淺談利用“物聯網+大數據分析+云計算”進行壓縮空氣系統節能研究

金巍，袁瑋，張曉強

（1.中國通用機械工業協會壓縮機分會；2.北京中竟國際能源科技有限公司，北京 100000）

隨著大數據技術的不斷成熟，大數據的應用滲透到我們生活的方方面面。近年來大數據技術在工業領域的應用程度不斷加深，在推動傳統工業生產方式轉換和生產效率提高的同時，也推動了工業領域節能減排工作的持續提升。依據國際銅業協會2018 年市場調查報告統計數據，在2017 年我國工業領域風機、水泵和空壓機合計年耗電量為3.8 萬億度，其中空壓機年耗電量為5700 億度，占總耗電量的15%。作為壓縮空氣僅次于電力的第二大動力源，在工業生產過程中，僅有60%的能源有效利用于生產，其余40%的能源消耗于效率損失、壓縮熱以及泄漏與假性需求，2017 年壓縮空氣系統能源浪費約2000 億度電，且呈上升趨勢。

當前我國生產的空氣壓縮機單機能效與發達國家相比基本持平，甚至在一些功率段還好于發達國家，但從整體壓縮空氣系統的能效水平來看，遠遠低于發達國家10%-35%，差距較大。為什么會有這么大的差距？我們依據中競國際能源公司近年來在壓縮空氣系統節能項目的實施經驗，總結出以下幾點。

1 當前壓縮空氣系統節能方面存在的問題

1.1 節能理念、方法仍處在傳統節能階段

當前節能對象基本是“空壓機設備”或“空壓機站房”，仍停留在“單機優化”或“單元優化”。常見的模式有：

（1）老舊空壓機、干燥器等設備的“以新換舊”，取代不節能的空壓機或后處理設備；

（2）工頻空壓機進行變頻改造或增加變頻空壓機；

（3）單一品牌空壓機組群控或空壓機組與干燥設備連鎖聯控；

（4）空壓機余熱利用等。

從上面的模式中可以看出，依舊是“設備節能”或“單一技術節能”，即“頭痛醫頭腳痛醫腳”，而不是從整體壓縮空氣系統能源消耗的角度去分析。消除壓縮空氣使用不當造成的浪費，盡量減少壓縮空氣的泄漏做到零泄漏，去除壓縮空氣系統運行過程中由于用氣設備或工藝流程設置不當，而造成多余的壓縮空氣消耗，也就是我們前面說的假性需求。

圖1

如圖1 所示我們的空壓機組就相當于發電機組，儲氣罐、壓縮空氣干燥設備就相當于變電站，兩者加起來就是我們的壓縮空氣站，也就是我們的產氣部分；壓縮空氣管路相當于我們的供電線路，它的粗細影響著壓縮空氣的輸送，它的泄漏意味著氣量的損失；用氣設備相當于我們的電燈、空調、洗衣機等用電設備，節能燈節電的道理我們大家非常清楚了，那在滿足用氣設備正常工作的情況下，減少所消耗的壓縮空氣量這個道理我想大家也就不言而喻了。最外圍的虛框就是我們整個壓縮空氣系統的構成。

眾所周知使用壓縮空氣驅動的專用設備屬于耗氣設備，而耗氣設備的需求就是我們壓縮空氣站的供給，只有通過消滅浪費和泄漏，控制假性需求，通過技術革新或采用新技術來改變耗氣設備實際壓縮空氣量的需求，才能最大化地發揮出供給側的有效供給。

1.2 大數據維度不夠，基礎數據不準，信息化程度不高

大數據是全數據，需要實時性，以及效益的數據化。當前大多數企業采用的數據分析系統是傳統的IT 系統數據，缺乏多維度分析的數據基礎。另外，基礎數據不準，能源消費數據精確度不夠，獲取數據頻度過寬，甚至有些基礎數據是人為主觀經驗估算的，準確性和精確性達不到數理統計的要求，設施設備信息化水平較低?？傊壳暗男畔⒒教幱诖址庞杏?，精細度不足，很難發揮其巨大的潛力。

1.3 了解大數據思維，卻在一堆數據面前顯得束手無策

大部分用能單位包括節能服務公司，雖然認識到系統節能的重要性，了解大數據思維。但缺乏行之有效的理論、方法和工具，不能針對性地分析出對壓縮空氣系統能耗影響的主要因素，無法運用“設備節能+技術節能+管理節能”的方法打出一套“組合拳”，實現節能量最大化和準確計算節能率。

目前實際運用中缺少壓縮空氣系統能耗監測平臺，即使有大多數也只是數據監測，并沒有進一步進行數據分析，讓數據“說話”，體現數據的價值。

由于工業能源數據大爆炸式增長，傳統關系型數據庫已無法滿足海量數據分析。依托于以海量、實時和多樣性為特征的大數據技術，需要從底層架構重塑壓縮空氣系統診斷平臺，不僅做到監測診斷，而且通過大量的數據進行分析、挖掘，指導企業的“節能節錢，節人節錢，運維節錢”的新節能理念。

2 突破系統節能的瓶頸

大數據關注的“是什么”，而不是“為什么”。經常網購的人會更容易體會，很多電商網站的推薦引擎它能夠在顧客買書的時候，推薦顧客剛好喜歡的那些書籍，顧客可能不知道“為什么”，其實網站也不在乎“為什么”。但是網站通過成千上萬甚至上億人購買圖書的喜好，經過數理統計學分析，就可以發現“關聯物”，或者說大數據更擅長通過數理統計分析的方法，分析出人們所無法感知的一些關聯，并建議我們采取行動。同理，在壓縮空氣系統節能領域，從全系統、全方位角度獲取壓縮空氣系統運行的海量數據，細化數據的頻度單位，通過數學建模分析，發現壓縮空氣系統節能的“關聯物”。

“看到才相信”與“相信即看到”之間的差別就在于理念，在于系統思維方式！

壓縮空氣系統節能就要用系統化思維方式解決問題，要從三個維度即設備、技術、管理來綜合治理，打出一套“組合拳”，從而解決“頭痛醫頭腳痛醫腳”的根本問題。其次，運用“物聯網+大數據分析+云計算”實現先進理念和系統思維方式的核心手段，沒有數據采集、精確的計量和大數據分析作為支撐，很難實現系統精準節能。

3 利用大數據云技術升級迭代傳統節能理念

針對我國工業企業壓縮空氣系統能效現狀和問題，中競國際能源公司致力于打造從源頭到末端的系統整體節能解決方案，從北歐引入先進壓縮空氣系統節能理念、方法和工具，并在國際專家、中國標準化研究院和中國通用機械工業協會壓縮機分會等專家的共同合作與指導下，共同探索“引進、吸收、二次創新”之路，充分結合我國工業企業的具體情況，運用“互聯網+節能”的思維，從致力于形成自主知識產權來降低用數據思維為工業企業進行節能服務的難度，到運用“物聯網+大數據分析+云計算”進行壓縮空氣系統節能，實現了傳統節能的升級迭代，跨入“新節能理念”領域。

在實施壓縮空氣系統節能項目的過程中，突破以往只關注源頭動力設備的傳統節能方式，更加注重源頭動力設備和末端用氣設備之間的相關關系，提供數據化、個性化的節能診斷和節能改造。通過對企業壓縮空氣系統進行全方位、立體化的調查、監測，以及基于大數據分析理論計算和改造經驗評估節能潛力，為客戶提供全方位的中控室診斷、空壓站房診斷、供氣管網診斷和末端用氣設備診斷服務。

3.1 利用大數據技術，搭建壓縮空氣系統智慧云平臺，提供綜合解決方案

通過建立壓縮空氣系統數據中心，利用設備上部署的傳感器，通過數字模擬分析系統，解決數據采集、存儲、分析、預警和控制等各環節問題。對企業壓縮空氣系統進行實時監測與預警，通過大數據的趨勢分析，智能預判其用氣負荷變化，并及時反饋。在此基礎上，進行用能診斷，對海量數據深層次地挖掘，優化其能源消費，提供綜合解決方案。

通過不斷精細化迭代分析，數據模型循環上升，開始是靜態數據(電量、壓力、溫度、設備維護數據)加少量動態數據(運行數據、狀態數據)，挖掘出節能空間，并支持空壓機計劃性維護。隨著維護水平的提升，需要更多的數據支撐，這時可能需要部署更多的傳感器，按照更高的采樣精度進行采集傳輸，形成新的分析模型，實現智慧運維。

3.2 利用壓縮空氣系統智慧云平臺，對企業節能減排、工作決策提供數據支撐

隨著大數據時代的來臨，工業企業的能源監管平臺也逐步完善，管理方式由粗放式管理轉為精細化管理，能源消耗結構也逐漸清晰，利用壓縮空氣系統智慧云平臺，有效實時與企業能源管理平臺實現無縫對接，幫助企業對用能和排放數據進行統計、查閱和管理，并對節能減排措施的運行態勢進行分析、預警，實現運維智能化，對企業賦能。

通過海量數據(包含實時采集數據流和歷史數據)導入，進行深度智能分析和數學建模，優化和改進現有業務流程。通過一年的壓縮空氣系統監測數據，結合日常管理參數設定，發現其中潛在的各種相關性，根據壓縮空氣系統的變化趨勢進行事前預判，有效地避免了設備運行故障。

中竟國際能源公司實施的首個壓縮空氣系統節能項目已入選北京市發改委組織評選的《北京市2018 年節能低碳技術產品推薦目錄》，該項目具有優秀的示范作用和積極地推廣意義。

毋庸置疑，節能產業各方對利用大數據技術都表現出了極大的興趣，不少企業、大學和科研機構已經開始了在節能減排工作中對大數據進行數理統計分析的嘗試和探索。中競國際能源公司在壓縮空氣系統節能運用大數據領先了半步，我們有理由相信，不久的將來，“大數據”技術必將在我國工業領域的節能減排工作中得到更多的應用和發展。