劉洋博，何興靈，李曉翠，陳 艷

（紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司昭通卷煙廠，云南 昭通 657000）

空壓機(jī)作為卷煙廠重要設(shè)備之一，可為卷煙生產(chǎn)設(shè)備提供壓縮空氣，是卷煙生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿υ粗?，適用于卷煙機(jī)、制絲機(jī)、包裝機(jī)等設(shè)備中，為上述設(shè)備的氣動(dòng)部件、工藝部件提供動(dòng)力空氣，是卷煙生產(chǎn)高效、可靠運(yùn)行的重要保障。

在工業(yè)生產(chǎn)階段，空壓機(jī)系統(tǒng)的耗電量在國(guó)內(nèi)總用電量中的占比達(dá)到9.41%，雖然壓縮空氣屬于清潔能源，但如果空壓機(jī)耗能嚴(yán)重，則同樣會(huì)影響節(jié)能效果。對(duì)此，應(yīng)采用多種評(píng)價(jià)方法，判斷空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率是否滿足要求，并對(duì)影響其運(yùn)行效率的因素進(jìn)行有效管控，及時(shí)發(fā)覺(jué)并消除設(shè)備故障，從而減少能耗，促進(jìn)系統(tǒng)能效提升。

1 空壓機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成要素

1）空壓機(jī)。在生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行中需要用到空壓機(jī)，將大氣吸入到內(nèi)部壓縮部件中，通過(guò)增壓方式產(chǎn)生大量高壓空氣，對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率產(chǎn)生較大影響。根據(jù)運(yùn)行原理的不同，可將空壓機(jī)分為兩種類型，即容積型空壓機(jī)與動(dòng)力型空壓機(jī)。應(yīng)用較為頻繁的螺桿式空壓機(jī)屬于前者，技術(shù)原理為陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子與星輪、配套機(jī)體構(gòu)成的容積變化，產(chǎn)生吸氣、壓縮、排氣的持續(xù)工作過(guò)程。在運(yùn)行效率評(píng)價(jià)方面，以比功率為評(píng)價(jià)依據(jù)，如果該項(xiàng)指標(biāo)較低，則說(shuō)明系統(tǒng)能效水平較高[1]。

2）干燥機(jī)和過(guò)濾機(jī)。該系統(tǒng)的后處理部分主要由干燥機(jī)和過(guò)濾機(jī)構(gòu)成，其作用在于剔除壓縮空氣內(nèi)的水、油等污染物。根據(jù)運(yùn)行原理不同，可將干燥機(jī)分成冷凍式干燥機(jī)、吸附式干燥機(jī)兩種形式，在運(yùn)行中會(huì)消耗一定量的壓縮空氣，冷凍式干燥機(jī)的消耗量為總處理量的12%~18%之間，吸附式干燥機(jī)的消耗量為總處理量的7%~10%之間，后者的消耗量低于前者，特別是在微熱再生吸附式干燥機(jī)應(yīng)用中，消耗量為最低，這是通過(guò)減少空壓機(jī)非必要做功來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3）壓縮空氣管路。系統(tǒng)內(nèi)各處壓縮空氣管路布置合理性以及連接點(diǎn)氣密性，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效率具有直接影響，還與壓縮空氣是否浪費(fèi)息息相關(guān)。如果壓縮空氣管路布局合理，且各處連接點(diǎn)密封牢靠，則會(huì)有效降低壓縮空氣的浪費(fèi)量，促進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行效率提升；如果出現(xiàn)壓縮空氣泄漏情況，則會(huì)降低系統(tǒng)壓力值，使企業(yè)被動(dòng)提高空壓機(jī)的排氣壓力，致使設(shè)備供氣量與實(shí)際需求不相符。但是，部分企業(yè)對(duì)壓縮空氣泄漏問(wèn)題的重視度不高，由此造成大量能源浪費(fèi)。據(jù)調(diào)查，當(dāng)供氣壓力為0.7 MPa時(shí)，直徑為1 mm的泄氣孔每年將會(huì)損失能源6 660 kWh，在無(wú)形中造成了資金浪費(fèi)。

2 空壓機(jī)運(yùn)行效率的評(píng)價(jià)方法

1）機(jī)型配置合理性評(píng)價(jià)。在空壓機(jī)系統(tǒng)配置中，機(jī)型選擇對(duì)系統(tǒng)能效具有直接影響：合理的機(jī)型可幫助系統(tǒng)能效提高到最大；反之，則會(huì)影響系統(tǒng)能效發(fā)揮，無(wú)法達(dá)成預(yù)期壓縮目標(biāo)。在機(jī)型選擇時(shí)，不但要優(yōu)先選擇比功率較低、節(jié)能性較強(qiáng)的空壓機(jī)，還應(yīng)確保額定產(chǎn)氣量配置合理。在生產(chǎn)階段，受多種因素影響，存在許多不確定性，容易使壓縮空氣需求量發(fā)生改變。例如，某企業(yè)共配置5臺(tái)空壓機(jī)，1號(hào)為變頻型空壓機(jī)，其他均為定頻型空壓機(jī)，各臺(tái)空壓機(jī)具體的比功率參數(shù)為：1號(hào)為79 m3·min-1；2號(hào)和3號(hào)均為60 m3·min-1；4號(hào)為50 m3·min-1；5號(hào)為30 m3·min-1。在此條件下，如果需求量位于20~40 m3·min-1范圍內(nèi)，則其中某臺(tái)空壓機(jī)的運(yùn)行效率便會(huì)降低。因此，最好配置1臺(tái)10 m3·min-1和2臺(tái)15 m3·min-1的空氣壓縮設(shè)備，其中1臺(tái)15 m3·min-1的空氣壓縮設(shè)備為變頻型空壓機(jī)，適用于多個(gè)供氣范圍。以螺桿空壓機(jī)為例，變頻器在永磁電動(dòng)機(jī)作用下可起到強(qiáng)大的節(jié)能效果，與常規(guī)型號(hào)相比節(jié)能超過(guò)30%，適用于企業(yè)生產(chǎn)階段多種工況下的壓縮空氣需求[2]。

2）運(yùn)行效率的綜合性評(píng)價(jià)?？諌簷C(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在運(yùn)行效率評(píng)價(jià)中，不但要對(duì)核心設(shè)備單獨(dú)分析評(píng)價(jià)，還要進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)。由于每個(gè)構(gòu)件對(duì)系統(tǒng)能效產(chǎn)生的影響程度不同，因此可利用權(quán)重計(jì)算法進(jìn)行綜合測(cè)評(píng)，首先要明確評(píng)價(jià)內(nèi)容與標(biāo)準(zhǔn)，其次為每項(xiàng)內(nèi)容賦予相應(yīng)的分值和權(quán)重，最后根據(jù)得分情況對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行能力進(jìn)行正確判斷，具體見(jiàn)表1。根據(jù)總分值情況進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，如果總分值超過(guò)80分，則說(shuō)明系統(tǒng)能效較高；如果總分值在60~80分之間，則說(shuō)明系統(tǒng)能效一般；如果總分值低于60分，則說(shuō)明系統(tǒng)能效較低。

3）系統(tǒng)管理評(píng)價(jià)。通過(guò)科學(xué)高效的管理，能夠使空壓機(jī)系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定、高效運(yùn)行，對(duì)于大多數(shù)企業(yè)而言，空壓機(jī)比功率較低、故障較少便可稱為高能效，這種說(shuō)法實(shí)則有些片面。在系統(tǒng)全生命周期運(yùn)行中，初始投資費(fèi)用僅為總費(fèi)用的10%，后期的運(yùn)行與維護(hù)投資費(fèi)用占總費(fèi)用的90%，這意味著系統(tǒng)運(yùn)維管理效果才是系統(tǒng)能效的主要評(píng)價(jià)依據(jù)。在實(shí)際管理中，不但要定期養(yǎng)護(hù)，還要詳細(xì)記錄系統(tǒng)使用期間產(chǎn)生的耗電量、產(chǎn)氣量、管網(wǎng)壓力波動(dòng)情況、泄露情況等，將其與空壓機(jī)系統(tǒng)中的氣電比進(jìn)行對(duì)比分析，采用同比、環(huán)比等多種方式，探究空壓機(jī)系統(tǒng)使用中能耗發(fā)生的改變，可及時(shí)掌握能耗異常情況，進(jìn)而明確系統(tǒng)能效的影響因素與成因[3]。

4）系統(tǒng)運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)。先在空壓機(jī)上設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要設(shè)置在電機(jī)、空壓機(jī)主機(jī)上，將各點(diǎn)位的振動(dòng)烈度與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，得出不同點(diǎn)位的線性可靠度，對(duì)于線性可靠度較低的區(qū)域，實(shí)施歸一化小波信息熵處理，并與頻譜相結(jié)合，與正常情況下同樣點(diǎn)位進(jìn)行對(duì)比，得到空壓機(jī)的系統(tǒng)運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)結(jié)果。本研究以振動(dòng)速度信號(hào)有效值為特征，將線性可靠度與歸一化小波信息熵算法相結(jié)合，判斷系統(tǒng)運(yùn)行效率是否退化。

一是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)。以某車間的螺桿式空壓機(jī)為例，在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)期間，發(fā)現(xiàn)5號(hào)設(shè)備的振動(dòng)較大，剩余設(shè)備均無(wú)異常。對(duì)5號(hào)空壓機(jī)的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，利用DH5901采集儀獲取數(shù)據(jù)信息，并用MATLAB軟件進(jìn)行故障診斷，在單通道下進(jìn)行采樣，頻率為2 560 Hz，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為4 096，靈敏度為20 mV/G。在5號(hào)空壓機(jī)上布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，均采用Vibration技術(shù)進(jìn)行振動(dòng)烈度監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置、方向、振動(dòng)烈度見(jiàn)表2。根據(jù)表2可知，主機(jī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)烈度相對(duì)較大。

表2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果

二是線性可靠度。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)后，得出5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)烈度值，為了使該項(xiàng)指標(biāo)擁有可靠度數(shù)值依據(jù)，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2372《設(shè)備振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)振動(dòng)烈度值進(jìn)行分段處理，與[0，1]可靠度范圍相對(duì)應(yīng)，共分成4種類型，具體如下。第一類：功率低于15 kW，在常規(guī)情況下，可與整機(jī)相連的發(fā)動(dòng)機(jī)。第二類：功率在15~75 kW范圍內(nèi)，帶有專用尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)與中等尺寸機(jī)器。第三類：功率超過(guò)300 kW，采用剛性連接的大型原動(dòng)機(jī)。第四類：功率超過(guò)300 kW，采用柔性連接的大型原動(dòng)機(jī)。

在監(jiān)測(cè)點(diǎn)線性可靠度指標(biāo)R（x）的分析中，如果該指標(biāo)超過(guò)0.9，則意味著振動(dòng)狀況良好；如果該指標(biāo)在0.7~0.9之間，則意味著振動(dòng)良好；如果該指標(biāo)在0.5~0.7之間，則意味著振動(dòng)中等，但有劣化的概率，應(yīng)該密切監(jiān)測(cè)；如果該指標(biāo)低于0.5，則意味著設(shè)備正處于故障狀態(tài)，且情況危急，隨時(shí)有失效的危險(xiǎn)，需要立即停機(jī)整修。在系統(tǒng)運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)中，線性可靠度指標(biāo)R（x）的計(jì)算公式為

式中：x為不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)烈度值；x1為第一類設(shè)備的烈度值；x2為第二類設(shè)備的烈度值；x3為第三類設(shè)備的烈度值；x4為第四類設(shè)備的烈度值。評(píng)價(jià)對(duì)象的銘牌中標(biāo)記，額定功率為300 kW，屬于第三類設(shè)備，將其數(shù)值代入式（1）中，可對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的線性可靠度指標(biāo)R（x）進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表3。發(fā)現(xiàn)主機(jī)內(nèi)部存在明顯積炭情況，但陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子未有明顯的磨損，初步判斷是過(guò)濾器受損所致。在內(nèi)腔清理干凈后，整體運(yùn)行噪音明顯降低，相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)值也有所改善。在檢修后，對(duì)3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行小波包3層分解，獲取8個(gè)頻帶相對(duì)能量分布情況；與檢修前相比，發(fā)現(xiàn)相對(duì)能量匯集到第一個(gè)頻帶上，意味著空壓機(jī)系統(tǒng)此時(shí)運(yùn)行狀態(tài)較為單一，見(jiàn)表4。經(jīng)過(guò)檢修后的信息熵值、可靠度均接近標(biāo)準(zhǔn)值，意味著空壓機(jī)系統(tǒng)此時(shí)運(yùn)行狀態(tài)良好。

表3 評(píng)價(jià)對(duì)象各監(jiān)測(cè)點(diǎn)線性可靠度

表4 檢修前后3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)指標(biāo)對(duì)比

根據(jù)表3內(nèi)容可知，該空壓機(jī)中電機(jī)位置沒(méi)有明顯的異常，但主機(jī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)顯示設(shè)備運(yùn)行情況為“中等，具有惡化可能，應(yīng)及時(shí)尋找振動(dòng)過(guò)高的原因”，值得強(qiáng)調(diào)的是，本研究根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2372《設(shè)備振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行線性可靠度評(píng)價(jià)，不同振動(dòng)等級(jí)的點(diǎn)位區(qū)間屬于線性函數(shù)，適用于烈度值在0~1之間的可靠度評(píng)價(jià)，且為定量評(píng)價(jià)。要想獲得更為準(zhǔn)確的可靠度，則需要利用歸一化小波信息熵，并與頻譜分析相結(jié)合，對(duì)空壓機(jī)振動(dòng)過(guò)大的成因進(jìn)行深入剖析[4]。

三是歸一化小波信息熵與可靠度。指標(biāo)公式為

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行期間，為了避免造成不必要的能源資源浪費(fèi)，除了優(yōu)先選擇比功率較低的機(jī)組之外，還應(yīng)注重各組成部分對(duì)系統(tǒng)整體能效產(chǎn)生的影響。對(duì)此，應(yīng)開(kāi)展機(jī)型選擇、系統(tǒng)管理、系統(tǒng)運(yùn)行可靠性等一系列評(píng)價(jià)工作，明確評(píng)價(jià)內(nèi)容、標(biāo)準(zhǔn)與權(quán)重分配，并根據(jù)得分情況，使系統(tǒng)能效得到客觀準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，取得理想的應(yīng)用效果。

式中：S為歸一化小波信息熵；Eli為相對(duì)能量。在頻帶中相對(duì)能量均一致的情況下，S取值為1；如果頻帶能量相對(duì)集中，則意味著某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)狀態(tài)單一，此時(shí)S取值為0。在被測(cè)對(duì)象處于故障狀態(tài)時(shí)，頻帶內(nèi)相對(duì)能量處于分散狀態(tài)，S取值接近于1，則該設(shè)備的可靠度接近于0，意味著系統(tǒng)運(yùn)行可靠性較低。由技術(shù)人員將故障設(shè)備拆機(jī)后，