建设成本，又可稳定厂房内用气压力。

四、设计过程中其它应考虑的问题
压缩空气在生产过程中，有80%左右的能耗转换成热量，根据目前余热回收利用技术，可以回收90%以上空压机产生的热量，如果条件许可，可以考虑进行余热回收利用。

用于锅炉补水预热、厂房供暖、员工洗澡用水加热等，将有可观的节能收益。

一般机械制造企业的大部分设备及工艺用气压力都在0.5~0.65MPa，所有当
企业配置有切割机等压缩空气压力需求超0.7MPa时，需考虑增压设备进行增压；因各区域用气压力不一致，可考虑在每个用气末端出口配置气动三联件等调压装置，根据实际用气压力调整输出压力，节约压缩空气排量，降低能耗。

五、总结
根据以上分析研究结果，机械制造企业的压缩空气系统可按表8推荐结果设计：
表8：机械制造企业压缩空气系统设计
参考文献：
[1]GB50029-2014 压缩空气站设计规范
[2]压缩空气站设计手册
[3] 动力管道设计手册第二版
[4] 张连康.压缩空气应用指南第七版
[5]T/CGMA033002-2020 压缩空气站节能设计指南
[6]GB/T13277-1991 一般用压缩空气质量等级
[7]JB/T 10598-2020 一般用干螺杆空气压缩机技术条件
[8]GB/T13279-2009 一般用固定的往复活塞空气压缩机
[9]JB/T 4113-2017 石油化学和气体工业用整体齿轮增速组装型离心式空气压缩机。