壓縮空氣系統節能優化技術

劉 興，步 彬

引言

冶金行業已經步入減量發展時代，節能減排和環保控制成為企業經營的首要目標，加大生產原料供給側的結構改革，降低生產成本、增加能源利用率成為企業新的效益增長點。在企業生產中，壓縮空氣應用日益廣泛，由于潔凈、易輸送的特性，被廣泛運用于工業控制系統，壓縮空氣能耗占企業全部電力消耗的10%～40%，成為僅次于電力的第二大動力源[1]。通過壓縮機協會統計，壓縮機耗電占中國總發電量的8.9%，而歐洲及日本等主要發達國家約為10%[4]。在2003年美國能源部的調查報告統計中[5]，全球各地區平均使用空壓機負荷的百分比如圖1，而我國空壓機負載率僅為66%，遠低于發達國家的平均水平。

根據美國能源部統計，空壓機氣體壓縮能耗僅占其全部電能的15%，剩余大部分轉換成熱量，被冷卻設施排放至大氣中，其中有60%的余熱可被利用，約占壓縮機功率的51%[6]，可為企業帶來巨大的節能降耗空間。由此可見，壓縮空氣系統的節能減排在企業能源優化上有著巨大的提升潛力。

圖1 全球各地區平均使用空壓機負荷的百分比

1 冶金壓縮空氣系統簡介

冶金壓縮空氣系統的分類方法很多，可以按品質分類，也可以按壓力分級，還能按照用戶來區分。一般來講，按空氣品質分類居多，可分為動力、凈化用氣兩個不同種類。動力用氣即普通生產用氣，一般壓縮空氣只需冷卻、排水就可使用，而凈化用氣需要對其進行冷卻排污、干燥脫水、除塵凈化等工序方可使用，多用于儀表控制系統，也稱作儀表氣。

2 壓縮空氣系統節能思路

圖2 凈化壓縮空氣生產流程示意圖

在壓縮空氣系統的節能研究上，美日等國走在了世界前列，如美國CAC項目、新西蘭CAS項目、澳大利亞EEAP項目等[7-9]，其針對壓縮空氣系統設計、運行、維護和評估等方面進行系統地研究，取得了較大的經濟效益。我國尚未形成全國性的科研組織，其研究還處于獨立、初期探索階段，這對于我國空壓機年電耗近3000億kW·h的規模來講，推進壓縮空氣系統節能有望年節約用電600億kW·h，將是一個新興的產業鏈[10]。

2.1 空壓站平面布局決策

根據用戶分布情況及使用特點，空壓站應根據實際情況采用適宜的布局策略，如用氣點比較單一、用戶之間距離較遠，且用氣品質不同時可采用就近單站布置原則；當用氣點比較散亂、用氣壓力規格相近時，則可考慮集中供應原則。

單站布置原則，側重于用戶就近使用，優點是能夠減少輸送管網的投資，降低壓縮設備輸送能耗比；缺點是壓縮設備產能需與用戶消耗量相匹配，一旦工況發生變動，易造成空壓機放散，或低負荷遠離風機最佳工況點運行，造成壓縮效率下降。

集中布置原則，適合成群用戶點使用，優點是空壓機運行效率較高、管網壓力波動較小；缺點是輸送管網初始投資大，因為要降低輸送能耗比，需要較大的管徑來減少流速，以期降低管網沿程阻力損失。

兩種布置原則各有優缺點，前期規劃決策時，應先通過調研和經濟分析，再折算成歷年的能耗效益指標進行對比，來決定企業所需的最佳空壓站布局方案。

2.2 壓縮空氣系統供需平衡動態管理

對于采用集中布置的壓縮空氣管網系統，一般采用多臺空壓機并聯外送模式，其投運空壓機的總產能應接近管網最大用氣量，并保持一定冗余度，使之能夠適應外部用戶小范圍內的用量波動，從而使管網維持相對平穩的運行壓力區間。

從空壓機特性曲線圖可知，其工作特性曲線呈拋物線狀，在其最佳工作點一定范圍內，空壓機運行效率最高。因此，可以根據用戶需求的接點處壓力，加上輸送管網的阻力損失后，就可以進行空壓機選型，工作區間在此壓力范圍內的空壓機運行效率最高。

圖3 空壓機的特性曲線示意圖

根據流體力學原理，壓縮空氣系統輸送管網的阻力損失與流量成平方比關系，即：

式中，ΔP——管網總阻力損失，Pa；

S——管網綜合阻力系數；

Q——空氣輸送量，m3/h。

空壓機的電機功率計算公式：

式中，N——空壓機電機功率，W；

Ny——空壓機的有效功率，W；

η——空壓機的全壓效率系數；

P——空壓機排氣壓力，Pa。

由此可見，管網輸送流量越多，管網阻力損失越大，而空壓機所需的排氣壓力就越高，最后導致空壓機組的能耗也高。因此，根據冶金企業生產情況，減少消耗用氣量，調整用氣波峰波谷時段，對壓縮空氣系統供需進行動態平衡優化，可以降低空壓機組的運行能耗。

2.3 壓縮空氣系統生產工藝優化

根據壓縮空氣生產流程，空壓機就是采用一種動力設備，將空氣的體積進行壓縮，提高其壓力后，作為一種動力源進行使用。針對壓縮空氣系統的節能減排，可以從壓縮機做功效率、干燥凈化損耗、空壓機出口管路設計等方面進行研究，以期提高設備能效比，降低運行成本。

2.3.1 提高壓縮機做功效率

根據理想氣體公式，絕熱壓縮時溫度與壓力成反比關系。因此，在選用適當的壓縮比級數后，要保持級間冷卻設施完好，使用較涼的循環冷卻水進行冷卻，降低次級吸入口處空氣溫度，可以提高空壓機的產氣能力，從而降低機組能耗。

圖4 凈化空氣干燥器傳統工藝與新技術流程對比示意圖

此外，對壓縮機的運轉部件應定期進行維護，確保轉動部件處于良好潤滑狀態，可有效降低空壓機的功耗比。

2.3.2 降低干燥凈化損耗

對于儀表氣而言，壓縮空氣還需經過干燥凈化處理。干燥凈化工藝一般有兩種，即冷凍除濕和吸附脫水。冷凍法除濕，是利用冷凍機換熱翅片將空氣冷卻至機器露點，一般其壓力露點均高于零度，適用于對含水量要求不高的工藝使用。吸附式脫水，是利用吸附劑在不同壓力和溫度下吸附水量不同的原理，對壓縮空氣進行吸附脫水處理，可將空氣露點降至-40℃以下，能滿足我國北方冬季儀表控制系統的使用。

傳統吸附式干燥器有一定再生損耗，用于將吸附飽和的氧化鋁進行升溫增壓解析，其再生損耗約占處理氣量的3%～15%。近年來，干燥系統又研發了一種新技術，二次回收再生過程中反吹消耗的飽和濕空氣，可將再生能耗降至1%以下，不僅減少了排氣時噪聲污染，又能實現能源的回收利用。

2.3.3 優化設計空壓機出口管路

當空壓站內成組布置機組時，易出現部分空壓機產氣能力不足的情況，這是由于排氣管道在匯流后形成的紊流影響到機組排氣設施所致，可將出口處的直三通，改為順氣流方向的斜三通，將會顯著改善該部分機組的運行工況。

圖5 并聯空壓機出口處的匯流管道接口對比示意圖

2.4 壓縮空氣余熱應用

空壓機是通過電能將機械能轉換成壓縮能的設備，壓縮能耗僅占空壓機總電耗的15%，剩余85%的能量以壓縮熱被冷卻的方式消失于環境中，而這部分能量還有約60%可以被回收利用。一般來講，高于60℃就有利用的價值，對于空壓機出口近100℃的壓縮空氣，其余熱利用空間很大，既可以直接換熱得到45℃水用于生活衛生用熱水，還可以采用溴化鋰吸收式熱水機制取更高溫度的熱水用于供暖等用途，極大地提高了二次能源的利用率。

2.5 壓縮空氣儲能新技術的應用

基于電網峰谷電價差，在電力低谷時段用壓縮機產氣并儲存至大型儲能設施內，到電力高峰時段將儲能設施內的氣體釋放至用戶管網，不僅可以緩解我國大部分地區電力的緊張形式，而且對企業來講，也是一個高收益的節能項目。

早在1978年，德國就利用廢棄的巖鹽礦洞，建成了一座31000 m3壓縮空氣儲能設施，儲存壓力為10 MPa[11，12]。1991 年，美國 Alabama 州也建成了一座56000 m3壓縮空氣儲能設施，儲存壓力為7.5 MPa[13，14]。日本北海道在2001年同樣利用廢棄煤礦坑，建立了一座壓力為8 MPa的空氣儲能設施。目前，俄、法、意等歐洲國家和韓國也都在積極開發壓縮空氣儲能設施。除了利用地下的天然洞穴、廢棄礦洞外，實際上還可以將地下含水層作為儲存空間，另外，也可以利用儲氣罐、氣瓶組和大口徑管道進行儲能，如美國就在20世紀60年代，就采用了X60系列釩鋼材，建設了一條長度超過5000 m的儲氣管道，儲存壓力6.26 MPa[15]。我國壓縮空氣儲能系統的研究起步較晚，尚處于理論探索和模擬實驗階段，中科院工程熱物理研究所已開始嘗試建設壓縮空氣儲能示范系統。利用大型壓縮空氣儲能設施，還可以做為一些大型高危行業故障停電下的應急動力氣源，提高其生產安全穩定性。

3 結論

隨著國內環保形勢日益嚴峻，冶金行業逐漸步入清潔生產模式，以更低的生產成本和能源消耗，來促成企業經濟效益的新增長點。壓縮空氣系統，作為僅次于電力的第二大動力源，其所消耗電量在企業總電耗中占據著重要的比重，進行節能優化研究，將會有效地減少冶金行業運行成本，其研究方向主要有以下幾個方面：

（1）在項目初始設計時，應根據壓縮空氣用戶的使用情況，對空壓站規模和輸送管網進行經濟分析比較，合理規劃空壓站平面布局方案。

（2）根據生產運行實際情況，動態平衡用戶需求與設備產能的變化，在滿足用戶最基本的生產需求條件下，盡量減少管網輸送壓降損失，以期降低壓縮空氣的輸送能耗比。

（3）多級壓縮設備，提高級間冷卻設施換熱效率，降低冷卻循環水溫，保障轉動部件的潤滑機能，將有助于提高空壓機組做功效率。

（4）采用新型干燥再生節能技術，將有效地降低吸附式干燥器的再生損耗。

（5）對空壓站內的管網布局進行優化，如采用順流斜三通接頭等將有助于改善并聯空壓機組的運行工況。

（6）對空壓機出口熱氣的余熱進行回收利用，可以直接制取生活衛生用熱水，還可以利用溴化鋰吸收式熱水機制取更高的供暖用熱水。

（7）借助地區鹽礦坑洞或球罐、大型管道，設置壓縮空氣儲能設施，可利用電網峰谷價差，或者企業發電富余量進行壓氣儲能，在日間高峰用電時將儲存的氣量釋放至用戶，可極大降低壓縮空氣的運行成本。

[1]周佃民.壓縮空氣系統節能技術綜述[J].上海節能，2010(10)：36-41.

[2]于永勝，王自良.空氣壓縮機組安全經濟運行控制系統的設計[J].糧食流通技術，2010(3)：34-35.

[3]蔡茂林，權明，王偉民.紡織行業壓縮空氣系統能耗現狀及節能潛力[C].紡織空調除塵高效節能減排技術研討會論文集，2010：149-153.

[4]Maolin Cai.Power Assessment of Flowing Compressed Air[J].Journal of Fluids Engineering，2006(3)：402-405.

[5]Chris Beals，Joseph Ghislain，Henry Kemp，et al.Improving Compressed Air System Performance[J].U.S Department of Energy，2003.

[6]馬世久，陳秀和，劉賢.鑄造行業節能減排現狀及余熱利用實例分析[J].汽車工藝與材料，2014(1)：23-27.

[7]Thollander,P.,Danestig,M.,Rohdin,P.Energy policies for increased industrial energy efficiency∶evaluation of a local energy programme for manufacturing SMEs[J].Energy Policy，2007，35(11)：5774-5783.

[8]James R.Neale,Peter J.J.Kamp.Compressed air system best practice programmes∶What needs to change to secure long-term energy savings for New Zealand[J].Energy Policy，2009，37(6)：3400-3408.

[9]Harris J,Anderson J,Shafron W.Investment in energy efficiency∶a survey of Australian firms[J].Energy Policy，2000，28(12)：867-876.

[10]蔡茂林.壓縮空氣系統的節能技術[J].流體傳動與控制，2012，6(55)：1-5.

[11]Ter-Gazarian A.Energy storage for power systems.London[J].Peter Peregrinus Ltd，1994：152-179.

[12]Davidson B J,Glendenning I,Harman RD,et al.Large-scale electrical energy storage[J].Physical Science,Measurement and Instrumentation,Management and Education,Reviews IEE Proceedings A，1980，127(6)：345-385.

[13]Mack DR.Something new in power technology[J].Potentials，IEEE，1993，12(2)：40-42.

[14]Glendenning I.Long-term prospects for compressed air storage[J].Applied Energy，1976，2(1)：39-56.

[15]劉金超，徐玉杰，陳宗衍，張新敬，陳海生，譚春青.壓縮空氣儲能儲氣裝置發展現狀與儲能特性分析[J].科學技術與工程，2014(12)：148-155.