针对气动系统节能的研究

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针对气动系统节能的研究

（兰州理工大学能源与动力工程学院  动力工程领域  122085206001 于鸿飞）

       摘要：随着制造业节能减排的大力推行，气动系统的节能研究意义重大。通过分析典型气动系统能量的传递和转换流程，针对气动系统生产环节管路与控制元件环节以及执行元件与用气设备环节综述了节能措施的研究现状，分析了实际中气动系统不合理使用以及造成的能量损耗，并对今后气动系统节能的发展进行了展望。

      关键词：气动系统；节能；耗能分析

1．前言
       气动技术是以压缩空气作为介质，以空气压缩机作为动力源，来实现能量传递或信号传递与控制的工程技术，是实现各种生产控制自动控制的重要手段之一。伴随着微电子技术通信技术和自动控制技术的迅猛发展，再加上压缩空气能源无污染的优良特性，气动技术在工业领域的应用愈加广泛然而，在液压系统电气系统和气动系统这三种常用的驱动方式中，目前气动系统的能效相对较低，只有输入能量的约20% 最终能被利用【1】，但同时这也说明了气动系统还有很大的节能改善空间。
       在整个工业生产中占据总耗电量10%~35%的气动系统【2】，在我国将不可避免地成为节能讨论的对象。

2．气动系统能量转化和传递流程的研究

       考虑气动系统的能量转化和传递过程，要从空压机吸入空气开始到执行元件对外做功为止典型气动系统的能量传递与转换流程如图1所示：

图一气动系统能量转化和传递流程图

       过程1：电动机将电能部分转化为机械能输出，转换效率为电动机效率。电动机效率通常为90%左右。

       过程2：空压机将机械能部分转化为压缩空气的压力势能，转换效率为压缩机效率。通常，压缩机输出的高压空气温度较高，需要经过冷却然后再向系统供气，冷却过程会带走压缩空气很大一部分热量，使得最终压缩机的能量转化效率不高此外，压缩机效率根据其类型的不同也会有所差异。

       过程3：压缩空气经管路传输时，由于管道内壁的摩擦以及各种控制元件的存在，会不可避免的产生沿程与局部阻力损失，造成压缩空气的压力减小。此外，泄漏问题对能量损失的影响也非常大。

       过程4：执行元件( 气缸)将压缩空气的压力势能部分转化为机械能输出，转换效率为气缸效率高压空气在驱动外负载做功后仍为有压空气，普通气缸效率不高主要就是由于将这部分有压空气直接排放到环境中，导致了能量浪费另一类常见的用气设备是喷嘴，喷嘴对压缩空气的消费量很大且效率较低，有很大的节能空间。

      根据上述对气动系统能量转化和传递过程的分析，下面分别从压缩空气生产环节管路与控制元件环节以及执行元件与用气设备环节进行节能措施的讨论。

3．目前气动系统节能的手段
       根据前面所述的气动系统能量损失的途径，可以制定出相应的节能思想，主要包括降低空气消费量；有效利用执行元件排出的有压空气；提高执行元什的效率；从气源到现场段减小压力损失和泄漏；气动喷嘴各种优化等。具体的实现手段主要包括对气源的节能、供气管路的节能、减小泄漏的节能、喷嘴的节能，另外还有适压适所节能。
       (1)气源的节能
       对气源的节能主要是指对空气压缩机的合理使用和控制，使空气压缩机的排气量和压力与用气系统的需要相适应。常用的控制是压力控制、压力和时间控制等，根据负载的变化，决定哪一台空气压缩机进人工作状态或停机，以及在压力极限处的延迟时间。但是这些控制方法都使空气压缩机在超过用气需要压力的情况F运行．造成不必要的能源浪费，采用恒压变量自动控制技术可以克服这个缺点，利用PLC和大功率变频调速对并联的多台空气压缩机系统进行恒压变量控制，根据用气系统瞬时耗气量的变化，自动改变空气压缩机满载运转的台数和另一台受控驱动电动机的转速，使压缩空气的供求始终保持动态平衡状态，供气压力摹本保持不变。根据实际应用和测算结果，节能率约为20％至40％【3】。
       另外从压缩机输出的压缩空气温度较商，要用冷却器进行冷却，由于温度降低使压缩空气的内能降低，但是没有做任何有用功。对于这部分能量损失，现在还没有一个较好的解决办法。
        (2)对供气管路的节能
       压缩空气从气源装置至各处的用气系统是通过管路来输送的。压缩空气在管路内的流动过程中会有压力损失，这个损失和管路直径的5次幂成反比，和管路的长度成正比，在管路长度一定的情况下，如果管路的直径越大压力损失越小，但是由于管路的费用也随之增高二现在有学者利用优化的方法，根据各处的用气流量等参数设计管阿的拓扑结构和各段管路的直径使系统管路压力损失所造成的费用和管路材料及施工费用之和最小．使之达到最优。
       (3)减小泄漏
       在很多实际系统中+压缩空气的泄漏非常严重，主要是从输送管路处和用气设备处泄漏出去的。据统计，日本丰田汽车厂每年泄漏出去的压缩空气价值约5亿F1元?对泄漏主要的解决办法是要加强规范化管理，定期进行空气泄漏量的检测和维修。
       (4)喷嘴的节能
       在工业中，消费压缩空气的另一种方式就是使用各种喷嘴，它被广泛地应用在异物除去、水分干燥、焊接部位冷却，甚至还应用于小型物料分离等场合下。以往人们对喷嘴重视程度不够，往往忽视了它引起的空气消费量：在近年的调查中发现在工厂中喷嘴的空气消费量占整个消费量的50％，而且它的效率很低，有很大的节能空间。
       (5)气压传动系统的节能
       对于气压传动系统．由于执行兀什在运行过稃中，排气侧的高压空气没有做任何有用功就排出系统，从而造成了很大的能量损失。针对这个问题，近年来提出了一些解决办法，但是都还没有达到广泛应用的程度。最早提出的方法是在排气过程中，将排气侧的一部分高压气体保存在一个容器中，当执行器反方向运动时，这部分气体再作为有压窄气进入充气侧，从而达到节能的目的，现在已经用此原理开发出了节能气缸，另外一种方法是日本的河合素直教授在1996年提出了用进口节流方式，在活塞到传后切断充气过程来降低充气侧的压力，减小空气消费量达到节能的目的【4】。SMC公司对此原理进行改进并开发出了节能阀。
       (6)适压适所

       在很多工厂中使用一组空压机统一为全厂提供压缩空气，但是各处所需压缩空气的压力可能不同，所以提供的压力是所有用气系统需要的最高压力，对丁需要低压的场合，则用减压阀进行减压。从节能的角度来看，这样做损失了很多能量。因为对于气源设备输出的压缩空气，每升高0.1m就增加5%～10%的费用。所以应根据实际情况，对气源的输出压力进行适当的调整。可以将一个空压机组分为几组，每组根据用气没备的需求提供不同压力的压缩空气在对低压空气需求量大，对高压牵气需求量相对较少的情况下，气源可以提供低压空气，局部采用增压设备进行增压为需求高压空气的设备供气。这种节能手段的总体思想就是为不同的需求提供不同的压力，而不是统一提供较高的压力再进行减压处理。

4．压缩空气的不合理使用
       在当前我国气动用户使用的气动系统中，能源浪费主要表现为泄漏偏大、压缩机配置及运行仅以保压为目的、供给压力不合理、气枪喷嘴低效、设备用气存在浪费、现场工人用气成本意识淡薄等等问题。在泄漏问题上，工厂中的泄漏量通常占供气量的10%～30%，而管理不善的工厂甚至可能高达50%。有时一个汽车组装车间的泄漏点就有2万个，其中，泄露量的90% 以上来自设备使用中的零部件老化或破损。而尤为严重的是，现场管理人员远远地低估了泄漏造成的损失。比如，汽车点焊工位的一个焊渣在气管上导致的一个直径1mm 的小孔每年导致的电损失高达约1600kW·h，几乎相当于一个三口之家的全年家庭用电。加强泄漏损失意识、普及泄漏检测及预防手段是当前工作重点。
       压缩机的合理配置及合理运行对节省用电非常重要。通常，为使输出压力波动小，很多压缩机采用吸气阀调节方式。这种方式在没有供气的情况下也仍需消耗约70 % 额定功率的电力，浪费较严重。为此，导入变频控制、采用压缩机群的台数控制等措施对削减电力十分奏效。而这些在工厂的实际操作中基本都被忽略，保证压力成为大多数工厂对压缩机管理的唯一要求。
       另外，由于管道压力损失不确定，设备启动存在流量高峰等原因，压缩机的供气压力有时比现场要求压力高出0.2～0.3MPa，浪费非常严重。有时也会为了少数几台压力要求高的设备，而整个调高供气的压力，这在能源使用配置上极其不合理，非明智之举。
       气枪在制造加工的精修、机加工等工艺现场被广泛使用，其耗气量在某些产业领域达到总供气量的50% 。通常，气枪在使用过程中存在供气管道过长、供给压力过高、用直铜管做喷嘴等问题。另外，现场人员很容易为了追求大冲击力而擅自扩大喷嘴喷口、提高供给压力，从而造成很大的用气浪费。
       另外，在气动设备中存在用气不合理的现象也比较突出，例如确定工件是否卡到位的气体背压检测、真空发生器给气等存在不工作也不间断供气现象。尤其是化学药液槽等用于搅拌目的的用气、轮胎制造中的定型充气等，从0.7MPa的高压减压到0.1～0.2MPa 使用的现象非常普遍，浪费令人痛心。从工艺上把握设备的实际需要压力和最低耗气量是使设备耗气合理化的前提。由于设备用气不合理导致的浪费平均估计为供气
量的20% 。
       以上之外，生产现场还存在其他种种问题。这些问题导致当前气动系统的使用中用气浪费比较严重。所以，对其开展详细调查，分析问题所在，探讨合理有效的节能措施十分必要。

5．气动系统节能前景
      近几年各国的学者对气动系统节能投人了越来越多的力量进行研究，例如日本工业大学的香川研究室正在对气动系统的能量传递进行详细的研究【5】，试图为节能问题提供完善的理论基础。在解决手段上，气动系统节能技术的发展趋势是利用计算机技术和控制技术向精确化和最优化方向发展。例如在以往的气动选型中是根据经验公式选型，现在已经开发出通过计算整个系统的动态特性并进行优化来选型的软件。要使气动系统的节能技术真正地起到作用．不仪仅是技术上的问题，还需要管理制度方面的配台，最终是要从系统的设计、设备的选择使用、维修和能源管理方面制定和实施切实可行的措施，并提高技术人员和管理人员的节能意识．才能够真合理地利用能源．解决能源和环境问题。
       当前，我国气动用户在气动技术使用中存在效率偏低、浪费严重、欲实施节能也无从下手和缺乏经验等问题。在压缩空气系统节能的研究和实施上。日本走在世界的前列。根据2002年日本流体动力工业会的调查，日本各企业实施节能后，气动能耗减少了10％～30％。其中，日本SMC公司在13本给100家以上企业做了气动节能提案，最多减少60％，电子半导体、机械加工等制造行业的大中型企业，以降低空气压缩机能耗为目的，结合各个行业特点研究切实可行的节能技术，制定一整套行之有效、易于实施、投资回收期小于1年的节能实施流程，将节能措施行业化、系统化、具体化、可操作化、可视化并进而规范化。


参考文献
【1】Kawai S Pneumatic system from theview point of energy saving 1996
【2】蔡茂林，香川利春气动系统的能量消耗评价体系及能量损失分析 机械工程学报，2007
【3】李建藩-气动系统的节能·机械工业出版弛，J9974
【4】Mitsuoka T Recent trend of powerdrivers system 1988
【5】蔡茂林；藤田寿宪；香川利春 空ェネルギ评西法に开する考察 2000

（兰州理工大学能源与动力工程学院动力工程领域  122085206001于鸿飞）