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壓縮空氣系統知識

發布時間:2018/08/15 點擊量:

壓縮空氣系統知識

§ 1.供氣方案的確定

§ 2.用氣量的確定

§ 3.機型的選擇及組合

§ 4.儲氣罐容積的確定

§ 5.壓縮空氣管道系統

§ 6.典型的壓縮空氣系統布置

§ 1.供氣方案的確定

當用戶提出壓縮空氣需求對,作為一個有經驗的壓縮空氣系統銷售工程師,必須為用戶提出供氣方案的建議。那么如何來確定壓縮空氣供氣方案呢?

根據工廠規模、用氣點分布情況、供氣壓力等級以及要求供應的壓縮空氣品質等因素在經綜合考慮和技術經濟比較后確定。一般有以下幾種供氣方案:

a 設集中壓縮空氣站供氣。這種方案主要用于中小型工廠和用氣較為集中的大型工廠。

b 設區域性壓縮空氣站供氣。在工廠規模較大,壓縮空氣用氣量大且主要用戶又較分散時,為減少管網的壓力損耗和保證重點用氣點的使用,常用此種方案。對區域站房之間應有管道連通,以達到相互調節負荷,互為備用的目的。

C 就地供氣方案。當工廠用氣量不大,用氣點少而分散時,可考慮用小空壓機機組就用氣點附近安置。

d 集中與分散相結合的供氣方案。在某些大、中型工廠里,其主要壓縮空氣用氣較集中,次要較分散。特別是夜間用氣較少,宜采用此方案。

e)當工廠需要供應不同壓力的壓縮空氣時,而低壓用氣量又較大時,應考慮采用不同壓力等級的供氣系統,配置不同壓力的空壓機。以減少降壓引起的能量浪費,但供氣壓力等級一般不宜超過二種,以減少初期設備的投資。

f)當工廠有部分用氣點需要供應較高品質的壓縮空氣時,可考慮單獨用一臺無油潤滑式空壓機。也可以考慮用集中供出的壓縮空氣,將部分后處理設備處理后來供氣,具體采用那種方法,應視具體用氣量的大小和用氣點的位置等,經綜合經濟比較后確定。

 

綜上所述,供氣方案的確定是一個需要綜合考慮的問題,它涉及到用戶初期的投資,生產工藝流程的管理,特別是對擴大生產而增加壓縮空氣用氣量的用戶,更要結合原有的壓縮空氣供氣系統的布置。這里有一點值得我們提醒用戶的地方是:如果采用噴油螺桿式空氣壓縮機,它不需要專門的空壓機基礎和站房,也不需要象活塞式空壓機一樣,非要專職的操作人員在旁監視它,所以我們應盡量避免采用集中供氣,輸送很長的距離的習慣供氣方案,以達到既節約能源和投資,又能確保供氣要求的目的。

§ 2.用氣量的確定

 

確定一個新廠的壓縮空氣要求的傳統方法是將所有用氣設備的用氣量(m3/min)加起來,再考慮增加一個安全、泄漏和發展系數。

而對一個現有的工廠,你只要作一些簡單的測試便可知道壓縮空氣供給量是否足夠。如不能,則可估算出還需增加多少。

一般工業上空氣壓縮機的輸出壓力為0.69MPa,而送到設備使用點的壓力至少0.62MPa。這說明我們所用的典型空氣壓縮機有0.69MPa的卸載壓力和0.62MPa的筒體加載壓力或叫系統壓力。有了這些數字(或某一系統的卸載和加載值)我們便可確定。

如果儲氣筒的壓力低于名義加載點(0.62Mpa)或沒有逐漸上升到卸載壓力(0.69MPa),就可能需要更多的空氣。當然始終要檢查,確信沒有大的泄漏,并且壓縮機的卸載和控制系統都運行正常。

如果壓縮機必須以高于0.69MPa(G)的壓力工作才能提供0.62MPa(G)的系統壓力,就要檢查分配系統的管道尺寸也許太小,或是阻塞點,對于用氣量還需增加多少氣量,系統漏氣產生什么影響,以及如何確定儲氣罐的尺寸以滿足間歇的用氣量峰值要求。

 

2-1測試法——檢查現有空氣壓縮機氣量

定時泵氣試驗是一種比較容易精確地檢查現有空氣壓縮機氣量或輸出的方法。這將有助于判斷壓縮空氣的短缺不是由于機器的磨損或故障所造成的。

下面是進行定時泵氣試驗的程序:

1).儲氣罐容積,立方米

2).壓縮機儲氣罐之間管道的容積,立方米

3).(AB)總容積,立方米

4).壓縮機全載運行

5).關閉儲氣罐與工廠空氣系統之間的氣閥

6).儲氣罐放氣,將壓力降至0.48MPa(G)

7).很快關閉放氣閥,并打開供氣閥

8).儲氣罐泵氣至0.69MPa(G)所需要的時間,秒

 

現在你已有了確定現有壓縮機實際氣量所需要的數據,然后就可以按下列公式進行計算:

 

 

 

 

公式:                                      式中:,

Q--- 壓縮機氣量,m3/min

VP2P160                  V--- 儲氣罐和管道容積,m3 C項)

Q = —————————————            P2---最終卸載壓力,MPa(A)H項+PA

TPA                     P1---最初壓力,MPa(A) F項+PA

PA---大氣壓力,MPa(A)(海平面上為0.1MPa

T---時間, s

 

 

 

如果試驗數據的計算結果與用戶廠空氣壓縮機的額定氣量接近,你可以較為肯定,用戶廠空氣系統的負荷太高,從而需要增加供氣量。

 

2-2總氣量估算法:

 

V = V現有設備用氣量V后處理設備用氣量V泄漏量V儲備量

 

2-3確定所需增加的壓縮空氣量:

根據將系統壓力提高到所需要壓力的空氣量,就能確定需要增加的壓縮空氣供氣量,

                                              P2

    需要的壓縮空氣量m3/min = 現有的m3/min —————

                                              P1

式中,需要的m3/min = 需要的壓縮空氣供氣量

現有的m3/min = 現有的壓縮空氣供氣量

P2 = 需要的系統壓力,MPa(A)

P1 = 現有的系統壓力,MPa(A)

需增加的m3/min = 需要的m3/min 現有的m3/min

 

結果就告訴你為滿足現有的用氣量需求,所要增加多少氣量。建議增加足夠的氣量以便不僅滿足目前的用氣要求,還把將來的需求和泄漏因素考慮進去。

2-4.系統漏氣的影響:

供氣量不足經常是由于或肯定是由于系統的泄漏。空氣系統漏氣是損失動力的一個連續根源,所以最好應當使其盡量少一些。幾個相當于1/4英寸小孔的小漏點,在0.69MPa壓力下,可能漏掉多至2.8M3的壓縮空氣,這等于你損失一臺18.75Kw的空氣壓縮機的氣量。以電力每度0.4元計,每年運行8000小時(三班制)計算,這些漏掉的空氣使你白白損失60000元。

大多數工廠都能提供維護人員和零件來捉漏。損壞的工具。閥、填料、接頭、滴管和軟管應及時檢查和修理。

工廠整個系統的泄漏可通過在不供氣情況下,測定系統壓力(在儲氣筒體上測)0.69MPa(G)降到0.62MPa(G)所需要的時間來診斷。利用泵氣試驗,我們就可以算出整個系統的泄漏量:

                           VP2P160

     泄漏量m3/min = —————————————

                             90PA

如漏氣率超過整個系統氣量的百分之五,就必須筑漏。

 

綜上所述,用氣量的確定也是一個較復雜的的問題,通常,我們應提醒用戶在確定壓縮機氣量之前考慮以下幾方面的問題:

  • 工廠漏氣嚴重嗎?是否要捉漏后,再確定壓縮空氣系統的負荷?
  • 你對現有空氣壓縮機的運行、維護、安裝和性能特點感到滿意嗎?
  • 在選擇空氣壓縮機及其附加設備(如干燥機和過濾器)時,是否已考慮到壓縮空氣的耗氣量?
  • 附加設備和用氣設備對你選擇空氣壓縮機有何影響?
  • 你是否考慮過萬一主空氣壓縮機故障時的備用氣量?
  • 各個班次是否需要用同樣氣量的壓縮空氣?
  • 所選用的空氣壓縮機在用氣量較低時運轉情況怎樣?
  • 工廠用氣是否有不尋常間歇峰值要求載荷?

 

2-5估算工廠負載例題:

 

舉例一:如果正在運行的空氣壓縮機是一臺37Kw回轉式螺桿空壓機。設計工作壓力為0.86MPa(g)氣量為5.6 m3/min,控制系統選在on/off模式。運行后,空壓機排氣壓力達到0.84MPa(g)。如果用這臺壓縮機為系統供氣,我們可得出什么結論?

——假定控制系統、壓力開關等都工作正常,那么空壓機已達到其最大氣量,并可知道該機型實際上是選得小了一點。設備安裝好后,不久工廠的用氣量要求會超過壓縮機的能力。

 

舉例二:如果一臺往復式空壓機運行了共30分鐘,而我們知道,其中全載運行20分鐘,半載10分鐘。那么從中我們可得出什么結論?

——全載 = 14 m3/min             (14× 20) = 280  m3

半載 =  7m3/min             ( 7× 10) = 70  m3

則;350/ 30min = 平均用氣量11.67 m3/min

 

舉例三:假如有一臺55Kw的風冷式空壓機,在30分鐘內,全載運行10分鐘,卸載運行20分鐘,問工廠的用氣量是多少?

55 Kw的壓縮機氣量約為9.9m3/min

9.9m3/min×10min=99m3

0×20min=0m3

99/30min=3.3m3/min

——說明用戶選的空壓機可減小,為滿足瞬間用氣量,可適當采用較大的儲氣罐。

§ 3.機型的選擇及組合

3-1.空壓機選型投資分析:

空氣壓縮機是壓縮空氣系統中,關鍵的、必不可少的、而又能耗很大的設備因此選擇經濟合理的空壓機更為重要。這里是一個空壓機第一年運行成本的分析:

 這是國外所做的分析,它表明一臺空壓機,設備購置費用占第一年總投資費的13 %;維護保養及人工費占 10%;而能源消耗費(主要是電費)占 77 %

這就要我們向用戶提醒一個問題:在選擇空壓機時,千萬別只考慮第一次設 備的價格。而選擇高效節能的產品,初次增加的設備投資費完全可從日后節省的電費中得到回報,即它對工廠長期的運行成本有重要的意義,因為一臺空壓機將要使用幾十年。

3-2.選擇空壓機的規格

你一旦確定工廠用氣的氣量(m3/min)和壓力(MPa(G))要求,便可選擇空氣壓縮機的規格。在選擇時你除了要考慮環境,例如:海撥的高度等對空壓機氣量的影響,還可能要考慮的因素包括:

目前的用氣量是多少?工廠擴建后的用氣量要求是多少?一般來說,用氣量的年增長率為5~10%。是否考慮將來要用特殊的制造工藝和工具?

1)理想的做法是回轉螺桿式壓縮機和離心式壓縮機所定的規格,應保證在調制和調節控制范圍內正常工作。并且,力求使空壓機的負荷氣量在額定氣量的70%以上工作,以求恒壓和節能。

2)單作用風冷往復式空氣壓縮機所確定的規格,應保證在恒速控制系統的基礎上有30~40%的卸載時間。

3)水冷往復空壓機可連續工作,但在選規格時最好考慮有20~25%緩沖或卸載時間。

研究各種型號的空氣壓縮機的性能特點,估算動力成本,從而確定空壓機的規格。

3-3.不同機型的空壓機組合:

各種空氣壓縮機的特點及用途,前面的章節已闡述。對于同一個空氣壓縮站房內,應盡量使用相同的機型。但考慮老站房的改造,常發生不同機型的并聯。此時必須按圖中的方法連接。當遇到螺桿空壓機同往復式空壓機并聯時,應按上圖所示設置隔離閥、冷凝水的排放閥及管路上的安全閥。當兩臺螺桿空壓機并聯時,建議按下圖所示聯接。

 

螺桿式空壓機同活塞式空壓機并聯 

兩臺螺桿式空氣壓縮機并聯

§ 4.儲氣罐容積的確定

儲氣罐用于儲存壓縮空氣以滿足瞬間氣量的需求,平緩排氣壓力的脈沖,并減少壓縮機的加載循環次數。

在一個典型的0.69MPa壓縮空氣系統中,經驗公式是壓縮機的每0.028m3氣量應有0.003785m3的儲氣空間,參見下一頁上的儲氣罐尺寸選擇表。

某些使用場合在一個短時間內用氣量很大。一般說來以此滿氣量來確定整個系統的尺寸是很不經濟的,遇到這種間歇的峰值用氣量,可通過適當尺寸的儲氣罐來解決。

為解決這類間歇用氣高峰,所需儲氣罐的尺寸可按如下方法計算:

                       (Vs)  0.1MPa

          Vr =—————————

                       DDP

其中 Vr = 儲氣罐容積,單位 m3

Vs = 所需可用于儲存自由空氣的體積,單位 m3

DDP = 儲氣罐工作壓降,單位MPa(G)

 

例如:一臺發動機氣動啟動器,在30秒內要用氣25.5m3/min,伴隨壓力從0.83MPa(G)降到0.62MPa(G)

則:  Vs=(25.5m3/min) (0.5min ) = 12.75 m3

 

(12.75)× (0.1)

        Vr =                     = 6.1m3 (所需貯氣罐容積)

(0.830.62)

儲氣罐尺寸選擇表

(各種壓力下的自由空氣立方米數)

 

儲氣能力

壓力(單位:MPa

m3

0.52

0.7

0.86

1.05

1.4

1.75

0.11

0.58

0.77

0.97

1.16

1.55

1.93

0.22

1.16

1.55

1.93

2.32

3.09

3.87

0.30

1.55

2.07

2.58

3.09

4.13

5.17

0.45

2.32

3.09

3.87

4.64

6.19

7.74

0.75

3.87

5.16

6.45

7.74

10.32

12.90

0.91

4.64

6.19

7.74

9.29

12.39

15.48

1.51

7.74

10.32

12.90

15.48

20.65

25.81

2.50

12.77

17.03

21.29

25.55

34.07

42.58

4.01

20.52

27.36

34.19

41.04

54.71

68.39

6.05

30.97

41.29

51.62

61.94

82.59

103.24

9.69

49.54

66.08

82.59

99.11

132.14

165.19

 

§ 5.壓縮空氣管道系統

5-1.壓縮空氣管路常識

  • 使用足夠尺寸的碳鋼管,以便在整個氣管上的壓力損失不超過0.021Mpa(使整個壓縮空氣管路系統的壓力損失保持在10%(從壓縮機到最遠端點)。排氣管的直徑應和壓縮機排氣口至少一樣大。
  • 如需要調節控制,在排氣管上安裝一個旁通管。該旁通管也可用作連接備用空壓機。
  • 在整個系統上可安裝幾個壓力表用于監視。安裝位置包括儲氣罐,分氣包,氣動工具,生產用設置以及管路系統末梢。
  • 使用半徑較大的彎頭(R>35d),使用球閥或蝶閥。以減少管路上的壓力降。
  • 壓縮空氣的管路每0.3 m需有6.35 mm的傾斜,并安裝排放冷凝水用的水閥。
  • 壓縮空氣理想的系統為環形設計,以供氣雙向氣流供給。也可采用樹枝狀管路。
  • 環形管路:各點的壓力穩定,壓差小,流速低,管路相對長,能量效率高。
  • 樹枝狀管路:各點壓力相對穩定,它取決支管的用氣。管路相對短,投資低些。
  • 從主氣管上連出用氣管時,應盡量靠近用氣設備。分支管要從總管的上方接出。
  • 壓縮空氣管道通常使用碳鋼管作為排氣管。,也可使用黑鐵、鍍鋅、銅或不銹鋼管。但決不能使用塑料管。
  • 連接管路中P>0.7MPa時,最好用法蘭連接。
  • 需考慮漏氣和廠房擴建的因素,以消除壓縮空氣系統的過時。
  • 主氣管應該按照最大的供氣量設計,包括滿負荷生產以及廠房擴建計劃。

5-2.壓縮空氣管路設計準則:

壓縮空氣的管道系統應滿足用戶對壓縮空氣的流量、壓力及品質的要求,還應從可靠供氣、節約能源、降低投資、方便維護等方面綜合確定。具體有以下幾方面原則:

1.從壓力要求考慮:

當壓縮空氣系統有兩種或者兩種以上壓力要求時,可按以下方式考慮:

a)管道系統按最高供氣壓力設計,部份的低壓力供氣可通過支管上裝設降壓裝置來滿足。

b)按用戶的用氣壓力,結合車間或設備布置,劃分幾個壓力等級,以不同壓力的管道系統供氣。

2.從空氣品質要求考慮:

a)采用一個未經處理的壓縮空氣管道系統,對部分要求高品質的用氣,通過支管道上增設后處理設備凈化來滿足。

b)在全廠設計成二個管道系統。一個為一般用氣系統,另一個為凈化空氣系統。

3.從用氣負荷特點考慮:

有的用氣設備瞬時的最大用氣量同平均用氣量相差很大(如空氣錘、噴丸等),為不影響其它設備的用氣,一般采用專管供氣或在這種用氣附近增設儲氣罐來緩沖負荷。

4.從節約能源考慮:

a)當工廠同時使用幾種不同壓力壓縮空氣時,采用幾種不同壓力等級的空壓機,組成不同的壓力等級管線,能有效地節能,但會增加基建投資,所以應作經濟比較后決定具體的供氣方案。

b)據調查,有的工廠壓縮空氣管線的漏氣可達20%,所以,當工廠內僅個別車間并且是某一階段時間使用壓縮空氣時,可考慮單獨就地供氣,以減少較長管線的漏氣。

5.從投資和維護考慮:

a)常見的樹枝狀管道系統,有利于節省投資。

b)以空氣壓縮站為中心的一級輻射管道系統,或中間分配站的二級輻射管道系統有利于壓縮系統和設備的管理和維護。

6.從供氣可靠性考慮:

a)環狀管道系統能可靠地供氣,又能保證各供氣壓力穩定。支管維修時不影響其它的支管道的供氣。

b)當需要保證對所有用氣點都不間斷供氣時,還可采用雙樹枝狀管道系統。但此種系統比單樹枝管道系統管材投資多一倍,因此只有在不允許停氣的特殊情況下使用。

5-3.壓縮空氣管道的壓力損失:

1.造成空氣壓降的原因及損失

在壓縮空氣系統中,壓降是更多地消耗人力和財力的因素之一,如果系統壓力降至氣動工具和設備所需的工作壓力以下,使用效率將迅速下降。

比如,許多氣動工具的進氣壓力設計為0.62MPa0.7MPa,壓力下降10%會使氣動工具的效率下降40%。換句話說,不管具體數值是多少,任何低于設計值的氣壓都會引起生產能力的下降。系統壓力損失的最顯著原因是壓縮機太小,供氣量不能滿足用氣量的要求;需要壓縮空氣的工具和設備太多;或泄露太多,氣壓損失最直接的原因是由于摩擦產生的管網壓降。

眾所周知,在花園里埋的水管越長,在噴嘴處的水壓就越低。壓縮空氣同樣如此。氣壓損失是由于壓縮空氣受到氣管內壁的摩擦阻力造成的,管子直徑越大,在氣管中央集聚的空氣越多,在管內的摩擦阻力就越小,氣壓降或氣壓損失和以下因素有關:氣量;初始氣壓;管子類型;管子長度;系統中的閥門;接頭和折彎的數量。

由于摩擦而引起的氣壓損失見附表,該表顯示了初始壓力為0.7MPa(G),管長30.5m條件下的氣壓損失,該表有助于評估您的壓縮空氣系統。

以下是一些基本的原則,需要牢記:

  • 管道長度和直徑一定的情況下,氣壓損失隨氣量的增加而增加。同樣條件下,氣壓損失隨初始壓力的下降而增加,隨初始壓力的升高而減少。
  • 管內壁的平滑可減少氣壓損失,管內壁的粗糙,可增加氣壓的損失。連接器、接頭和閥門會增加氣壓降。
  • 讓我們來看一個例子:假設有一個85m3/min0.7MPa的集中壓縮氣體源,并有五處用氣量為17m3/min(見圖)計算管網壓降。
  •        管網氣壓降舉例:

我們所關心的是管網的實際最大氣流,而不是85m3/min0.7MPa,實際最大氣流和用氣潛在需求有密切的關系,因此:

每根直徑2英寸,長15.24m最大氣量為17m3/min,的軟管的氣壓降為10.3kPa

右側軟管的最大氣量是51m3/min(每根17m3/min),距離為152.4m,直徑4英寸,管子上的整個壓降為4.8kPa× 5=24kPa,因此,在用氣端的估計壓力為:

07Mpa(24kPa10.3kPa)=0.6657Mpa

 

2.氣壓降的控制:

許多工廠具有充足的壓縮機氣量和儲氣罐,但是不能保證用氣設備的規定氣壓,造成該結果的兩個原因是:系統布置不合理或管子的尺寸不合適,以上兩種原因會導致用氣端的氣壓降。

以下三個措施可減少用氣端的氣壓降

◎縮短氣流長度

◎減少摩阻

◎降低流速或流量

減少壓力降的最有效的布置是環形系統,并且在中負載用氣點旁,安裝輔助的儲氣罐。環形系統對系統的任何點提供了雙通道,從而砍掉了一半的有效路徑。換言之,一個152.4m長的環形系統,最大的有效長度為76.2m,雙通道又使流量減半,從而減少了由于流速而引起的氣壓降。流速和流量也因為在重負荷處裝有儲氣罐而降低。如果由靠近用氣點的儲氣罐供氣,在總管上的流速相對不會增加很多。由于主要的負載由儲氣罐所吸收,這便減少整個系統的壓降。當布置新的系統時,選擇合適尺寸的網管不會增加很多成本。在材料成本上的增加和整個項目的成本相比無足輕重。38.1mm的管子比25.4mm的貴50%,但是在同樣壓降條件上可輸出3倍的氣量。

問題:28m3的空氣在0.7MPa(G)的壓力下流過直徑為101.6mm的管子所產生的氣壓降是多少?圖解法:

找出0.7MPa(G)的空氣在28M3的交點然后沿斜線找到和101.6mm線的交點,垂直向下得出壓降為每30.48m 1.55kPa(G) 

§ 6.典型的壓縮空氣系統布置

 

工廠的壓縮空氣系統只有一個功能:在需要的使用點上提供保質保量的壓縮空氣和符合要求的壓力,以驅動氣動工具和其他機械設備的運行。

工廠里的壓縮空氣一般由電機驅動的壓縮機提供。并需花費一定的費用,設計,制造,安裝整個壓縮空氣系統,不合理的壓縮空氣系統可能導致氣壓的損失,同時也意味著費用的損失。

每損失0.014MPa(G)的壓力,就需要花整個功率的1%去補償,因此,一個75Kw的壓縮空氣系統如果有0.14MPa(G)的壓力損失,他就意味著10%(7.5Kw)的功率損失在空氣系統上。

設計良好的壓縮空氣系統可避免不必要的壓力的損失,壓縮空氣設備的位置和管路的尺寸對于一個良好的設計是很重要的因素,確保消耗的功率用于有用的壓縮空氣上。

當選擇和安裝空氣系統時,你首先必須回答的問題之一是安裝一個集中供氣系統還是分散供氣系統。

集中供氣系統是由一臺或多臺空壓機組成的集中供氣源分配壓縮空氣至整個工廠,以滿足整個生產的用氣要求。一般這些壓縮機和其它設施一樣集中安裝在電源房或空壓機站房內。分散型空氣系統可替代或結合集中型空氣系統而使用,分散型系統是幾臺空壓機分別安裝于廠房內,幾個關鍵的用氣點上。

本手冊不想分析數不清的、潛在的情況。而是想說明仔細的計劃,有關壓縮空氣的知識的正確應用,壓縮空氣系統和壓縮空氣的正確處理,會對使用壓縮機的工廠內的安裝和運行帶來巨大的經濟效益。

以后的幾頁將給出典型的壓縮空氣系統流程圖,以及壓縮空氣設備和后處理設備的安裝圖,這些資料將有助于對系統布置圖的設計,以獲得最良好的性能和最大的靈活性。你設計的系統布置圖將按照如下的因素:尺寸、方位、實際的安裝設備和使用情況來考慮。

 


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