壓縮空氣系統能效檢測與績效參數設定

吳鵬鎧

上海白玉蘭煙草材料有限公司設備動力部

0 引言

壓縮空氣是僅次于電力的第二大動力能源，是具有多種用途的工藝氣源，其應用范圍遍及多行業、多部門。由于壓縮空氣是將電能轉化為空氣勢能，并借助壓縮空氣的膨脹對外做功的一種清潔動力，越來越多的人意識到它是消耗“高品位”電能所得的“二次能源”，應該對其轉換能效給予更多關注。據統計，空壓站對電能的消耗約占整個企業電能總消耗的10%～50%。這意味著節約壓縮空氣并合理利用它將節約能源、降低成本、改善環境。壓縮空氣含有潤滑油、固體顆粒及水份，未經凈化處理直接使用的氣體，會帶來故障，降低生產效率。后處理裝置凈化壓縮氣體是氣壓系統中必不可少的一個重要環節。然而，在儲氣、過濾、干燥、輸氣的后處理過程中，由于設計選配與實際使用的需求可能存在的差異，使后處理的能源消耗較高。本文從某企業能源管理實施方案——減少壓縮空氣系統后處理耗氣量的實施入手，簡介方案原理，討論不同的壓縮空氣干燥處理方式對能源績效的影響，運用能效檢測評估能源績效，導出能源績效參數運用于運行檢測。

1 系統概況

某企業的空氣壓縮系統用于生產動力，空壓站配置三臺螺桿式空氣壓縮機，相關參數見表1。空壓機均設定壓力帶運行，通過壓力下限來調節空壓機的啟動優先級別。根據用氣量需求，單機或聯機組合運行。通常情況下，1#、2#變頻調速螺桿，單機運行，一開一備；若用氣量需求增加，增開3#工頻機組，即開啟一臺工頻一臺變頻設備。

壓縮空氣的干燥是相對的概念。壓縮空氣在使用過程中如果有溫度的變化會有水份的析出。干燥機的使用相對純凈空氣，使壓縮空氣達到使用的要求。干燥機的類別有冷凍式、吸附式、溶解式等。本系統配置冷凍干燥機兩臺，無熱再生干燥機兩臺，聯機運行。

無熱再生干燥機通過再生氣來達到干燥效果。由于空氣含濕量能力與壓力呈反比，經過干燥的部分再生氣減壓膨脹至大氣壓，使膨脹氣體變得更加干燥，隨之通過需再生的干燥劑層，析出水分，帶出系統，達到干燥目的，再生需要消耗的壓縮空氣量在15%左右。

表1 空壓機參數一覽表

2 能源績效改進

減少壓縮空氣系統后處理耗氣量。針對空氣壓縮系統的主要能源使用，減少供氣損失的能源績效改進機會，進行壓力、流量損失分析的同時，評估用冷凍干燥機（原有）替代吸干機的可行性。在低濕度季節，適時關停吸干機，減少系統流量損失的同時，下調設定壓力帶。預計節能量能夠達到15%，工藝管理節能，立即產生效益，年節約電費約8萬元，年節能量約10 tce。

壓縮空氣在經過緩沖、干燥、除味、貯存后處理流程，再向各供氣點輸送。其中干燥流程使用了自熱再生設備，該類設備通過填料（干燥劑）來吸附壓縮空氣中的水份，吸水能力飽和以后，需要利用熱的壓縮空氣反沖，再生還原填料，并直接向外排水排氣，需要消耗大量壓縮空氣，耗氣量約15%。另一種設備，冷凍干燥機利用低溫析出空氣中的水份，優勢是不直接向外排放，不消耗壓縮空氣，相較自熱再生設備，更加節能。

本案例使用冷凍干燥機代替自熱再生吸干機，取得了較好的節能效果。通過“電力監控系統”觀察空壓機的功耗水平，從而可了解該項目的節能水平。

圖1是2018年11月3日，空壓站的3臺空壓機實時功率的曲線圖，橫坐標為時間，每三分鐘記錄一次，縱坐標為實時功率，單位為kW。藍色曲線為1號空壓機，紫色曲線為3號空壓機，紅色豎線之間的區域內8:45-14:15使用吸干機，其他時間段關閉吸干機，開啟冷干機。

當天，早晨6:10 開機運行1 號空壓機，后處理開啟冷干機，系統用電量對應車間機臺運行逐漸增加，6:30左右進入持續負荷供氣。7:30后基本穩定在150 kW左右。

8:15 到14:15 開啟自熱再生吸干機，隨著吸干機加入運行，壓縮空氣損耗增大，供氣量減少，供氣壓力驟降，僅開啟1 臺（20 m3）空壓機已無法正常供應；必須同時開啟3 號空壓機（10 m3），才能滿足供應。這段時間的耗電水平基本為1 號空壓機120 kW，3號空壓機95 kW，總實時功率215 kW。

14:15 以后關停吸干機，恢復運行為早晨第一種的運行模式。1 號空壓機單臺已經能夠滿足運行，關閉3號空壓機，整個系統的實時功率也恢復到150 kW左右。初步分析，不開啟吸干機的模式，相較開啟吸干機，功率絕對量減少65 kW，節能約30%。

圖1 啟停吸干機的功率比較

3 能效檢測

“氣平衡”測試，是一種檢測空氣壓縮機（系統）能效水平的技術手段，但相較“熱平衡”、“水平衡”等測試，并不常見于在用系統的檢測，更常見的如壓縮機效率測試多用于空氣壓縮機的型式試驗、產品能效等級測試等。本文討論參考空氣壓縮機能效等級測試的方法，轉化應用到在用系統中，作參考評估。

測點布置時，應選擇在較長的橫平直管段的中段，流量、壓力的檢信采用插入式流量計、壓力傳感器，電力檢信的采樣點應該盡可能靠近設備，必須在不經過斷路器直接向空氣壓縮機供電的電纜上用鉗形電力計或電力質量分析儀檢測三相電壓、電流，以獲取最準確的功率數據。數據分析匯總時，空壓機能效分析儀較傳統的流量記錄儀加電量分析儀的組合，在計算匯總、統計分析上更加具有優勢，流量、壓力、電量信號一并接入的，在測試現場能獲得實時的能效比，對于小系統、單機臺、多工況、測點少的測試對象，在短時間內即可給出測試結果，有利于現場排查能源績效改進的機會。

不同于穩定工況的空壓機型式試驗，實際運行中由于用氣量隨著生產負荷的變化而增減，高精度的流量計對于測量范圍的要求往往是穩定的流量區間，要求測試能先掌握典型的工況，即穩定的壓力帶、供氣流量和機組啟停次數。可以向現場作業人員獲取設備的啟停歷史、操作習慣、作息制度，來判定典型工況出現的時段。更可靠的方法是采用兩次測量的方法，即在正式檢測前進行工況分類粗測，用普通氣體流量計（非測試用），進行一個全天候的測試（粗測），分析剔除小流量的斷續的易產生干擾的工況，篩選出典型工況的時段、壓力、流量，作為制定正式檢測計劃的依據。本例中所實施的粗測已超過350 h，不僅為確定典型“流量”，還要考慮不同后處理設備的典型“組合”。上文中提及用關停吸干機來減少后處理耗氣量正是檢測需要驗證的。實際測試中，選擇了8 個典型工況（詳見表2）。通過現場測試數據對比，冷干機啟停對能耗影響為6%，吸干機啟停對能耗的影響為35%。

另外，需要注意由于現場往往不具備單機測試的必要條件，單耗對標應該采用GB 19153-2009中的能效等級來參考評定；設備銘牌標注的是“額定功率”，即輸出功率。而評定應該采用輸入功率，即相應考慮電機效率和服務系數。

表2 系統各工況下電耗、產氣量等數據

4 能源績效參數設定

空壓機日常不可能長期掛載精密的能效檢測設備，是否就無法直觀地獲得能效數據？能源績效參數和相關變量的設定是轉化檢測結果的重要輸出，有利于形成節能運行的長效機制。

本文討論的能源績效參數與空壓機（系統）的能耗水平有直接關系。如：空壓機設定壓力帶、后處理系統壓力降，在典型工況下，壓力帶和壓力降應該是趨于穩定的，通過設置參考值可持續對比，一旦出現壓力帶上升或壓力降增加的情況，應對系統后處理耗氣量和壓力損失做出評估，注意觀察定時排水裝置、過濾裝置的有效性。

而相關變量與空壓機（系統）的能耗水平有間接關系，比如空壓機的油溫，冷卻系統的水溫，這些變量大多受到環境散熱條件的影響，處于有規律的變化之中，通過設置參考值持續比對分析，出現異常的持續升溫情況，應對系統的散熱系統進行有效性評估，對油質、水質進行檢查。

5 結語

壓縮空氣系統能效檢測是必要的評估手段，實施中應該選擇適用于現場條件的方法和評估標準，注意測點布置、儀表選用，粗測必須以確定典型工況在實際變工況系統中。檢測可以用于系統能效評估，也可用于指導現場操作，尋找能源績效改進機會。本文提及能源管理實施方案在實測中得到驗證，冷干機啟停對能耗影響為6%，吸干機啟停對能耗的影響為35%。能源績效參數應該選擇與系統運行強相關的參數，較相關變量，能源績效參數應該被優先考慮，對于空壓機（系統），設定壓力帶和后處理壓力降是較好的選擇。