壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能改善理論與實(shí)踐

韓泰輪胎有限公司 吉小亮，石初，楊開(kāi)九，楊春江

壓縮空氣是工廠運(yùn)營(yíng)過(guò)程中最貴的能源，空壓機(jī)電能轉(zhuǎn)換過(guò)程中做功90%是熱能消耗，只有10%左右轉(zhuǎn)換為空氣動(dòng)能，工廠對(duì)空壓機(jī)的管理尤為重要。對(duì)于壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能，我們可以從以下幾個(gè)方面著手：（1）泄露管理，（2）空壓機(jī)優(yōu)化，（3）空壓機(jī)群控，（4）后處理優(yōu)化，（5）管道優(yōu)化，（6）熱回收等等。

一、壓縮空氣系統(tǒng)的問(wèn)題

（一）產(chǎn)氣端

在氣體生產(chǎn)的過(guò)程中，各設(shè)備按排氣口的壓力運(yùn)行，協(xié)調(diào)度低，大功率設(shè)備加載率低，造成設(shè)備性能浪費(fèi)。

另外，如果站房通風(fēng)不暢，造成負(fù)壓，進(jìn)氣量會(huì)減少；如果設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)做得不到位，空濾積灰，也會(huì)造成進(jìn)氣量減少，相應(yīng)的產(chǎn)氣量也會(huì)減少。

（二）輸氣端

在氣體運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，管道漏氣是造成浪費(fèi)的罪魁禍?zhǔn)住６驗(yàn)楣艿滥Σ痢⒐諒潯⒐艿雷儚降仍O(shè)計(jì)不合理而造成的氣體壓力下降，屬于隱形的浪費(fèi)，不通過(guò)壓力變送器等儀器儀表的監(jiān)測(cè)，根本不知道浪費(fèi)有多嚴(yán)重。

（三）用氣端

原本是間歇性的工藝卻一直在連續(xù)用氣；加下班后工人用壓縮空氣吹頭發(fā)和身上的灰塵；不同用氣點(diǎn)壓力需求不一樣，在實(shí)際過(guò)程中卻高低壓混用。這些用氣端的浪費(fèi)，日積月累下來(lái)，造成的損失驚人。

二、壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能機(jī)會(huì)

（一）壓縮空氣的泄漏治理

在泄漏問(wèn)題上，我國(guó)工廠中的泄漏量通常占供氣量的20-40%，而管理不善的工廠甚至可能高達(dá)50%。在工廠，完全堵死泄漏不現(xiàn)實(shí)，即使采取大規(guī)模的堵漏運(yùn)動(dòng)，半年后泄漏仍會(huì)重新出現(xiàn)。所以，對(duì)企業(yè)而言，堵漏工作應(yīng)該常態(tài)化，必須將其作為一項(xiàng)日常工作來(lái)實(shí)施，這樣才能將泄漏現(xiàn)象動(dòng)態(tài)地控制在最低水平。

根據(jù)相關(guān)資料計(jì)算，在7公斤壓力、RMB0.15/M3壓縮空氣的條件下，一個(gè)直徑為1mm的泄漏點(diǎn)，每年的泄漏量為38500M3，成本為5770元；一個(gè)直徑為4mm的泄漏點(diǎn)，每年的泄漏量達(dá)到54660M3，成本為82000元。檢測(cè)到泄露并不能實(shí)現(xiàn)節(jié)能，只有在最短的時(shí)間內(nèi)修復(fù)泄露才能節(jié)能！

泄露管理的工作流程：前期測(cè)量監(jiān)控，泄漏水平初步摸底→現(xiàn)場(chǎng)診斷調(diào)查，實(shí)際泄漏情況系統(tǒng)登錄→根據(jù)泄漏水平制定修復(fù)計(jì)劃→修復(fù)物料及修理人員準(zhǔn)備→現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)→后期測(cè)量反饋，整理效果報(bào)告→持續(xù)運(yùn)營(yíng)。

（二）空壓機(jī)優(yōu)化

比功率（電氣比）：是空壓機(jī)耗電量與空壓機(jī)產(chǎn)氣量的比值，是設(shè)備運(yùn)行的能效指標(biāo)，可用來(lái)判斷空壓機(jī)性能變化情況。空壓機(jī)比功率越低，供氣越經(jīng)濟(jì)，反之越高，用能越浪費(fèi)，計(jì)算空壓機(jī)比功率需要在空壓機(jī)出口安裝壓縮空氣流量計(jì)，安裝電表，通過(guò)相應(yīng)系統(tǒng)的自動(dòng)采集及計(jì)算，生成空壓機(jī)比功率的變化曲線，來(lái)評(píng)價(jià)空壓機(jī)的運(yùn)行效率，同時(shí)，可以將空壓機(jī)的比功率進(jìn)行對(duì)標(biāo)，判定空壓機(jī)目前的效率水平，參照標(biāo)準(zhǔn)：GB19153-2019容積式空氣壓縮機(jī)能效限定值及節(jié)能評(píng)價(jià)（見(jiàn)圖1）。

圖1 某工廠空壓機(jī)效率智能監(jiān)控系統(tǒng)

空壓機(jī)效率優(yōu)化方案：（1）根據(jù)對(duì)標(biāo)淘汰落后高耗能空壓機(jī)；（2）空壓機(jī)進(jìn)行變頻改造，可以達(dá)到理想的節(jié)電效果；（3）空壓機(jī)永磁電機(jī)改造；（4）按照周期定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，保證空壓機(jī)效率最大化運(yùn)行；（5）空壓機(jī)合理配置選型，根據(jù)用氣量及用氣波動(dòng)情況合理地搭配離心機(jī)與螺桿機(jī)。

（三）多臺(tái)空壓機(jī)的集中控制優(yōu)化

按照用氣量需求，智能地選擇最優(yōu)的機(jī)器組合控制方案，使能源得到最優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)最大節(jié)能，為保證正常生產(chǎn)，安全供氣。若沒(méi)有集中控制系統(tǒng)，通常采取人工控制，根據(jù)壓力進(jìn)行空壓機(jī)的啟停機(jī)、加卸載的控制，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致空壓站的出口壓力設(shè)定偏高，總管的壓力波動(dòng)范圍也會(huì)比較大。多臺(tái)空壓機(jī)的自動(dòng)集中控制一般通過(guò)以下四部實(shí)現(xiàn)；第一步、采集空壓站房?jī)?nèi)所有設(shè)備的數(shù)據(jù)，給設(shè)備安裝數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，將采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)，傳輸?shù)桨惭b在站房?jī)?nèi)的邊緣服務(wù)器，然后將邊緣服務(wù)器的指令，傳輸?shù)皆O(shè)備上，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。第二步、精準(zhǔn)智控。在站房?jī)?nèi)安裝一臺(tái)邊緣服務(wù)器，根據(jù)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)收集來(lái)的數(shù)據(jù)，針對(duì)站房排氣壓力、流量、耗電量等多個(gè)參數(shù)，采用多約束條件控制算法，進(jìn)行計(jì)算和決策，并將指令下發(fā)到節(jié)點(diǎn)上，智能控制主設(shè)備、后處理設(shè)備及其他輔助設(shè)備。它也會(huì)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到云端，獲得更強(qiáng)大的算力支持。第三步、穩(wěn)壓供氣。通過(guò)窄帶恒壓技術(shù)，以用氣末端的壓力和流量為調(diào)控依據(jù)，縮窄壓力波動(dòng)范圍30-70%，解決傳統(tǒng)站房“層疊式寬壓力帶”的高耗能運(yùn)行問(wèn)題。并能根據(jù)不斷變化的用氣需求，實(shí)時(shí)調(diào)配不同的供氣流量及壓力，保證供氣穩(wěn)定。第四步、云端加持。云端服務(wù)器會(huì)對(duì)邊緣服務(wù)器傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)、診斷，并通過(guò)強(qiáng)大的AI算法能力分析站房能效等級(jí)，根據(jù)系統(tǒng)收益、單位能耗、累計(jì)用氣、用氣波動(dòng)等參數(shù)，在云端支持站房?jī)?nèi)邊緣服務(wù)器的計(jì)算和控制能力。

（四）壓縮空氣輸送中的節(jié)能優(yōu)化

壓縮空氣在輸送過(guò)程中也會(huì)形成大量的冷凝水，若冷凝水不被及時(shí)去除，可能造成嚴(yán)重的設(shè)備故障。具體來(lái)說(shuō)即滲透至設(shè)備各輔助部件的冷凝水可能導(dǎo)致嚴(yán)重問(wèn)題，如生產(chǎn)線停產(chǎn)和產(chǎn)品缺陷。

冷凝水排放的三種方式：

①閥門(mén)直排：人工定期排水/長(zhǎng)時(shí)間直排（最常用及投入最小的方式，稍稍打開(kāi)閥門(mén)即可，但是會(huì)造成巨大的空氣損失）。

②時(shí)間控制電磁閥自動(dòng)排放：利用電磁閥設(shè)定時(shí)間定期排水，如時(shí)間設(shè)定不合理，會(huì)導(dǎo)致水排不干凈或者額外排掉壓縮空氣，造成浪費(fèi)。

③疏水閥/零氣耗自動(dòng)排水閥：自動(dòng)排水，只排水，不排氣，是目前最能避免壓縮空氣浪費(fèi)的方式。

空氣疏水器與蒸汽疏水器的工作原理及結(jié)構(gòu)大同小異，僅在對(duì)空氣的處理有所不同。它屬于機(jī)械式疏水器，基于浮子重力和凝結(jié)水浮力動(dòng)態(tài)平衡的原理進(jìn)行工作，它不會(huì)使空氣通過(guò)而只能排出凝結(jié)水。為了防止“空氣綁”空氣疏水器閥蓋上設(shè)有一個(gè)平衡管接口與儲(chǔ)氣罐或干管相連接。（見(jiàn)圖2）

圖2 壓縮空氣儲(chǔ)氣罐的自動(dòng)排水改造

（五）管道優(yōu)化

（1）主管路配管時(shí)，管路須有1°至2°之傾斜度，以利管路中的冷凝水排出。配管管路之壓力降不得超過(guò)壓縮機(jī)設(shè)定壓力之5%，故配管時(shí)最好選用較大的管徑。

（2）支線管路必須從主管路的頂端接出，避免主管路中的凝結(jié)水下流至工作機(jī)器中，壓縮機(jī)空氣出口管路最好應(yīng)有單向閥。

（3）應(yīng)在主管路末端加裝球閥或自動(dòng)疏水閥，以利于冷凝排放。

（4）主管路不要任意縮小，如果必須縮小時(shí)須使用漸縮管，否則在接頭處會(huì)有混流情況發(fā)生，導(dǎo)致大的壓力損失，也影響管路的使用壽命。

（5）壓縮機(jī)之后如果有儲(chǔ)氣罐及干燥器等緩沖凈化設(shè)施，理想之配管應(yīng)是壓縮機(jī)+氣水分離器+儲(chǔ)氣罐+前過(guò)濾器+干燥機(jī)+后過(guò)濾器+精過(guò)濾器。如此，儲(chǔ)氣罐可將部分的冷凝水濾除，同時(shí)儲(chǔ)氣罐亦有降低壓縮空氣溫度的功能,可減輕干燥機(jī)或過(guò)濾器的負(fù)荷。

（6）若系統(tǒng)之空氣用量很大且時(shí)間很短，瞬時(shí)用氣量很大，宜加裝一儲(chǔ)氣罐作為緩沖之用（其容量應(yīng)大于或等于最大瞬時(shí)氣量的20%），這樣可以減少壓縮機(jī)組頻繁加載卸荷的次數(shù)，減少控制元件動(dòng)作次數(shù)，對(duì)保持壓縮機(jī)的運(yùn)行可靠性有很大的益處。一般情況下，可選擇容量為排氣量20%的儲(chǔ)氣罐。

（7）管路中盡量減少使用彎頭及各類閥門(mén)，以減少壓力損失。

（8）建議采用全封閉環(huán)形主管路，這樣能保證氣壓平衡。

（9）綜合成本及使用工況考慮使用不銹鋼管道及不銹鋼過(guò)濾器等，包括新型鋁合金管道等。

（10）在主管路上分段分區(qū)設(shè)置控制閥，便于分段維修。

（11）各車間可安裝流量計(jì)、完善壓力表。

（12）如有多種壓力需求，應(yīng)當(dāng)區(qū)分供氣，避免減壓浪費(fèi)。

（六）空壓機(jī)余熱回收

大多數(shù)企業(yè)壓縮空氣的使用現(xiàn)狀：主產(chǎn)品：熱量，副產(chǎn)品：壓縮空氣，目前的狀況是利用副產(chǎn)品，浪費(fèi)主產(chǎn)品，并且還要通過(guò)冷卻風(fēng)機(jī)，冷卻塔，冷卻水泵，冷凍水等方式和設(shè)備來(lái)幫助空壓機(jī)散熱，確保壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。（見(jiàn)圖3）

圖3 改變空壓機(jī)的認(rèn)識(shí)：熱能回收前后對(duì)比

空壓機(jī)熱能回收可用于如下應(yīng)用：

冬季取暖（熱水空調(diào)、暖氣片取暖）、夏季溴化鋰制冷，生活用水（洗澡、洗手、食堂）、生產(chǎn)用水加熱、鍋爐水預(yù)熱、原水加熱、純水加熱、工藝水加熱、除濕、工件清洗等。

夏季制冷：按照1500kW的裝機(jī)功率，可用于制冷的熱功率為630kw,現(xiàn)使用的低溫型溴化鋰機(jī)組的COP在0.7左右，則實(shí)際的制冷量為630*0.7=441kw，按照夏季南方地區(qū)冷指標(biāo)160w/㎡計(jì)算，可提供的制冷面積為441*1000/160=2750㎡

三、結(jié)語(yǔ)

壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能是一個(gè)長(zhǎng)期持續(xù)改善的過(guò)程，針對(duì)具體個(gè)案，從各方面考慮，制定綜合方案，并加強(qiáng)對(duì)能耗指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)與考核，以取得切實(shí)的節(jié)能效果。