工業企業壓縮空氣系統電力需求側管理的分析與應用

郭 濤

(天津一汽豐田汽車有限公司 天津300457)

0 引 言

黨中央、國務院高度重視電力需求側管理工作，把電力需求側管理作為深入推進供給側結構性改革、推動能源生產和消費革命、生態文明建設，促進電力經濟綠色發展的重要舉措。推進工業領域電力需求側管理，有助于優化工業用電結構，調整用電方式，提高工業電能利用效率和效益，促進工業、電力和環境的平衡協調發展。通過建立健全工業領域電力需求側管理工作規范，指導用能單位開展電力需求側管理工作，加強電能管理，調整用能結構，提高終端用電效率，優化資源配置，持續提高單位工業增加值能效，實現節約、環保、綠色、智能、有序用電。

壓縮空氣具有安全、無公害、調節性能好、輸送方便等優點，已成為工業領域中特別是汽車企業應用最廣泛的動力源之一。在一汽豐田泰達工廠，壓縮空氣系統設備消耗的電能占工廠全部電能消耗的 15%左右，全年耗電量接近30000MWh，電費約2800萬元，已成為工廠耗電量最多的設備之一。隨著國家不斷倡導電力需求側管理，設備課作為能源的供給及管理部門，響應國家政策要求，大力投入到壓縮空氣系統設備的節電管理工作中。

本文介紹了一汽豐田泰達工廠為了進一步降低企業用能成本，通過電力需求側管理工作方法，組織專業技術團隊從管理、工藝、設備 3個維度實施全方位的能效提升措施及有效管理，打造設備在全生命周期費用的最低化。

1 工業領域電力需求側管理工作內容介紹

1.1 電力需求側管理

指加強全社會用電管理，綜合采取合理、可行的技術和管理措施，優化配置電力資源，在用電環節制止浪費、降低電耗、移峰填谷，促進可再生能源電力消費，減少污染物和溫室氣體排放，實現節約用電、環保用電、綠色用電、智能用電、有序用電，進一步優化電力資源配置，提升工業能源消費效率。

1.2 電力需求側管理工作開展模式

基于策劃—實施—檢查—改進的(PDCA)持續改進模式，使電力需求側管理工作融入工業領域用能單位和電能服務機構的日常活動。

策劃：實施全面診斷，明確信息化和制度化要求，制定電能管理目標、指標和實施方案，確保相關工作有序開展并達到相應績效。

實施：執行工業領域電力需求側實施方案，開展全面治理，保障用電可靠性，實施節約用電、需求響應、綠色用電、環保用電、智能用電等措施。

檢查：采用自評價、第三方評價等方式，評價工業領域電力需求側管理工作開展情況，對配用電系統的關鍵特性和過程進行監測，對照目標指標評價確定實施績效，并報告結果。

改進：采取措施持續改進工業領域電力需求側管理體系。

1.3 工作流程

用能單位開展工業領域電力需求側管理工作流程主要包括全面診斷、綜合治理和效果評估3個階段。

1.3.1 全面診斷

用能單位自主或委托電能服務機構開展用電情況全面診斷，依據電力需求側管理相關標準和規范要求形成診斷報告。

1.3.2 綜合治理

用能單位組織完善信息化和制度化等工業領域電力需求側管理基礎工作，根據實際需求確定工業領域電力需求側管理綜合方案并有效實施，對配用電系統、設備設施、采集和計量器具及相關制度進行綜合改進和優化治理。

1.3.3 效果評估

用能單位可采用自評價和/或第三方評價等方式，綜合評價電力需求側管理開展情況，核算階段性實施效果，明確待改善建議項和持續改進目標，評估報告等評價結果可作為項目階段性成效證明。

1.4 節約用電

1.4.1 節電途徑

用能單位宜遵循“先管理、優工藝、再改造”的順序開展節約用電。首先強化配用電制度與現場管理，減少浪費損失、控制波動與不穩定，再尋求工藝優化、消除工序或系統間不協同等影響因素，在系統診斷的基礎上，采取技術合理、經濟可行的路線，實施技術改造。

1.4.2 管理節電

用能單位宜建立制度措施對配用電設備和相關人員進行科學管理，以實現電力、電量及成本節約。用能單位宜設置能源管理崗位，聘任專業電能管理人員，建立完善電力需求側管理體系，并與相關管理系統(ERP/MES/APS/SCM 等)有機融合，從能源管理轉向能源價值管理，實現能源流—業務流—價值流的高效轉化。以系統化管理思維，樹立從單點轉向全面、從部門轉向全員的全面節能意識，持續改進電能績效。

管理節電措施可包括落實責任制度、建立電能標準體系，開展電能數據庫建設、強化數據分析、實施電耗目標管理，優化電力計費繳費方式、采用移峰填谷、容量改需量、電平衡測試、能源審計、參與電力直接交易等。

管理節電措施宜與技術節電相配合，以實現系統化改善并鞏固所取得成果。節能措施實施后宜由具有相應資質的第三方機構評估效果，出具評估報告。

1.4.3 技術節電

用能單位宜根據自身特點、配用電設備容量和工藝運行要求等，采取技術措施、通過技術進步來實現電能節約。

技術節電措施主要指通過提高電能利用效率節約用電量和電力負荷的產品(技術)，包括無功補償、諧波治理、高效裝置、能效管理、余熱余壓利用、可再生能源分布式發電、熱泵空調等。

2 壓縮空氣系統電力需求側管理措施及節能效果分析

2.1 管理面

2.1.1 建立健全工廠用氣管理體制機制

管理體制明確，從產氣、輸氣、用氣3個階段，明確職責分工及管理體制。產氣端，設備課負責；輸氣端，設備課負責；用氣端，使用部署負責(設備課技術支持)。

獎懲機制明確，結合能源責任制考核制度，對各部署負責人實施壓縮空氣用能指標考核管理。

2.1.2 明確供給基準

定期召開各部門能源擔當聯絡會，實施對使用設備的壓力變化排查，了解使用端壓力的變化，從而及時調整產氣端的供氣壓力，修訂原動力供氣壓力基準。

實施生產日及休日壓力區別化，休日降壓運行(保障沖壓車間生產補給件用氣，未來有導入休日專用空壓機的計劃)，從而降低空壓機能耗(表1)。

表1 休日壓縮空氣壓力設定變更表Tab.1 Table for changing compressed air pressure on holidays

2.1.3 規范用氣時間

制定休日壓縮空氣申請制度，執行電子申報流程審批用氣，減少不必要的用氣使用時間(圖1)。

圖1 休日各車間壓縮空氣使用需求申請電子表Fig.1 Application form for compressed air use demand in various workshops on holidays

2.1.4 規范用氣使用

避免非正規用氣，如禁止使用壓縮空氣進行降溫；避免漏氣浪費，及時對使用端進行漏氣點排查、修復；定期開展漏氣點大排查，對各課漏氣情況進行監管；對 24h特殊用氣點，就地設置專用小型空壓機，從而減少大型空壓機的運行時間。

2.2 工藝面

通過優化空壓站布局，緩解輸氣端壓降過大問題。泰達工廠2條生產線有2個不同地點的空壓站，導致系統整體性布局不佳，加之空壓機形式單一，系統壓降過大且負荷調整能力弱，用氣量波動大時，系統穩定性不足，導致能耗偏高；另外，隨著工廠車型更新、產能提升，末端用氣量與最初空壓機的設計量已不匹配，導致機組運行臺數被動增加，但負荷率偏低，能耗偏高。

針對這一問題，技術人員對工廠用氣現狀進行數據分析，在學習行業論文及空壓機專業文獻基礎上，周密論證方案，實施以下對策：改變固有的工廠空壓站配置模式，在整個系統的壓力薄弱區域導入負荷調整能力更優的變頻螺桿空壓機，將全工廠空壓機組合模式變更為離心+變頻螺桿形式。同時在充分調研基礎上，導入最適合于工廠現狀的節能產品，即永磁電機變頻螺桿空壓機+壓縮熱再生吸干機的組合。改善后空壓機總運行臺數減少 1臺，總能耗降低705kWh，各空壓機負荷率提高到90%以上。

改善前：泰達工廠2個空壓站合計要運行6臺空壓機，總計運行功率達到5060kW，且2個空壓站里都有1臺空壓機負荷率偏低，不足50%(圖2)。

改善后：泰達工廠變為 3個空壓站，合計運行空壓機減為5臺，總計運行功率降為4355kW，每臺機組的負荷率均在85%以上(圖3)。

通過近2個月的運行測試，空壓機能耗費用每個月遞減 18.25萬元，全年可為工場減少電費成本219萬元(圖 4)。

圖2 泰達工場壓縮空氣系統管網布局圖(改善前)Fig.2 Compressed air pipe network layout in TEDA factory(before improvement)

圖3 泰達工場壓縮空氣系統管網布局圖(改善后)Fig.3 Compressed air pipe network layout in TEDA factory(after improvement)

圖4 泰達工場空壓機使用情況對比圖Fig.4 Comparison of use of air compressors in TEDA factory

對各用氣車間壓縮空氣控制壓力方式實施優化，由入口壓力控制改善為末端壓力控制，從而使供氣壓力更接近用氣壓力，降低了空壓機吐氣壓力的設定(圖 5)。

圖5 壓縮空氣減壓閥末端壓力控制示意圖Fig.5 Schematic diagram of pressure control at end of compressed air pressure reducing valve

2.3 設備面

以空壓站整體為考慮單元，通過各項節能技術舉措對空壓機、干燥機、冷卻水泵、冷卻塔實施全方位能效管理。

通過降低吸氣溫度、穩定吸氣壓力、維持穩定冷卻器效率、保持空壓機機械性能、降低吐氣等多項措施，確保空壓機本體的比動力接近設計值。通過能源管理系統，對每臺空壓機的比動力進行自動監管，設置上下限報警，及時提醒運行人員空壓機運行效率的變化情況。設備管理人員根據每臺空壓機的效率數據，作為機組維護、大修、改造計劃的制定依據。

離心式空壓機的電耗 W(kWh/h)與排氣量、環境溫度、壓力比及效率等因素有關，計算公式：

式中：ρ為標準狀態下空氣密度，ρ＝1.293kg/m3；VK為空壓機的排氣量，m3/h；R'為氣體常數，R'＝0.278kJ/(kg·K)；T為環境溫度，K；P2為排氣壓力，MPa；P1為進氣壓力，MPa；ηT為空壓機的等溫效率；ηM為空壓機的機械效率。

3 結 語

本次對壓縮空氣系統電力需求側管理進行節能分析和應用，從管理、工藝、設備 3個層面對整個系統的運行情況綜合考慮，制定了較有針對性的對策，對策實施后改善效果相當明顯，達到了預期的目的和效果。