工业空压站运行能效实时监测与评估系统的制作方法

本发明涉及一种工业空压站的监测系统，尤其是一种工业空压站运行能效现场监测与评估系统。

背景技术：

工业空压站在工业领域有着重要而广泛的应用，当前，工业空压站绝大部分由多台箱装式喷油螺杆空压机组成。螺杆式空压机运行能耗约占全国总用电量的5%左右，螺杆式空压机运行效率普遍偏低，空压机运行能效的正确评估和高效运行是当务之急。

当前，工业空压站作为企业的主要耗能设备之一，其运行能效监测已引起广泛地重视，通常已设置总电表和总流量计对空压站的整体运行状态进行现场人工监测，主要作用是保证企业用气和定期统计空压站的总用电量，缺乏对每台压缩机运行状态的实时、全面监测和运行能效水平的评估，无法准确地反映出空压站的运行能效状态和节能运行潜力。绝大部分的空压站运行监测仪器没有与企业整体生产系统的运行能效平台相联接。

根据国标GB19153《容积式空气压缩机能效限定值及能效等级》的规定，空压机机组输入比功率，即空压机组输入功率与实际容积流量之比，是确定空压机产品能效等级的依据，但对于空气压缩机现场运行能效状态的评估缺乏合理的评判准则。

空压机实际容积流量是空压机重要的性能参数，空压机运行过程中现场流量的准确、快速测量是实现空压机运行能效实时评估不可或缺的重要基础。

工业空压站中，若干台空压机出口管道并联后，通过一个共用的稳压气罐向用气端供气，为了保证用气现场的压力稳定，通常在用气现场再设置一个稳压气罐。目前，空压机流量测量装置均需安装在稳压罐下游管道上，现场安装过程复杂，并且多数需要中断空压机的工作。由于工业空压站作为整个企业动力和工艺用空气源，基本上处于常年运行状态，尤其是参与生产工艺过程的空压机是禁止随意中断工作的，所以，停机安装测量仪器是十分困难的。

空压站由多台空压机并联组成时，受到现场安装条件的限制，很难实现对其中每台空压机的流量均进行单独测量，单台空压机的运行能效无法评估，进而会影响对整个空压站运行能效的正确评估。

根据GB/T 15487《容积式压缩机流量测量方法》规定，空压机流量测量可以采用孔板法、ASME喷嘴法，也可采用流量计法。其中，ASME喷嘴法多用于空压机的出厂试验，对于无法进行向大气排空的空压机现场运行环境，该测量方法并不可取；对于运行工况变化范围较宽的工业空压站，孔板流量计受到量程比较小的限制，很难满足所有工况下的测量要求；热式流量计随着使用时间增长，测量部分老化，测量精度会有所下降；压缩空气系统的气流脉动以及现场的其它振动源会引起管道振动，导致涡街流量计测量精度下降。

根据国标GB19153的规定，空压机运行能效评估中的重要参数之一“实际容积流量”的测试中，需要将采用空压机出口流量检测方法所测得的流量值换算到标准吸气状态所对应的容积流量。当被压缩空气的湿度大、空压机排气压力较高、排气温度较低时，压缩过程中析出的冷凝水相对较多，在吸气口与出口流量测量点之间的一些部件（如分离器、中冷器、后冷器、储气罐等）中析出的冷凝液需要进行收集测量，并且要将冷凝液带出的少量喷油分离掉，再以此对容积流量进行修正。整个测算过程繁杂，适用于实验室环境的出厂试验，而应用于现场测量时，实时性难以保证。

喷油螺杆式空压机排气中含有少量的油，对空压机实际容积流量的测量精度会产生影响。

空压机进气状态参数，尤其是进气压力、进气温度等参数的变化对空压机的排气量、排气压力、压缩功率、运行效率等产生较大的影响。箱装式空压机箱体内的电动机、油气桶等散热设备不断产生的热量，会使压缩机的进气温度升高；箱体上的进风口多类似于百叶窗形的结构，进气在进风口会产生节流损失，空气进入箱体内后，基本处于无组织的流动状态，进气流动损失进一步增大；进气温度的上升和进气压力的下降会直接导致进气量下降，压缩功上升。

据统计，工业用压缩空气系统的泄漏量经常会占到系统产气量的20%-30%，在造成了能源浪费的同时，泄漏导致的压缩系统压力下降，会使气动工具低效率工作和驱动设备更频繁的运行，必然引起压缩机运行时间的增加和压缩机使用寿命的缩短。压缩空气系统普遍的泄漏现象主要是由于缺乏有效监测造成的。

电动机是当前空气压缩机最主要的驱动动力，在空气压缩机产品能效等级标准中，并未对电动机的能效等级单独做出评定。当前，国家正在电机系统中大力推广高效电动机的应用，螺杆式空压机运行能耗占全国电机系统用电量的8%以上，作为螺杆式空气压缩机主要动力源的电动机，其能效等级是螺杆式空气压缩机运行能效监测中的关键指标。

技术实现要素：

本发明的目的是改善工业企业中的空压站长期以来缺乏完善的运行能效监测与评估系统的现状，建立合理、准确、可实施性强的空压机现场运行监测与能效评估体系。

本发明为了实现上述目的，采用的技术方案是：一种工业空压站运行能效实时监测与评估系统，包括工业空压站运行能效监测系统和运行能效评估系统，所述工业空压站运行能效监测系统由进口流量测量装置、输入功率测量装置、压缩空气泄漏监测装置、空气压缩机运行状态监测装置组成，每台空气压缩机的进气端设置进口流量测量装置，用于完成空压站压缩空气流量测量，每台空气压缩机机组设有输入功率测量装置，用于直接测量单台空压机机组的输入电压和电流值，进而计算出空压机的运行功耗；所述压缩空气泄漏监测装置通过压力传感器采集工业空压站的压缩空气系统各分段上的压差值来监测各分段上的压缩空气泄漏情况；所述空气压缩机运行状态监测装置连接每台空气压缩机机组的驱动电动机，用于采集每台空压机的驱动电动机的电流值，以及变频式压缩机频率设定的电压值；工业空压站运行能效评估系统连接工业空压站运行能效监测系统，用于空压站运行能效水平的准确评估。

所述流量测量装置包括流量测量管以及相应的气体压力传感器、大气温度和湿度传感器；所述流量测量管具有锥形或流线形进口段、设置于测量管中的整流栅段、连接锥形进口段与整流栅段之间的直管段；设置于流体测量管道下游的弯管；以及弯管与空气压缩机进气口之间连接的软管。

所述压缩空气泄漏监测装置由定点的压力传感器和泄漏扫描枪组成，所述压力传感器分别设置在空压站气体输出端气罐、冷干机前后、气端现场气罐上；所述泄漏扫描枪用于进一步查明具体泄漏点。

所述工业空压站运行能效评估系统具有运行能效超标报警模块、空压机运行节能潜力评估模块、空气压缩机的驱动电动机能效等级的判定模块。

所述流量测量管的锥形进口段还设有测量锥形上游空间截面的当地大气压力测量装置，流量测量管的锥形进口段喉部设有压力测量装置；所述软管为橡胶软管，橡胶软管与螺杆式空压机进口、整流栅后部的弯管段的连接方式采用喉箍连接。

本发明的有益效果是：

本发明针对工业空压站的现场运行特点，建立了合理而完善的工业空压站现场运行能效评价体系，对当前工业空压站运行能效的提高具有重要的现实意义。

本发明在进行空压站运行能效评价值“输入比功率”的测算中，采用了空压机进气端流量测量方案，该测量装置安装便捷，不影响压缩机组的正常工作，可在压缩机组正常工作过程中完成流量测量装置的安装与测量；流量测量管安装在箱装式空压机的标准吸气位置，在忽略了允许的误差情况下，所测得的流量值可直接用于“输入比功率”的计算，作为能效等级评判的依据；本发明的进气测量管将箱体内部的冷、热空气流分开，使进气测量管在完成流量测量任务的同时，使空压机的进气阻力损耗减小，进气温度下降，运行能效水平有所提高，可以作为一种空压机的标准运行能效提升装置加以推广。

针对压缩空气系统中普遍存在的泄漏问题，本发明在充分发挥压缩空气系统常规设置的压力测量仪表的基础上，通过压缩空气系统中流动阻力压降值的合理性判别，实时检测泄漏状况，并使用泄漏扫描枪，完成泄漏点的定位。以“压差判断法”为基础的泄漏监测系统具有简单、实用、快速、准确的显著优点，实现了泄漏现象检查无盲区，可以有效杜绝压缩空气系统中的泄漏严重现象。

本发明的能效评估系统以常用排气背压下输入比功率的能效等级值作为评判依据，不仅给出了空压机运行能效水平的合理判定标准，而且使空压机的节能运行潜力一目了然。另外，超标报警功能会提醒使用者及时对压缩空气系统进行检修。同样，驱动电动机的能效等级会给出空气压缩机高效电机替换的依据。

本发明解决了当前工业空压站运行状态监测和运行能效评估中存在的主要问题，如缺少工业空压站实际运行能效的合理的评估准则，空压机节能运行的潜力无法准确估计；缺乏方便、快捷、可不停机安装的流量测量设备；缺少有效的压缩空气系统泄漏状况实时监测装置等，提出了全面而合理的工业空压站运行能效评估方法，具有重要的现实意义。

附图说明

图1为本发明的空压机进口流量测量装置的结构示意图；

图2为本发明的空压机进口流量测量装置中整流栅的径向截面图；

图3为进气端流量测量装置安装示意图；

图4为压缩空气系统泄漏监测装置中传感器安装位置示意图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明所涉及的工业空压站运行能效实时监测与评估系统进行详细阐述。

如图1至图4所示，一种工业空压站运行能效实时监测与评估系统，由两部分组成，其中，运行能效监测系统主要对空压机的运行状态进行实时监测，运行能效评估系统主要对空压站运行能效水平进行准确评估。

工业空压站运行能效监测系统由进口流量测量装置、输入功率测量装置、压缩空气泄漏监测装置、空气压缩机运行状态监测装置组成，每台空气压缩机的进气端设置进口流量测量装置，用于完成空压站压缩空气流量测量，每台空气压缩机机组设有输入功率测量装置，用于直接测量单台空压机机组的输入电压和电流值，进而计算出空压机的运行功耗；压缩空气泄漏监测装置通过压力传感器采集工业空压站的压缩空气系统各分段上的压差值来监测各分段上的压缩空气泄漏情况；空气压缩机运行状态监测装置连接每台空气压缩机机组的驱动电动机，用于采集每台空压机的驱动电动机的电流值，以及变频式压缩机频率设定的电压值；工业空压站运行能效评估系统连接工业空压站运行能效监测系统，用于空压站运行能效水平的准确评估。

运行能效监测系统主要完成空压站压缩空气流量测量、空压机输入功率测量、压缩空气系统泄漏状况监测、空压站主要运行参数监测等功能。运行能效监测系统主要对空压机的运行能效状态进行实时监测，运行能效评估系统主要对空压站运行的能效水平进行准确评估。

本发明设置了作为工业空压站最主要驱动源的电动机的能效等级的判定功能。

进气流量测量装置安装于环境大气进入压缩机箱体的位置，是GB/T3853《容积式压缩机验收试验》标准中规定的箱装式压缩机的标准吸气位置，所测得的气体流量是处于标准中规定的“标准吸气状态”的流量值，省却了通常压缩机出口流量测量值换算至“标准吸气状态”的繁杂过程，克服了运行现场凝结水测量的困难，如果忽略空压机进出口之间由于密封或制造工艺等原因可能产生的微量泄漏，以及压缩机出气中的很少量喷油，所测得的流量数据可以直接用于标准中规定的衡量空气压缩机运行能效的“输入比功率”的计算。

本发明提出的空压机进气端流量测量方案，完全可以在空压机不停机的情况下，实现流量测量装置的安装，以及流量的准确测量；同时，通过进气测量管巧妙地将箱体内部的冷、热空气流分开，互不干扰，达到了提高压缩机进气量和降低压缩功耗的目的。

本发明针对工业空压站系统中较为普遍存在的泄漏现象，采用“压差判断法”，并辅以泄漏扫描枪巡检，对压缩空气系统中的泄漏现象进行“线”、“点”结合的较为完善的监测。通过采集压缩空气系统各分段上（如油气桶与空压站稳压气罐之间、稳压气罐与过滤冷干组件之间、过滤冷干组件进出口之间、冷干机与现场稳压气罐之间等）的压差值，并与正常压差值相比较，初步判断出发生泄漏的管段，进而使用泄漏扫描枪进一步查明具体泄漏点。

本发明的输入功率测量装置直接测量了单台空压机机组的输入功率。

本发明的空压机运行状态监测主要采集了空压机驱动电动机的电流值，以及变频式压缩机频率设定的电压值。

针对当前空压站运行能效缺乏合理的评价标准，无法实时监测空压机运行能效现状的情况，本发明按照GB/T19153中关于箱装式喷油螺杆空气压缩机产品能效等级的评价体系，在长期试验研究成果的基础上，参考行业内空压机主要系列产品的性能参数，建立了空气压缩机运行能效等级参数数据库，将国标GB/T19153中一般用喷油螺杆空气压缩机产品能效标准中的0.7MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.25MPa的额定排气压力范围，进一步细化和扩大为0.4MPa、0.45MPa、0.5MPa、0.55MPa、0.6MPa、0.65MPa、 0.7MPa、0.75MPa、0.8MPa、0.85MPa、0.9MPa、0.95MPa、1.0MPa、1.05MPa、1.1MPa、1.15MPa、1.2MPa、1.25MPa、1.3MPa，并确定了各个排气背压条件下作为能效等级标准的输入比功率值，以及作为运行能效超标报警的输入比功率值，使用户可以方便地在不同实际运行排气背压下，与相应的作为能效等级的输入比功率值进行比对，得出与理想运行工况参数之间的差距，既明确了压缩机运行的能效水平，又可以判断出空压机运行的节能空间，并对超出限定值的运行工况进行报警。

进口流量测量装置安装于箱装式空压机箱体与压缩机吸气口之间，如图3中部件11所示。按照空压机进气的流动方向，进口流量测量装置的组成部分（见图1）分别为：前段的锥形口段，用以减小进气流动损失、测量管中的整流段，用以提高压力测量精度、流体测量管下游的弯管5、弯管5与空压机进口之间通过软管7和喉箍6软连接。图3中：11是进口流量测量装置、12是进气阀、13电机、14是主机、15是分离油罐、16是排污球阀、17是油过滤器、18是最小压力阀、19是空气冷却器、20是油冷却器、21是风扇、22是球阀。

进口流量测量装置前段的锥形口段的具体结构如图1所示，包括：锥形口1，其口径沿空气流动方向逐渐减小；设置于锥形口1上游截面A-A的第一压力（即当地大气压力）、温度、湿度测量装置；设置于锥形口喉部B-B上的第二压力测量点2。设置于流体测量管道中的整流管段，包括：整流栅段；连接锥形进口与整流栅之间的直管段4，其整流栅形式采用方格式整流栅3（该装置根据空压机的实际运行工况备选）。流量测量管中的整流段具体结构如图2所示，整流栅形式采用方格式整流栅。

空压机进口流量的测算步骤按照GB/T1236《工业通风机 用标准化风道进行性能试验》中的相关规定和步骤进行。

本发明针对于压缩空气系统泄漏的监测，采用压差判断法，并辅以泄漏扫描枪。压差判断所需压力传感器的布置如图4所示，图4中：31为空压机、32为空压站稳压气罐、33为过滤器、34为冷冻式干燥机、35为现场稳压气罐、P₁-P₅为压力测点。位于油气桶、空压站稳压气罐32、过滤冷干组件前后、现场稳压气罐35处的压力传感器实时采集各种工况下的压力值，压力值两两相减得到压差值，然后与各管段的正常压差值相比，以此判断两个传感器之间的管段是否有泄漏现象发生。其中，过滤器33和冷冻式干燥机35的正常压差值以产品说明书中规定的最大压差值为准，无泄漏管道流动的正常压差值通过流动阻力计算得到。然后将压力传感器的测量压差值与正常压差值进行比较，如果测量值不同于正常值，则判定该两传感器之间的管段存在泄漏现象，进而使用泄漏扫描枪进一步查明具体泄漏点。

本发明的输入功率测量装置直接测量了单台空压机机组的输入电压和电流值，进而计算出空压机的运行功耗。

本发明的空压机运行状态监测装置采集了空压机驱动电动机的电流值，并以此判断空压机的运行工况，启动工况电流值为额定电流的2-7倍（视启动方式而定），加载运行工况的电流值一般为卸载电流值的2-3倍。对于变频式压缩机，通过监测驱动电动机电流的频率，判断空压机的负载变化情况。

本发明在进行空压机运行能效等级评估时，首先，按照空压机驱动电动机的功率大小，判断其处于7.5kW至315kW之间、小于7.5kW、大于315kW三个区间中的哪一个。如果处于小于7.5kW的区域，则空气压缩机只有空冷方式，然后可以根据实际运行的排气压力，在数据库查找各能效等级所对应的输入比功率值，如果实际运行的排气压力与数据库已有的额定排气压力之间有所偏差，可采取线性插值的方法得到能效等级的规定值，然后再将实际运行的输入比功率值与之进行比较。如果实际运行输入比功率值超出3级能效所规定的输入比功率值，即发出运行能效超标报警；如果实际运行能效值没有超标，可以进一步确定实际运行能效处于1、2、T、3级中的哪一级，进而判断出每台空压机的运行能效水平，以及存在的节能潜力的大小。如果驱动电动机功率处于大于315kW的区域，则空气压缩机只有水冷方式，运行能效等级的具体确定步骤与空冷式相同。如果驱动电动机功率处于7.5kW至315kW之间，则应首先判断空气压缩机的冷却方式为水冷式还是风冷式，然后再按照该种冷却方式所对应的能效等级规定值进行判断。

在进行电动机能效等级判断时，首先要看电动机属于三相异步电动机还是永磁同步电动机，如果是三相异步电动机，能效等级判定标准为GB18613《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》，输入电动机功率和极数，查找1、2、3级能效所对应的电动机效率值，并与所使用的空气压缩机的效率相比较，确定出电动机的能效等级。如果驱动电动机是永磁同步电动机，能效等级的判定标准为GB30253《永磁同步电动机能效限定值及能效等级》，分为异步起动三相永磁同步电动机和变频驱动永磁同步电动机两种，异步起动三相永磁同步电动机根据电动机的功率和极数查找相应能效等级数据，变频驱动永磁同步电动机根据电机功率和额定转速查找相应能效等级数据，进而判断出电机的能效等级。