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煉鋼廠的壓縮空氣系統(tǒng)

壓縮空氣是在壓力下保持的空氣，其值大于大氣壓力（1.03公斤/平方厘米）。它是一種攜帶勢(shì)能的介質(zhì)。

壓縮空氣在鋼鐵廠是一種廣泛使用的工具。它是儀器空氣的一個(gè)重要來(lái)源。除了完全干燥和沒(méi)有污染物的儀表空氣外，壓縮空氣在鋼鐵廠有以下三種主要用途。

用于高爐的高爐空氣

用于空分廠的氧氣、氮?dú)夂蜌鍤獾纳a(chǎn)

一種具有多種用途的實(shí)用氣體。其中最主要的是氣動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行。

通常情況下，高爐的冷風(fēng)由渦輪鼓風(fēng)機(jī)或電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)提供。在空分廠，有專門的壓縮機(jī)生產(chǎn)空分廠所需規(guī)格的壓縮空氣，用于生產(chǎn)氧氣、氮?dú)夂蜌鍤?。在壓縮空氣被用作公用氣體的情況下，鋼鐵廠通常有一個(gè)集中的壓縮空氣系統(tǒng)或/和局部壓縮空氣系統(tǒng)。

如果以每單位能量的交付為基礎(chǔ)進(jìn)行評(píng)估，壓縮空氣是一種昂貴的公用事業(yè)。使用壓縮空氣的優(yōu)點(diǎn)是，它可以很輕松地儲(chǔ)存在空氣接收器中，并且可以在短暫的需求高峰期隨時(shí)使用。

將電力轉(zhuǎn)換為壓縮空氣的效率低下，而且壓縮空氣的分配也有線路損失。盡管這類系統(tǒng)的總能耗通常較小，但由于其效率非常低，壓縮空氣系統(tǒng)是鋼鐵廠中最昂貴的能源。典型的壓縮空氣系統(tǒng)的能源效率約為12%至15%。 各種措施可以幫助壓縮空氣系統(tǒng)以最佳效果運(yùn)行，并減少其能源消耗和成本。

鋼鐵廠的很多生產(chǎn)設(shè)備是由氣缸驅(qū)動(dòng)的。這些設(shè)備包括自動(dòng)進(jìn)料設(shè)備、卡盤、夾具、壓力機(jī)、間歇性運(yùn)動(dòng)設(shè)備（包括往復(fù)式和旋轉(zhuǎn)式）以及很多其他設(shè)備。這類設(shè)備通常具有較低的空氣消耗量。 壓縮空氣操作的工具和設(shè)備通常被稱為氣動(dòng)設(shè)備。氣動(dòng)設(shè)備具有較高的輸出與重量比。它們使用空氣馬達(dá)，比電動(dòng)或液壓馬達(dá)更小、更輕，為操作員提供更好的人體工程學(xué)。它們是艱難應(yīng)用的理想選擇，特別是在高溫、骯臟的環(huán)境和頻繁的過(guò)載領(lǐng)域。雖然氣動(dòng)設(shè)備確實(shí)需要定期維護(hù)以保持其最高效率，但它們?cè)谏鲜鰲l件下是非常可靠的，幾乎是堅(jiān)不可摧的。

用于氣動(dòng)設(shè)備的氣缸一般都有一個(gè)軟功能。當(dāng)負(fù)載超過(guò)極限時(shí)，氣動(dòng)設(shè)備只是停止工作，而當(dāng)電動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)備過(guò)載時(shí)，既會(huì)對(duì)設(shè)備造成損害，也可能會(huì)傷害到操作者。

壓縮空氣系統(tǒng)由以下三個(gè)主要子系統(tǒng)組成。(圖1)

帶驅(qū)動(dòng)和控制的壓縮機(jī)，中間冷卻，壓縮機(jī)冷卻，余熱回收，以及進(jìn)氣口過(guò)濾。

調(diào)節(jié)和儲(chǔ)存設(shè)備，包括后冷卻器、接收器、分離器、捕集器、過(guò)濾器和空氣干燥器

壓縮空氣分配子系統(tǒng)，包括主線、通往特定用戶的支線、閥門、額外的過(guò)濾器和捕集器、空氣軟管、可能的補(bǔ)充壓縮空氣調(diào)節(jié)設(shè)備、連接器，通常還有壓力調(diào)節(jié)器和潤(rùn)滑器。

圖1 壓縮空氣系統(tǒng)的組成

壓縮空氣的生產(chǎn)

壓縮空氣可以通過(guò)以下兩個(gè)過(guò)程產(chǎn)生。

動(dòng)態(tài)壓縮，即把空氣的速度轉(zhuǎn)化為壓力。動(dòng)態(tài)機(jī)器使用軸向和離心式葉輪向空氣傳授速度，然后將其轉(zhuǎn)換為壓力。離心式和軸流式壓縮機(jī)是動(dòng)態(tài)機(jī)器，通常以高速運(yùn)行。

排量式壓縮，包括減少空氣體積。正排量機(jī)器使用往復(fù)式活塞、旋轉(zhuǎn)螺桿或葉片類型來(lái)產(chǎn)生空氣壓縮。螺桿式、往復(fù)式和葉片式壓縮機(jī)是正排量機(jī)器。

空氣壓縮機(jī)的額定容量通常是以 "自由空氣 "為單位，即在壓力、溫度和相對(duì)濕度的空氣氛圍下，而不是在需要操作的氣動(dòng)設(shè)備的壓力、溫度和相對(duì)濕度下。在空氣壓縮機(jī)的出口處，空氣溫度通常約為120攝氏度至130攝氏度。大多數(shù)現(xiàn)代空氣壓縮機(jī)都有一個(gè)后冷卻器，位于壓縮機(jī)后面，作為標(biāo)準(zhǔn)配件，執(zhí)行去除水和一些油蒸汽的功能。

空氣壓縮機(jī)有單級(jí)或多級(jí)壓縮的形式。當(dāng)排放壓力等于或超過(guò)6公斤/平方厘米時(shí)，通常會(huì)采用多級(jí)壓縮。多級(jí)壓縮機(jī)提供了能源效率，因?yàn)榭諝庠趬嚎s階段之間被冷卻，水分通過(guò)冷卻被去除。

大多數(shù)壓縮機(jī)是由管路壓力控制的。通常情況下，壓力的下降預(yù)示著需求的增加，這將通過(guò)增加壓縮機(jī)的輸出來(lái)糾正。壓力上升，表明需求下降，導(dǎo)致壓縮機(jī)輸出減少。

鋼鐵廠的壓縮空氣總供應(yīng)量可由單臺(tái)壓縮機(jī)或多臺(tái)壓縮機(jī)安裝提供，這些壓縮機(jī)可以是集中式的或分散式的。單臺(tái)壓縮機(jī)設(shè)備最適合于較小的系統(tǒng)或幾乎完全以全輸出方式運(yùn)行的系統(tǒng)。

多臺(tái)壓縮機(jī)的安裝有很多優(yōu)點(diǎn)，其中包括：（i）應(yīng)用的靈活性（能夠有效地適應(yīng)需求的變化），（ii）維護(hù)的靈活性，（iii）可以選擇集中或分散的操作，（iv）建筑面積的靈活性，以及（v）備份能力。

因?yàn)樵诙鄩嚎s機(jī)系統(tǒng)中，并非所有的壓縮機(jī)都能一直保持在線，所以任何時(shí)候的實(shí)際供氣量都可能低于系統(tǒng)總?cè)萘?。在額外的壓縮機(jī)容量上線所需的時(shí)間內(nèi)，儲(chǔ)存的壓縮空氣可以用來(lái)防止系統(tǒng)中的任何壓力下降。所需的存儲(chǔ)容量取決于以立方米為單位的超額需求量，壓縮機(jī)站和使用點(diǎn)之間的可用壓差，壓縮機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，以及補(bǔ)充存儲(chǔ)壓縮空氣的時(shí)間。

壓縮空氣生產(chǎn)通常包括壓縮空氣處理的必要元素。

壓縮空氣處理

干燥度和污染物水平是用來(lái)區(qū)分低質(zhì)量壓縮空氣和高質(zhì)量壓縮空氣的兩個(gè)關(guān)鍵因素。所需壓縮空氣的質(zhì)量有以下三個(gè)主要考慮因素。

專業(yè)含水量或壓力露點(diǎn)

專業(yè)含油量

專業(yè)的顆粒物濃度

進(jìn)入壓縮機(jī)的大氣具有一定的濕度或含有一些水蒸氣。當(dāng)空氣在冷卻器中冷卻后，這些水的大部分通常會(huì)在壓縮機(jī)排出時(shí)凝結(jié)。壓縮空氣中的水分可以是液態(tài)水、氣溶膠（霧）和蒸汽（氣體）。最明顯和最容易去除的是水和氣溶膠，它們可以通過(guò)高效過(guò)濾和制冷干燥器來(lái)去除。水蒸氣更難去除，需要使用干燥機(jī)（干燥劑類型）與高效過(guò)濾一起使用。

空氣干燥度的一般測(cè)量方法是露點(diǎn)。露點(diǎn)是空氣中的水分變得飽和，水分開始凝結(jié)的溫度。有效降低露點(diǎn)意味著系統(tǒng)在水滴開始凝結(jié)之前可以忍受更低的溫度。

過(guò)濾是壓縮空氣系統(tǒng)正常運(yùn)行和性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。

去除液體和顆粒污染物是過(guò)濾的基本要求。然而，對(duì)蒸汽去除、超細(xì)過(guò)濾和催化劑過(guò)濾的要求被用于專門的應(yīng)用中。

空氣過(guò)濾器可以位于整個(gè)系統(tǒng)中，過(guò)濾器的數(shù)量和類型根據(jù)所要求的空氣質(zhì)量而變化。空氣過(guò)濾器通常被分為以下兩類。

預(yù)過(guò)濾器，在壓縮和/或干燥之前運(yùn)行

后置過(guò)濾器，在空氣干燥后投入使用

空氣壓縮機(jī)的進(jìn)氣口過(guò)濾器是為了保護(hù)壓縮機(jī)，但往往不足以保護(hù)下游設(shè)備。壓縮機(jī)本身可能會(huì)增加污染物，包括磨損顆粒、碳沉積和潤(rùn)滑劑。這些都需要過(guò)濾。要根據(jù)流速和壓降而不是管道尺寸來(lái)選擇過(guò)濾器。過(guò)大的壓降會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行成本增加，濾芯壽命短，系統(tǒng)性能整體下降。

壓縮空氣儲(chǔ)存

空氣接收器是一個(gè)儲(chǔ)存壓縮空氣的容器，作為一個(gè)緩沖庫(kù)，可以滿足短期的需求高峰。它允許暫時(shí)超過(guò)壓縮機(jī)的能力。通常情況下，系統(tǒng)會(huì)運(yùn)行一個(gè)輔助壓縮機(jī)，以滿足間歇性需求、壓縮機(jī)故障或短期能源中斷。安裝空氣接受器可使該壓縮機(jī)關(guān)閉。

空氣接受器創(chuàng)造了更穩(wěn)定的壓力條件。它們的作用是抑制壓縮機(jī)的脈動(dòng)并分離出顆粒和液體。它們使壓縮空氣系統(tǒng)更容易控制，另外還可以作為二次冷卻設(shè)備和冷凝水收集器。安裝一個(gè)更大的儲(chǔ)氣罐以滿足偶爾的峰值需求，甚至可以連接一個(gè)較小的壓縮機(jī)。

在大多數(shù)系統(tǒng)中，接收器通常位于干燥器之前，因?yàn)榻邮掌髦械姆e聚物會(huì)被冷卻，排出足夠的冷凝水。這減少了干燥器的負(fù)荷，從而提高了干燥器的效率。另外，也可以使用多個(gè)接收器，一個(gè)在干燥器之前，另一個(gè)在靠近間歇性/高需求點(diǎn)的地方。

壓縮空氣分配和系統(tǒng)

當(dāng)壓縮空氣分配系統(tǒng)被正確設(shè)計(jì)、安裝、操作和維護(hù)時(shí)，它是一個(gè)主要的動(dòng)力來(lái)源，擁有很多固有的優(yōu)勢(shì)。壓縮空氣安全、經(jīng)濟(jì)、適應(yīng)性強(qiáng)、易于傳輸，并提供節(jié)省勞動(dòng)力的動(dòng)力。

壓縮空氣分配系統(tǒng)的主要目的是將壓縮空氣從其生產(chǎn)點(diǎn)（壓縮機(jī)）輸送到其使用點(diǎn)（應(yīng)用），使其具有足夠的數(shù)量和質(zhì)量，并在足夠的壓力下使氣動(dòng)設(shè)備有效運(yùn)行。理想的分配系統(tǒng)能以所需的壓力向所有需要壓縮空氣的地方提供足夠的壓縮空氣供應(yīng)。 然而，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中還需要考慮很多其他因素，以確保整個(gè)系統(tǒng)的效率和安全。這些因素包括以下幾個(gè)方面。

壓縮空氣量和流速要求

空氣壓力要求和空氣需求峰值

壓縮機(jī)的類型和數(shù)量以及它們的配置

管道及其尺寸和材料的類型

每個(gè)使用點(diǎn)所需的壓縮空氣質(zhì)量以及對(duì)每種質(zhì)量的需求

壓縮空氣系統(tǒng)的效率

壓縮空氣系統(tǒng)的安全性

壓縮空氣系統(tǒng)的布局

過(guò)濾點(diǎn)的壓縮空氣和環(huán)境溫度

壓縮空氣干燥器的配置

系統(tǒng)中的隔離閥

壓縮空氣需要在所需的壓力和正確的狀態(tài)下輸送到使用點(diǎn)。太低的壓力會(huì)影響氣動(dòng)設(shè)備的效率，并影響工藝時(shí)間，而太高的壓力會(huì)損壞氣動(dòng)設(shè)備，并會(huì)導(dǎo)致泄漏，增加運(yùn)行成本。通常情況下，這是一個(gè)平衡的行為，得到 "恰到優(yōu)點(diǎn) "可以為設(shè)備帶來(lái)良好的節(jié)約。在這里，使用點(diǎn)的流速考慮要重要得多。一個(gè)尺寸合適的接收罐也能為任何需求高峰提供足夠的存儲(chǔ)容量。在需求高峰期，一個(gè)設(shè)計(jì)不良的系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)壓力下降，因?yàn)槌^(guò)系統(tǒng)容量的空氣會(huì)從系統(tǒng)中被抽走。

壓縮空氣分配管道是運(yùn)輸壓縮空氣的手段，是供應(yīng)、儲(chǔ)存和需求之間的聯(lián)系。一個(gè)管道網(wǎng)絡(luò)被用來(lái)為不同的地方提供壓縮空氣。然而，壓縮空氣在管道中的輸送會(huì)產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致壓力下降。理想情況下，管道中的壓降不應(yīng)超過(guò)0.1至0.2公斤/平方厘米。

通常采取以下步驟來(lái)減少壓降。

減少壓縮空氣必須的運(yùn)輸距離

通過(guò)增加管道尺寸和避免不必要的彎頭、閥門和其他輸送限制來(lái)減少通過(guò)管道的摩擦力

降低壓縮空氣在系統(tǒng)中的流速

采用光滑孔徑的管道

專業(yè)限度地減少系統(tǒng)部件間的壓力下降

避免泄漏

在較長(zhǎng)的管道和直徑較小的管道中，摩擦損失較大。減少壓降的一個(gè)有效方法是使用循環(huán)系統(tǒng)，在系統(tǒng)的任何一點(diǎn)提供雙向輸送，將每個(gè)管道路徑的流量削減到一半，并降低壓縮空氣的速度。

然而，比摩擦引起的壓降更重要的是系統(tǒng)部件本身產(chǎn)生的壓降。這種壓降通常在0.4至1.5公斤/平方厘米左右。這種壓降可以通過(guò)謹(jǐn)慎的設(shè)備選擇和壓縮空氣系統(tǒng)的適當(dāng)維護(hù)來(lái)控制。

管道對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)的可靠性和效率至關(guān)重要。在鋪設(shè)管道之前，材料選擇、尺寸、布局、現(xiàn)場(chǎng)條件和未來(lái)需求是需要考慮的因素。管道要足夠堅(jiān)固，以適應(yīng)現(xiàn)有的工作條件，提供最小可能的壓力損失和泄漏，并易于維護(hù)。壓縮空氣管線的管道可以是黑色、鍍鋅、銅或不銹鋼管道。每種管道都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，應(yīng)仔細(xì)評(píng)估。