鋼企壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能分析

代 黎

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223）

1 概述

數(shù)字化、綠色化是當(dāng)今世界發(fā)展的兩個(gè)重要主題，也是推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿Αａ槍δ茉磩?dòng)力領(lǐng)域發(fā)展數(shù)字化、綠色化技術(shù)和產(chǎn)品，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。

根據(jù)能源基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)，空壓機(jī)占大型工業(yè)設(shè)備（如風(fēng)機(jī)、水泵、鍋爐等）總耗電量的15%左右。根據(jù)行業(yè)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，電能消耗（即電費(fèi)支出）占整個(gè)壓縮空氣系統(tǒng)最初5年總耗費(fèi)的79%，遠(yuǎn)高于其設(shè)備投資費(fèi)用及維護(hù)檢修費(fèi)用。因此，壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能降耗是鋼鐵企業(yè)（簡稱鋼企）成本管理和能耗管理的重要部分，它不僅影響著企業(yè)產(chǎn)品的競爭力，還影響著企業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

根據(jù)對不同鋼企進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大型鋼鐵聯(lián)合型鋼企全廠壓縮空氣系統(tǒng)普遍存在空壓站配置數(shù)量多且分散的問題。比如，某大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)因各工序生產(chǎn)管理相對獨(dú)立，用戶需求各異，全廠共設(shè)有19座空壓站，配置了近200臺(tái)空壓機(jī)，其中螺桿式空壓機(jī)組占大多數(shù)。這就造成了機(jī)型分散多樣、接口不互通、運(yùn)維費(fèi)用高等諸多問題。增加了壓縮空氣系統(tǒng)中空濾、油分、油過濾器、冷卻器等運(yùn)維備件費(fèi)用，也使空壓站房集群化升級建設(shè)困難重重。另外，由于鋼企壓縮空氣用戶存在大量間斷用戶，當(dāng)間斷用戶介入或者退出生產(chǎn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)壓力波動(dòng)劇烈，甚至發(fā)生放散現(xiàn)象，從而導(dǎo)致空壓機(jī)設(shè)備頻繁加卸載，影響空壓機(jī)設(shè)備的使用壽命。由于螺桿式空壓機(jī)的傳統(tǒng)進(jìn)氣節(jié)流調(diào)節(jié)方式特性，因此空壓機(jī)非滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的耗能遠(yuǎn)大于其滿負(fù)荷運(yùn)行的能耗，螺桿式空壓機(jī)變工況適應(yīng)性差，而且其存在單機(jī)最大流量小。因此，隨著鋼鐵規(guī)模的擴(kuò)大及節(jié)能降耗的需求，零星的螺桿式空壓機(jī)模式已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代鋼企生產(chǎn)需求，目前大型鋼鐵聯(lián)合型鋼企正在逐步用離心空壓機(jī)替代螺桿式空壓機(jī)，本文主要針對鋼企中廣泛應(yīng)用的離心空壓機(jī)，探討其節(jié)能技術(shù)。

2 變頻技術(shù)的應(yīng)用

采用變頻技術(shù)可節(jié)能20% 左右，而且降低離心空壓機(jī)組的啟動(dòng)電流，減小對電網(wǎng)的沖擊，輸出壓力穩(wěn)定，沒有反復(fù)的加載卸載過程，從而減小噪音。但是，由于目前變頻器價(jià)格較高，采用與離心空壓機(jī)電機(jī)功率相等的變頻器，變頻器的價(jià)格占離心空壓機(jī)價(jià)格的40%左右；并且離心空壓機(jī)負(fù)荷變動(dòng)越小，其運(yùn)行效率更好，因此全功率變頻技術(shù)并沒有在離心空壓機(jī)上廣泛運(yùn)用，目前變頻技術(shù)多用于離心空壓機(jī)的變頻軟啟動(dòng)。

3 進(jìn)口空氣參數(shù)對離心空壓機(jī)組功耗的影響

離心空壓機(jī)組的功耗隨著進(jìn)口空氣狀態(tài)的變化而變化。

3.1 離心空壓機(jī)軸功率計(jì)算

外部空氣經(jīng)過自潔式過濾器除塵處理后進(jìn)入離心空壓機(jī)，但由于經(jīng)過自潔式過濾器的空氣量無法通過直接手段進(jìn)行測試，因此先測出實(shí)際進(jìn)氣溫度和濕度，然后根據(jù)公式（1）確定離心空壓機(jī)組的進(jìn)氣量。

離心空壓機(jī)組進(jìn)氣量 qa（m3/min）：

式中，P0，q0，T0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)氣體參數(shù)；Pa，qa，Ta為進(jìn)氣狀態(tài)氣體參數(shù)；φ為進(jìn)氣的相對濕度；Ps為進(jìn)氣的飽和蒸汽壓力。

離心式空壓機(jī)的多變壓縮軸功率計(jì)算公式如下：

式中，z 為壓縮級數(shù)；qa為工況條件下體積流量，m3/min；k為絕熱指數(shù)，空氣一般取1.4；Pv為壓縮狀態(tài)下氣體絕對壓力，MPa；R為氣體常數(shù)；zaj, zvj為進(jìn)氣及排氣的壓縮系數(shù)，當(dāng)壓力小于2 MPa 時(shí)，可近似認(rèn)為［1］；

pj為壓縮過程的平均多變效率，離心空壓機(jī)平均多變效率多為0.7～0.84；m為機(jī)械效率，m= 96%～98%；c為傳動(dòng)效率，直聯(lián)c=1。

3.2 入口空氣含濕量對離心空壓機(jī)功耗的影響

為了分析入口空氣含濕量對離心空壓機(jī)耗能的影響，假設(shè)離心空壓機(jī)壓縮過程為可逆多變壓縮，當(dāng)干空氣及濕空氣的壓縮初始壓力和壓縮過程相同時(shí)，由理想氣體狀態(tài)方程可知：

式中，P為干空氣和濕空氣的壓力，MPa；V1、V2為干空氣和濕空氣的比容，m3/kg；N為壓縮過程的多變指數(shù)；T為干空氣和濕空氣熱力學(xué)溫度，K；R1、R2為干空氣和濕空氣的氣體常數(shù)，J/（kg·K）。

3.2.1 在保持空氣干球溫度不變的情況下，研究相對濕度φ對離心空壓機(jī)功耗的影響

離心空壓機(jī)入口空氣的氣體常數(shù)R計(jì)算公式如下:

式中，M為入口空氣的分子量；Pv為入口空氣中水蒸氣分壓力，Pa；C為入口空氣總壓力即當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Γ琍a。

由此可知，當(dāng)干球溫度保持不變時(shí)，隨著相對濕度φ的增加，水蒸氣的分壓力也增加，入口空氣的分子量M減小，從而離心空壓機(jī)入口空氣的氣體常數(shù)R增大。根據(jù)公式（2），氣體常數(shù)R增大，離心空壓機(jī)的耗能增大。

3.2.2 入口空氣含濕量對離心空壓機(jī)能耗的影響

根據(jù)公式（5）推導(dǎo)出入口空氣的氣體常數(shù)R與入口空氣含濕量d之間的關(guān)系式。

入口空氣的氣體常數(shù)R計(jì)算公式如下：

根據(jù)上述入口空氣的氣體常數(shù)R與含濕量d的關(guān)系，可知當(dāng)室外干球溫度保持不變的情況下，入口空氣含濕量越大，其氣體常數(shù)就越大，從而離心空壓機(jī)的功耗就越大。

因此對離心空壓機(jī)入口空氣進(jìn)行降溫和干燥處理，可以有效地降低離心空壓機(jī)的功耗，帶來可觀的節(jié)能效果。

3.2.3 入口溫度對離心空壓機(jī)能耗的影響

根據(jù)公式（2），離心空壓機(jī)軸功率與空氣入口溫度成正比關(guān)系；隨著離心空壓機(jī)入口溫度升高，經(jīng)壓縮后的出口氣體溫度也會(huì)升高，而且高溫空氣進(jìn)入冷卻器會(huì)加劇離心空壓機(jī)冷卻器積碳現(xiàn)象。積碳現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)影響離心空壓機(jī)安全生產(chǎn)［2］。

3.2.4 案例分析

某公司離心空壓機(jī)主要參數(shù)如下：空壓機(jī)流量為250 Nm3/min，出口壓力為0.85 MPa（g），三級壓縮；一、二級級間壓降為 0.024 MPa，二、三級級間壓降為 0.021 MPa。

假設(shè)壓縮過程平均多變效率pj=75%；機(jī)械效率m=98%；空氣二級壓縮入口溫度為40 ℃；空氣三級壓縮入口溫度為40 ℃。

計(jì)算以下3種工況：①工況1，入口溫度為35 ℃；相對濕度從0到100%；②工況2，入口溫度為25 ℃；相對濕度從0到100%；③工況3，入口溫度為15 ℃；相對濕度從0到100%。

在工況條件下，相對濕度相差10%情況下，軸功率差與干空氣時(shí)空壓機(jī)軸功率比值 =ΔP/P1；其中ΔP為軸功率差，kW；P1為工況條件下，相對濕度為0（即干空氣）下的軸功率，kW；單元含濕量下軸功率差與干空氣時(shí)空壓機(jī)軸功率比值 =ΔPd/P1；其中ΔPd為單元含濕量下軸功率差，kW/（d/kg）；ΔPd=ΔP/Δd；Δd為含濕量差值，d/kg。

不同含濕量對離心空壓機(jī)功耗的影響如圖1所示。由圖1可知，相對濕度越大，含濕量越大，離心空壓機(jī)功耗越大；高溫下除濕帶來的節(jié)能效果比低溫好。含濕量每降低1 g/kg；離心空壓機(jī)軸功率可降低0.157%。

圖1 不同含濕量對離心空壓機(jī)功耗的影響

通過對不同進(jìn)氣溫度及不同含濕量對離心空壓機(jī)功耗的影響進(jìn)行分析，可知進(jìn)氣溫度每升高3 ℃，離心空壓機(jī)第一級壓縮軸功率上升1%，如圖2所示。

圖2 不同進(jìn)氣溫度對離心空壓機(jī)功耗影響

通過對離心空壓機(jī)的進(jìn)氣進(jìn)行冷卻、干燥處理，比如采用脫濕冷卻方式，可用來提高機(jī)組排氣量與效率，同時(shí)降低耗電量。比如利用制冷機(jī)組將離心空壓機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行脫濕，將離心空壓機(jī)進(jìn)口溫度從30 ℃、相對濕度80%工況，降低到10 ℃、脫濕量為4.36 kg/min；離心空壓機(jī)節(jié)省功率83.36 kW；需要制冷量308.19 kW，按制冷壓縮式制冷系數(shù) 4.5 考慮，耗電 68.49 kW，節(jié)省電耗 14.87 kW ；利用冷凍水將第二級、第三極進(jìn)氣溫度從40 ℃降低到15 ℃，可進(jìn)一步節(jié)省離心空壓機(jī)功耗86 kW；需要制冷量277.91 kW，按制冷壓縮式制冷系數(shù)4.5考慮，耗電61.76 kW，節(jié)省電耗 24.24 kW。

4 離心空壓機(jī)余熱利用

空氣被離心空壓機(jī)壓縮所需要的電能或者蒸汽能，僅少部分轉(zhuǎn)換成壓縮空氣的勢能，絕大部分均裝換為熱能，通過風(fēng)冷或者水冷的方式排到大氣中，比如利用冷卻器帶走機(jī)器產(chǎn)生的熱量。目前離心空壓機(jī)大多為水冷型，因此對采用水冷的離心空壓機(jī)進(jìn)行余熱回收改造應(yīng)用更加廣泛。離心空壓機(jī)余熱回收多用于鍋爐進(jìn)水預(yù)熱、生活熱水、空調(diào)供熱等領(lǐng)域，可以提高企業(yè)空氣系統(tǒng)能源利用水平，減少碳排放，提高企業(yè)競爭力。

目前，離心空壓機(jī)余熱回收常用手段是利用離心出口高溫壓縮空氣進(jìn)行夏季制冷或冬季采暖。但采用該種余熱回收方式受季節(jié)限制，無法全年有效回收離心空壓機(jī)的余熱。本文不考慮離心空壓機(jī)余熱回收投資成本，考慮采用夏季制冷和冬季采暖2種余熱回收模式，對離心空壓機(jī)的余熱進(jìn)行利用。

夏天制冷季，利用離心空壓機(jī)余熱作為吸收式制冷系統(tǒng)的熱源，即利用離心空壓機(jī)出口高溫壓縮空氣加熱熱媒水，熱媒水作為吸收式制冷機(jī)組熱源放熱后回到熱回收器；并制取4～12 ℃的冷媒水用于制冷，制冷系數(shù)按0.75考慮。

冬天采暖季，利用離心空壓機(jī)出口高溫壓縮空氣加熱熱媒水，熱媒水進(jìn)入供暖系統(tǒng)降溫后回到熱回收器，從而實(shí)現(xiàn)離心空壓機(jī)余熱回收利用。

夏季工況按進(jìn)氣溫度30 ℃、相對濕度按80%、二級及三級進(jìn)氣溫度為40 ℃計(jì)算；冬季工況按進(jìn)氣溫度5 ℃、相對濕度按50%、二級及三級進(jìn)氣溫度按30 ℃計(jì)算。

離心空壓機(jī)排氣溫度Tv計(jì)算公式如下：

式中，Tv為離心空壓機(jī)排氣溫度，K。

空氣冷卻放出的熱量：

式中，T1為離心空壓機(jī)出口壓縮空氣經(jīng)過余熱回收換熱后溫度，夏季取80℃、冬季取65℃。

通過對集中供熱/制冷熱回收量核算，冬季余熱回收率為57.7%，夏季回收率為46%，如果回收的余熱能夠全部被有效利用，效益是很可觀的。

對離心空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)與效益分析，主要計(jì)算參數(shù)如下：供熱鍋爐效率80%，供熱價(jià)格31元/GJ，電價(jià)0.512 6元/kW·h，離心空壓機(jī)滿負(fù)荷年運(yùn)行時(shí)間 8 760 h，其中夏季制冷期運(yùn)行 2 400 h，冬季供暖期運(yùn)行 3 624 h，煤炭 CO2排放系數(shù) 2.64 t/tce，電力 CO2排放系數(shù)0.75 kg/kW·h，壓縮式制冷系數(shù)按4.5考慮。離心空壓機(jī)年總CO2減排量為1 733.8 t，年總節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益為41+22.58=63.58 萬元。

此外，如果充分利用余熱，空壓機(jī)原有冷卻水量將大大減少，年可節(jié)約循環(huán)冷卻水量5×105t，循環(huán)冷卻水耗電量 0.148 55 kW·h/t，年節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益 7.43 萬元。考慮到工廠通常有多臺(tái)空壓機(jī)組，余熱回收技術(shù)無疑大大減輕了廠區(qū)冷卻塔的負(fù)荷，對我國北方一些水資源緊缺地區(qū)意義尤為重大。

5 壓縮空氣干燥系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

在整個(gè)壓縮空氣處理流程中，壓縮空氣干燥是成本最高的工序，因此在選擇干燥器時(shí)并不是露點(diǎn)越低越好，應(yīng)選擇滿足工藝要求的露點(diǎn)溫度即可，避免造成浪費(fèi)。當(dāng)需要采用吸附式干燥機(jī)時(shí)，建議采用零氣耗余熱再生干燥機(jī)。

6 降低離心空壓機(jī)出口壓力

對鋼鐵企業(yè)各工序壓縮空氣用戶用氣壓力進(jìn)行分析，包括原料、燒結(jié)、焦化、煉鐵、煉鋼、熱軋、冷軋、發(fā)電等各生產(chǎn)單元大部分壓縮空氣用戶壓力不低于0.5 MPa即可滿足其使用。僅全廠除塵氣力輸灰和檢化驗(yàn)試樣氣體輸送等壓縮空氣用戶壓力要求在0.65 MPa以上，該部分壓縮空氣用量占總用氣量比例較小。因此，可將全廠壓縮空氣管網(wǎng)按壓力等級分為 0.65 MPa 和 0.5 MPa 兩級運(yùn)行，既能滿足用戶的用氣壓力要求，又降低了全廠壓縮空氣系統(tǒng)耗電量。因此，降低離心空壓機(jī)出口壓力是可行的。

分析某廠家4種離心空壓機(jī)比功率，在進(jìn)氣壓力0.998 MPa（A），進(jìn)氣溫度為 35 ℃，相對濕度為 80%，冷卻水溫度為32℃情況下，比功率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 比功率統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表1可知，排氣壓力越高，機(jī)組比功率越大，能效越差；相同排氣壓力下，單臺(tái)排氣量越大的機(jī)組，比功率越小，能效越好。因此，對鋼企各工序壓縮空氣進(jìn)行分析，對各壓縮空氣用戶按壓力繼續(xù)分級管理輸配，降低部分離心空壓機(jī)出口壓力，可以有效降低全廠壓縮空氣系統(tǒng)的能耗。

7 降低全廠壓縮空氣系統(tǒng)輸送與使用過程能耗

降低壓縮空氣系統(tǒng)輸送與使用過程能耗是實(shí)現(xiàn)全廠壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能低耗運(yùn)行的重要手段之一。其主要措施包括優(yōu)化壓縮空氣管網(wǎng)設(shè)計(jì)，對管網(wǎng)局部阻力過大段進(jìn)行改造，減少輸送過程中的壓損，并在用氣負(fù)荷波動(dòng)較大的用戶前加裝儲(chǔ)氣罐等。

此外，壓縮空氣泄漏問題及不合理用氣也會(huì)造成能源浪費(fèi)。如果0.6 MPa壓縮空氣管網(wǎng)上有個(gè) 4 mm的小孔，該小孔泄漏將帶來每年3.12萬元的浪費(fèi)［3-5］。除泄漏問題外，還有諸如供氣壓力與設(shè)備（例如噴嘴等）不匹配造成用氣浪費(fèi)，現(xiàn)場工人存在間斷吹掃不作業(yè)時(shí)也連續(xù)供氣等違規(guī)操作造成用氣浪費(fèi)等多種不合理用氣現(xiàn)象。通過對壓縮空氣系統(tǒng)進(jìn)行巡檢查漏及規(guī)范用氣使用制度，可有效減少壓縮空氣泄漏及浪費(fèi)現(xiàn)象，提高壓縮空氣利用率。

8 結(jié)束語

本文針對在鋼企中廣泛應(yīng)用的離心空壓機(jī)，探討其節(jié)能技術(shù)，分析了進(jìn)口空氣參數(shù)對離心空壓機(jī)組功耗的影響，同時(shí)對離心空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：①進(jìn)氣溫度越大，相對濕度越大，含濕量越大，離心空壓機(jī)功耗越大；高溫下除濕帶來的節(jié)能效果比低溫好。含濕量每降低1 g/kg，離心空壓機(jī)軸功率可降低0.157%；氣溫每降低3 ℃，離心空壓機(jī)第一級壓縮軸功率降低1%左右。對離心空壓機(jī)的吸氣進(jìn)行冷卻、干燥處理，比如采用脫濕冷卻方式，可用來提高機(jī)組排氣量與效率，同時(shí)降低耗電量。②離心空壓機(jī)各級壓縮空氣冷卻存在大量余熱，可采用余熱發(fā)電、區(qū)域供暖和余熱制冷等方式充分利用離心空壓機(jī)的余熱，從而降低能源消耗和溫室氣體排放量。③可以采用變頻器、選擇合適的干燥裝置、降低排氣壓力、優(yōu)化壓縮空氣管網(wǎng)及減少泄漏等措施對離心空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能。