压缩空气系统知识
第六章压缩空气系统知识
§1.供气方案的确定
§2.用气量的确定
§3.机型的选择及组合
§4.储气罐容积的确定
§5.压缩空气管道系统
§6.典型的压缩空气系统布置
§1.供气方案的确定
当用户提出压缩空气需求对，作为一个有经验的压缩空气系统销售工程师，必须为用户提出供气方案的建议。那么如何来确定压缩空气供气方案呢？
根据工厂规模、用气点分布情况、供气压力等级以及要求供应的压缩空气品质等因素在经综合考虑和技术经济比较后确定。一般有以下几种供气方案：
a）设集中压缩空气站供气。这种方案主要用于中小型工厂和用气较为集中的大型工厂。
b）设区域性压缩空气站供气。在工厂规模较大，压缩空气用气量大且主要用户又较分散时，为减少管网的压力损耗和保证重点用气点的使用，常用此种方案。对区域站房之间应有管道连通，以达到相互调节负荷，互为备用的目的。
C）就地供气方案。当工厂用气量不大，用气点少而分散时，可考虑用小空压机机组就用气点附近安置。
d）集中与分散相结合的供气方案。在某些大、中型工厂里，其主要压缩空气用气较集中，次要较分散。特别是夜间用气较少，宜采用此方案。
e）当工厂需要供应不同压力的压缩空气时，而低压用气量又较大时，应考虑采用不同压力等级的供气系统，配置不同压力的空压机。以减少降压引起的能量浪费，但供气压力等级一般不宜超过二种，以减少初期设备的投资。
f）当工厂有部分用气点需要供应较高品质的压缩空气时，可考虑单独用一台无油润滑式空压机。也可以考虑用集中供出的压缩空气，将部分后处理设备处理后来供气，具体采用那种方法，应视具体用气量的大小和用气点的位置等，经综合经济比较后确定。
综上所述，供气方案的确定是一个需要综合考虑的问题，它涉及到用户初期的投资，生产工艺流程的管理，特别是对扩大生产而增加压缩空气用气量的用户，更要结合原有的压缩空气供气系统的布置。这里有一点值得我们提醒用户的地方是：如果采用喷油螺杆式空气压缩机，它不需要专门的空压机基础和站房，也不需要象活塞式空压机一样，非要专职的操作人员在旁监视它，所以我们应尽量避免采用集中供气，输送很长的距离的习惯供气方案，以达到既节约能源和投资，又能确保供气要求的目的。
§2.用气量的确定
确定一个新厂的压缩空气要求的传统方法是将所有用气设备的用气量（m3/min）加起来，再考虑增加一个安全、泄漏和发展系数。
而对一个现有的工厂，你只要作一些简单的测试便可知道压缩空气供给量是否足够。如不能，则可估算出还需增加多少。
一般工业上空气压缩机的输出压力为0.69MPa，而送到设备使用点的压力至少0.62MPa。这说明我们所用的典型空气压缩机有0.69MPa的卸载压力和0.62MPa的筒体加载压力或叫系统压力。有了这些数字（或某一系统的卸载和加载值）我们便可确定。
如果储气筒的压力低于名义加载点(0.62Mpa)或没有逐渐上升到卸载压力(0.69MPa)，就可能需要更多的空气。当然始终要检查，确信没有大的泄漏，并且压缩机的卸载和控制系统都运行正常。
如果压缩机必须以高于0.69MPa(G)的压力工作才能提供0.62MPa(G)的系统压力，就要检查分配系统的管道尺寸也许太小，或是阻塞点，对于用气量还需增加多少气量，系统漏气产生什么影响，以及如何确定储气罐的尺寸以满足间歇的用气量峰值要求。
2-1．测试法——检查现有空气压缩机气量
定时泵气试验是一种比较容易精确地检查现有空气压缩机气量或输出的方法。这将有助于判断压缩空气的短缺不是由于机器的磨损或故障所造成的。
下面是进行定时泵气试验的程序：
1)．储气罐容积，立方米
2)．压缩机储气罐之间管道的容积,立方米
3)．（A和B）总容积，立方米
4)．压缩机全载运行
5)．关闭储气罐与工厂空气系统之间的气阀
6)．储气罐放气，将压力降至0.48MPa(G)
7)．很快关闭放气阀，并打开供气阀
8)．储气罐泵气至0.69MPa(G)所需要的时间，秒
现在你已有了确定现有压缩机实际气量所需要的数据，然后就可以按下列公式进行计算：
公式：式中：，
Q--- 压缩机气量，m3/min
V（P2 P1）60 V--- 储气罐和管道容积，m3（C项）Q = ————————————— P2---最终卸载压力，MPa(A)（H项＋PA）
（T）PA P1---最初压力，MPa(A) （F项＋PA）
PA---大气压力，MPa(A)（海平面上为0.1MPa）
T---时间， s
如果试验数据的计算结果与用户厂空气压缩机的额定气量接近，你可以较为肯定，用户厂空气系统的负荷太高，从而需要增加供气量。
2-2．总气量估算法：
V = V现有设备用气量＋V后处理设备用气量＋V泄漏量＋V储备量
2-3．确定所需增加的压缩空气量：
根据将系统压力提高到所需要压力的空气量，就能确定需要增加的压缩空气供气量，
P2
需要的压缩空气量m3/min = 现有的m3/min —————
P1
式中，需要的m3/min = 需要的压缩空气供气量
现有的m3/min = 现有的压缩空气供气量
P2 = 需要的系统压力，MPa(A)
P1 = 现有的系统压力，MPa(A)
需增加的m3/min = 需要的m3/min －现有的m3/min
结果就告诉你为满足现有的用气量需求，所要增加多少气量。建议增加足够的气量以便不仅满足目前的用气要求，还把将来的需求和泄漏因素考虑进去。
2-4．系统漏气的影响：
供气量不足经常是由于或肯定是由于系统的泄漏。空气系统漏气是损失动力的一个连续根源，所以最好应当使其尽量少一些。几个相当于1/4英寸小孔的小漏点，在0.69MPa压力下，可能漏掉多至2.8M3的压缩空气，这等于你损失一台18.75Kw的空气压缩机的气量。以电力每度0.4元计，每年运行8000小时（三班制）计算，这些漏掉的空气使你白白损失60，000元。
大多数工厂都能提供维护人员和零件来“捉漏”。损坏的工具。阀、填料、接头、滴管和软管应及时检查和修理。
工厂整个系统的泄漏可通过在不供气情况下，测定系统压力(在储气筒体上测)从0.69MPa(G)降到0.62MPa(G)所需要的时间来诊断。利用泵气试验，我们就可以算出整个系统的泄漏量：
V（P2 P1）60
泄漏量m3/min = —————————————
90（PA）
如漏气率超过整个系统气量的百分之五，就必须筑漏。
综上所述，用气量的确定也是一个较复杂的的问题，通常，我们应提醒用户在确定压缩机气量之前考虑以下几方面的问题：
●工厂漏气严重吗？是否要捉漏后，再确定压缩空气系统的负荷？
●你对现有空气压缩机的运行、维护、安装和性能特点感到满意吗？
●在选择空气压缩机及其附加设备（如干燥机和过滤器）时，是否已考虑到压缩空气的耗气量？
●附加设备和用气设备对你选择空气压缩机有何影响？
●你是否考虑过万一主空气压缩机故障时的备用气量？
●各个班次是否需要用同样气量的压缩空气？
●所选用的空气压缩机在用气量较低时运转情况怎样？
●工厂用气是否有不寻常间歇峰值要求载荷？
2-5．估算工厂负载例题：
举例一：如果正在运行的空气压缩机是一台37Kw回转式螺杆空压机。设计工作压力为0.86MPa(g)气量为 5.6 m3/min，控制系统选在on/off模式。运行后，空压机排气压力达到
0.84MPa(g)。如果用这台压缩机为系统供气，我们可得出什么结论？
——假定控制系统、压力开关等都工作正常，那么空压机已达到其最大气量，并可知道该机型实际上是选得小了一点。设备安装好后，不久工厂的用气量要求会超过压缩机的能力。
举例二：如果一台往复式空压机运行了共30分钟，而我们知道，其中全载运行20分钟，半载10分钟。那么从中我们可得出什么结论？
——全载 = 14 m3/min (14× 20) = 280 m3
半载 = 7m3/min ( 7× 10) = 70 m3
则；350/ 30min = 平均用气量11.67 m3/min
举例三：假如有一台55Kw的风冷式空压机，在30分钟内，全载运行10分钟，卸载运行20分钟，问工厂的用气量是多少？
55 Kw的压缩机气量约为9.9m3/min
9.9m3/min×10min=99m3
0×20min=0m3
99/30min=3.3m3/min
——说明用户选的空压机可减小，为满足瞬间用气量，可适当采用较大的储气罐。
§ 3.机型的选择及组合
3-1．空压机选型投资分析：
空气压缩机是压缩空气系统中，关键的、必不可少的、而又能耗很大的设备。因此选择经济合理的空压机更为重要。这里是一个空压机第一年运行成本的分析：
这是国外所做的分析，它表明一台空
压机，设备购置费用占第一年总投资费的
13 %；维护保养及人工费占 10%；而能源
消耗费（主要是电费）占 77 %。
这就要我们向用户提醒一个问题：
在选择空压机时，千万别只考虑第一次设
备的价格。而选择高效节能的产品，初次
增加的设备投资费完全可从日后节省的电费
中得到回报，即它对工厂长期的运行成本有
重要的意义，因为一台空压机将要使用几十年。
3-2．选择空压机的规格
你一旦确定工厂用气的气量（m3/min）和压力（MPa(G)）要求，便可选择空气压缩机的规格。在选择时你除了要考虑环境，例如：海拨的高度等对空压机气量的影响，还可能要考虑的因素包括：目前的用气量是多少？工厂扩建后的用气量要求是多少？一般来说,用气量的年增长率为5~10％。是否考虑将来要用特殊的制造工艺和工具？
1）理想的做法是回转螺杆式压缩机和离心式压缩机所定的规格，应保证在调制和调节控制范围内正常工作。并且，力求使空压机的负荷气量在额定气量的70%以上工作，以求恒压和节能。
2）单作用风冷往复式空气压缩机所确定的规格，应保证在恒速控制系统的基础上有30~40％的卸载时间。
3）水冷往复空压机可连续工作，但在选规格时最好考虑有20~25％缓冲或卸载时间。
研究各种型号的空气压缩机的性能特点，估算动力成本，从而确定空压机的规格。
3-3．不同机型的空压机组合：
各种空气压缩机的特点及用途，前面的章节已阐述。对于同一个空气压缩站房内，应尽量使用相同的机型。但考虑老站房的改造，常发生不同机型的并联。此时必须按图中的方法连接。当遇到螺杆空压机同往复式空压机并联时，应按上图所示设置隔离阀、冷凝水的排放阀及管路上的安全阀。当两台螺杆空压机并联时，建议按下图所示联接。
螺杆式空压机同活塞式空压机并联
两台螺杆式空气压缩机并联
§ 4.储气罐容积的确定
储气罐用于储存压缩空气以满足瞬间气量的需求，平缓排气压力的脉冲，并减少压缩机的加载循环次数。
在一个典型的0.69MPa压缩空气系统中，经验公式是压缩机的每0.028m3气量应有0.003785m3的储气空间，参见下一页上的储气罐尺寸选择表。
某些使用场合在一个短时间内用气量很大。一般说来以此满气量来确定整个系统的尺寸是很不经济的，遇到这种间歇的峰值用气量，可通过适当尺寸的储气罐来解决。
为解决这类间歇用气高峰，所需储气罐的尺寸可按如下方法计算：
(Vs) 0.1MPa
Vr =—————————
?P
其中： Vr = 储气罐容积，单位 m3
Vs = 所需可用于储存自由空气的体积，单位 m3
?P = 储气罐工作压降，单位MPa(G)
例如：一台发动机气动启动器，在30秒内要用气25.5m3/min，伴随压力从0.83MPa(G)降到0.62MPa(G) 则： Vs=(25.5m3/min)? (0.5min ) = 12.75 m3
(12.75)× (0.1)
Vr = = 6.1m3 (所需贮气罐容积)
(0.83-0.62)
储气罐尺寸选择表
（各种压力下的自由空气立方米数）
§ 5.压缩空气管道系统
5-1．压缩空气管路常识
●使用足够尺寸的碳钢管，以便在整个气管上的压力损失不超过0.021Mpa。(使整个压缩空气管路
系统的压力损失保持在10%（从压缩机到最远端点）。排气管的直径应和压缩机排气口至少一样大。
●如需要调节控制，在排气管上安装一个旁通管。该旁通管也可用作连接备用空压机。
●在整个系统上可安装几个压力表用于监视。安装位置包括储气罐，分气包，气动工具，生产用
设置以及管路系统末梢。
●使用半径较大的弯头（R>3～5d），使用球阀或蝶阀。以减少管路上的压力降。
●压缩空气的管路每0.3 m需有6.35 mm的倾斜，并安装排放冷凝水用的水阀。
●压缩空气理想的系统为环形设计，以供气双向气流供给。也可采用树枝状管路。
●环形管路：各点的压力稳定，压差小，流速低，管路相对长，能量效率高。
●树枝状管路：各点压力相对稳定，它取决支管的用气。管路相对短，投资低些。
●从主气管上连出用气管时，应尽量靠近用气设备。分支管要从总管的上方接出。
●压缩空气管道通常使用碳钢管作为排气管。，也可使用黑铁、镀锌、铜或不锈钢管。但决不能使
用塑料管。
●连接管路中P>0.7MPa时，最好用法兰连接。
●需考虑漏气和厂房扩建的因素，以消除压缩空气系统的过时。
●主气管应该按照最大的供气量设计，包括满负荷生产以及厂房扩建计划。
5-2．压缩空气管路设计准则：
压缩空气的管道系统应满足用户对压缩空气的流量、压力及品质的要求，还应从可靠供气、节约能源、降低投资、方便维护等方面综合确定。具体有以下几方面原则：
1．从压力要求考虑：
当压缩空气系统有两种或者两种以上压力要求时，可按以下方式考虑：
a）管道系统按最高供气压力设计，部份的低压力供气可通过支管上装设降压装置来满足。
b）按用户的用气压力，结合车间或设备布置，划分几个压力等级，以不同压力的管道系统供气。
2．从空气品质要求考虑：
a）采用一个未经处理的压缩空气管道系统，对部分要求高品质的用气，通过支管道上增设后处理设备净化来满足。
b）在全厂设计成二个管道系统。一个为一般用气系统，另一个为净化空气系统。
3．从用气负荷特点考虑：
有的用气设备瞬时的最大用气量同平均用气量相差很大（如空气锤、喷丸等），为不影响其它设备的用气，一般采用专管供气或在这种用气附近增设储气罐来缓冲负荷。
4．从节约能源考虑：
a）当工厂同时使用几种不同压力压缩空气时，采用几种不同压力等级的空压机，组成不同的压力等级管线，能有效地节能，但会增加基建投资，所以应作经济比较后决定具体的供气方案。
b）据调查，有的工厂压缩空气管线的漏气可达20%，所以，当工厂内仅个别车间并且是某一阶段时间使用压缩空气时，可考虑单独就地供气，以减少较长管线的漏气。
5．从投资和维护考虑：
a）常见的树枝状管道系统，有利于节省投资。
b）以空气压缩站为中心的一级辐射管道系统，或中间分配站的二级辐射管道系统有利于压缩系统和设备的管理和维护。
6．从供气可靠性考虑：
a）环状管道系统能可靠地供气，又能保证各供气压力稳定。支管维修时不影响其它的支管道的供气。
b）当需要保证对所有用气点都不间断供气时，还可采用双树枝状管道系统。但此种系统比单树枝管道系统管材投资多一倍，因此只有在不允许停气的特殊情况下使用。
5-3．压缩空气管道的压力损失：
1．造成空气压降的原因及损失
在压缩空气系统中，压降是更多地消耗人力和财力的因素之一，如果系统压力降至气动工具和设备所需的工作压力以下，使用效率将迅速下降。
比如，许多气动工具的进气压力设计为0.62MPa到0.7MPa，压力下降10％会使气动工具的效率下降40％。换句话说，不管具体数值是多少，任何低于设计值的气压都会引起生产能力的下降。系统压力损失的最显著原因是压缩机太小，供气量不能满足用气量的要求；需要压缩空气的工具和设备太多；或泄露太多，气压损失最直接的原因是由于摩擦产生的管网压降。
众所周知，在花园里埋的水管越长，在喷嘴处的水压就越低。压缩空气同样如此。气压损失是由于压缩空气受到气管内壁的摩擦阻力造成的，管子直径越大，在气管中央集聚的空气越多，在管内的摩擦阻力就越小，气压降或气压损失和以下因素有关：气量；初始气压；管子类型；管子长度；系统中的阀门；接头和折弯的数量。
由于摩擦而引起的气压损失见附表，该表显示了初始压力为0.7MPa(G)，管长30.5m条件下的气压损失，该表有助于评估您的压缩空气系统。
以下是一些基本的原则，需要牢记：
●管道长度和直径一定的情况下，气压损失随气量的增加而增加。同样条件下，气压损失随初始
压力的下降而增加，随初始压力的升高而减少。
●管内壁的平滑可减少气压损失，管内壁的粗糙，可增加气压的损失。连接器、接头和阀门会增
加气压降。
●让我们来看一个例子：假设有一个85m3/min，0.7MPa的集中压缩气体源，并有五处用气量为
17m3/min（见图）计算管网压降。
管网气压降举例：
我们所关心的是管网的实际最大气流，而不是85m3/min，0.7MPa，实际最大气流和用气潜在需求有密切的关系，因此：
每根直径2英寸，长15.24m最大气量为17m3/min，的软管的气压降为10.3kPa。
右侧软管的最大气量是51m3/min（每根17m3/min），距离为152.4m，直径4英寸，管子上的整个压降为4.8kPa× 5=24kPa，因此，在用气端的估计压力为：
0．7Mpa (24kPa＋10.3kPa)=0.6657Mpa
2．气压降的控制：
许多工厂具有充足的压缩机气量和储气罐，但是不能保证用气设备的规定气压，造成该结果的两个原因是：系统布置不合理或管子的尺寸不合适，以上两种原因会导致用气端的气压降。
以下三个措施可减少用气端的气压降
◎缩短气流长度
◎减少摩阻
◎降低流速或流量
减少压力降的最有效的布置是环形系统，并且在中负载用气点旁，安装辅助的储气罐。环形系统对系统的任何点提供了双通道，从而砍掉了一半的有效路径。换言之，一个152.4m长的环形系统，最大的有效长度为76.2m，双通道又使流量减半，从而减少了由于流速而引起的气压降。流速和流量也因为在重负荷处装有储气罐而降低。如果由靠近用气点的储气罐供气，在总管上的流速相对不会增加很多。由于主要的负载由储气罐所吸收，这便减少整个系统的压降。当布置新的系统时，选
择合适尺寸的网管不会增加很多成本。在材料成本上的增加和整个项目的成本相比无足轻重。38.1mm 的管子比25.4mm的贵50％，但是在同样压降条件上可输出3倍的气量。
问题：28m3的空气在0.7MPa(G)的压力下流过直径为101.6mm的管子所产生的气压降是多少？图解法：
找出0.7MPa(G)的空气在28M3的交点然后沿斜线找到和101.6mm线的交点，垂直向下得出压降为每30.48m 1.55kPa(G)。
§ 6.典型的压缩空气系统布置
工厂的压缩空气系统只有一个功能：在需要的使用点上提供保质保量的压缩空气和符合要求的压力，以驱动气动工具和其他机械设备的运行。
工厂里的压缩空气一般由电机驱动的压缩机提供。并需花费一定的费用，设计，制造，安装整个压缩空气系统，不合理的压缩空气系统可能导致气压的损失，同时也意味着费用的损失。
每损失0.014MPa(G)的压力，就需要花整个功率的1%去补偿，因此，一个75Kw的压缩空气系统如果有0.14MPa(G)的压力损失，他就意味着10%(7.5Kw)的功率损失在空气系统上。
设计良好的压缩空气系统可避免不必要的压力的损失，压缩空气设备的位置和管路的尺寸对于一个良好的设计是很重要的因素，确保消耗的功率用于有用的压缩空气上。
当选择和安装空气系统时，你首先必须回答的问题之一是安装一个集中供气系统还是分散供气系统。
集中供气系统是由一台或多台空压机组成的集中供气源分配压缩空气至整个工厂，以满足整个生产的用气要求。一般这些压缩机和其它设施一样集中安装在电源房或空压机站房内。分散型空气系统可替代或结合集中型空气系统而使用，分散型系统是几台空压机分别安装于厂房内，几个关键的用气点上。
本手册不想分析数不清的、潜在的情况。而是想说明仔细的计划，有关压缩空气的知识的正确应用，压缩空气系统和压缩空气的正确处理，会对使用压缩机的工厂内的安装和运行带来巨大的经济效益。
以后的几页将给出典型的压缩空气系统流程图，以及压缩空气设备和后处理设备的安装图，这些资料将有助于对系统布置图的设计，以获得最良好的性能和最大的灵活性。你设计的系统布置图将按照如下的因素：尺寸、方位、实际的安装设备和使用情况来考虑。
以典型系统为样板将有助于你对具体系统的设计：