壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)的無人值守和節(jié)能優(yōu)化研究

潘 東，丁 煜，林旭升，陶衛(wèi)兵，朱世凱

(1.北京康吉森自動(dòng)化科技有限公司，北京 101318；2.中石化鎮(zhèn)海煉化公司，江蘇 寧波 315207；3.西安富邦智控工程有限公司，陜西 西安 710070)

0 引言

壓縮空氣常被稱為繼水、電、煤之后的第四種能源[1]。壓縮空氣通常是由電能轉(zhuǎn)化而來的，也有部分是由蒸汽透平驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化而來的。壓縮空氣便于控制，能夠靈巧而精確地完成指定的動(dòng)作;有良好的緩沖作用;工作過程中不發(fā)熱，而且沒有污染。相對于電力，壓縮空氣還具有以下特點(diǎn)：不產(chǎn)生火花；不怕超負(fù)荷；無觸電危險(xiǎn)；工作環(huán)境不受限制，即使在濕度大、溫度高或者灰塵多的環(huán)境依然可以工作。此外，壓縮空氣系統(tǒng)的主要元器件成本較低，系統(tǒng)也相對容易維護(hù)。因此，壓縮空氣系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，包括鋼鐵、石油、天然氣、食品、紡織、半導(dǎo)體、液晶、藥品、醫(yī)療、分析儀器、洗凈等行業(yè)。

因?yàn)橄碾娔苻D(zhuǎn)化成壓縮空氣能的比例相對較低，所以壓縮空氣也是一種昂貴的能源。現(xiàn)階段，我國大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)全部電力消耗的5%～35%是壓縮空氣能源消耗[2]。壓縮空氣系統(tǒng)的能耗已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)的主要能耗之一[3]。美國等國家的全國工業(yè)總耗電量的9%左右也是用于壓縮空氣系統(tǒng)的能耗[4]。而歐洲國家在壓縮空氣方面的耗電約占其工業(yè)總耗電量的10%[5-6]。在我國，2010 年空氣壓縮機(jī)的耗電量高達(dá) 2 700億度，約占全國工業(yè)總用電量的8.7%[7]。其中，工業(yè)壓縮機(jī)的耗電占壓縮空氣系統(tǒng)能耗的96%[8]。空氣壓縮機(jī)全生命周期成本中(以10年為周期)，能源成本占比高達(dá) 78%，而采購成本僅占 16%左右[9]。

本文重點(diǎn)研究了在單臺空氣壓縮機(jī)自動(dòng)控制的基礎(chǔ)上，對壓縮機(jī)的負(fù)荷分配、啟停調(diào)度等優(yōu)化策略。通過優(yōu)化策略，使整個(gè)壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)既能滿足各種工況的工藝要求，又能有效地降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

1 壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀分析

在我國工業(yè)企業(yè)的工廠中，現(xiàn)有的壓縮空氣系統(tǒng)仍然有15～30%的節(jié)能空間[10]。壓縮空氣系統(tǒng)能源效率不高的原因是多方面的。

首先是工廠自動(dòng)化程度低。很多企業(yè)實(shí)現(xiàn)了單機(jī)的自動(dòng)控制，但沒有實(shí)現(xiàn)整個(gè)壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)控制。以某企業(yè)的改造前狀況為例[11]。該企業(yè)有5臺40 m3和1臺20 m3空氣壓縮機(jī)。6臺空氣壓縮機(jī)除并管聯(lián)網(wǎng)向各車間供氣外，本身各自獨(dú)立運(yùn)行，全部由值班員人工進(jìn)行啟停控制。受市場波動(dòng)的影響，各生產(chǎn)線設(shè)備開動(dòng)情況隨訂單量的變化而變化，導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備不同時(shí)期及同一天的不同時(shí)段，對壓縮空氣需求量的變化很大。而值班室只有1塊機(jī)械式的氣壓表監(jiān)控總管壓力，空氣壓縮機(jī)的狀態(tài)全靠值班人員定時(shí)巡查掌握，每班應(yīng)開幾臺機(jī)全憑值班員經(jīng)驗(yàn)決定。值班員為了滿足各車間用氣需要，往往多開機(jī)組，導(dǎo)致有的機(jī)組長時(shí)間卸載運(yùn)行，消耗大量無用電能。根據(jù)數(shù)據(jù)收集階段的統(tǒng)計(jì)，機(jī)組的平均卸載運(yùn)行時(shí)間超過 30%，個(gè)別機(jī)組超過 60%，浪費(fèi)驚人。有時(shí)，車間現(xiàn)場氣壓已低于關(guān)鍵設(shè)備要求的最低工作壓力，引起設(shè)備報(bào)警停機(jī)，可值班員并沒有及時(shí)啟動(dòng)后備機(jī)組。

其次是壓縮氣體的使用成本被忽略。工業(yè)企業(yè)用戶普遍有這樣的一個(gè)錯(cuò)誤認(rèn)識，認(rèn)為壓縮空氣來自于大氣，數(shù)量巨大，而且不需要任何成本。所以壓縮空氣在使用的過程中大多存在多種不合理使用的情況，如泄漏、排空、減壓使用、給廢棄的設(shè)備供氣等，造成巨大的浪費(fèi)。

第三是優(yōu)化調(diào)節(jié)手段的欠缺。改變壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)整體狀況的手段多種多樣，包括啟停控制、加卸載控制、進(jìn)口調(diào)制(容調(diào))、變頻控制、臺數(shù)控制等。但不同調(diào)節(jié)手段的調(diào)節(jié)能力、能效水平、附帶影響均不相同。如壓縮機(jī)空載啟動(dòng)電流大約是額定電流的5～7倍，可能對電氣設(shè)備形成沖擊，頻繁啟停會(huì)導(dǎo)致電機(jī)壽命縮短；壓縮機(jī)在卸載狀態(tài)下一般仍需消耗大約 30%的功率；進(jìn)口調(diào)制的吸氣節(jié)流模式只能在一定范圍內(nèi)使壓縮機(jī)排氣量與實(shí)際消耗流量相匹配等。在滿足工藝生產(chǎn)需求的條件下，綜合考慮各方面的因素，選擇合適的調(diào)整方案，是一個(gè)復(fù)雜的優(yōu)化問題，難以靠人工、憑經(jīng)驗(yàn)解決。

當(dāng)前，國家明確提出“3060”雙碳目標(biāo)，要求CO2排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。壓縮空氣的“含碳量”也必將成為各用戶企業(yè)關(guān)注的問題。根據(jù)壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際運(yùn)行工況和負(fù)載變化情況，應(yīng)用仿真建模、操作優(yōu)化、控制優(yōu)化等系統(tǒng)工程理論技術(shù)，找到空氣壓縮機(jī)群的最佳運(yùn)行狀態(tài)、加卸載壓力、控制策略、啟停規(guī)則，實(shí)現(xiàn)壓縮空氣系統(tǒng)能耗的減少和供氣成本的降低，可以有效幫助企業(yè)降低壓縮空氣的“含碳量”，對實(shí)現(xiàn)“3060”雙碳目標(biāo)具有重要的實(shí)際意義。

2 壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)無人值守和節(jié)能優(yōu)化方案

2.1 總體架構(gòu)

壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)無人值守與節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)無人值守與節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

壓縮空氣廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，因此空氣壓縮機(jī)及其控制系統(tǒng)往往在企業(yè)的多個(gè)位置都有布署。要實(shí)現(xiàn)壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)無人值守和節(jié)能優(yōu)化，首先需要利用網(wǎng)絡(luò)連接所有的壓縮機(jī)控制系統(tǒng)，并在網(wǎng)絡(luò)中增加能效分析服務(wù)器和負(fù)荷調(diào)度控制器，分別用于系統(tǒng)能效監(jiān)控和總體分配調(diào)度。其中，負(fù)荷調(diào)度控制器通常采用兼具高可靠性和高可用性的硬件平臺，確保其作為整個(gè)系統(tǒng)管控中樞的穩(wěn)定性。

2.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)的無人值守和節(jié)能優(yōu)化總體目標(biāo)，可以分解為7個(gè)子目標(biāo)。

①單臺空氣壓縮機(jī)的自動(dòng)啟停。

②單臺空氣壓縮機(jī)的自動(dòng)加載卸載。

③單臺空氣壓縮機(jī)的節(jié)能優(yōu)化控制。

④空氣壓縮機(jī)群的實(shí)時(shí)能效監(jiān)控。

⑤空氣壓縮機(jī)群的負(fù)荷分配。

⑥空氣壓縮機(jī)的自動(dòng)啟停決策。

⑦異常工況/事故工況下的應(yīng)急處置。

2.2.1 基礎(chǔ)信息收集

壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)的全面基礎(chǔ)信息收集是優(yōu)化負(fù)荷分配、加卸載、啟停決策的基礎(chǔ)。所需收集的基礎(chǔ)信息如下。

①系統(tǒng)內(nèi)空氣壓縮機(jī)的臺數(shù)、種類、型號和額定排氣量等參數(shù)。

②空氣壓縮機(jī)負(fù)荷的可調(diào)區(qū)間。

③空氣壓縮機(jī)的檢維修周期。

④空氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在電氣系統(tǒng)里的分布情況。

⑤空氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)在蒸汽平衡中的調(diào)節(jié)空間。

⑥空氣壓縮機(jī)和主要用氣設(shè)備的空間分布情況。

⑦用氣設(shè)備的用氣量、用氣時(shí)間、用氣壓力的變化情況等。

2.2.2 單臺空氣壓縮機(jī)的全自動(dòng)操作和節(jié)能控制

單臺空氣壓縮機(jī)的全自動(dòng)啟停、加卸載、負(fù)荷調(diào)整和節(jié)能控制是壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)無人值守和節(jié)能優(yōu)化的基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)通過資料查詢、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、現(xiàn)場測試等方法，確定負(fù)荷調(diào)整空間；投用節(jié)能控制手段，降低單機(jī)能耗；縮短空氣壓縮機(jī)的啟停時(shí)間，提升對壓縮空氣需求的應(yīng)急響應(yīng)能力。

由于不同空氣壓縮機(jī)的型式、廠家和應(yīng)用環(huán)境不同，單臺空氣壓縮機(jī)的自動(dòng)啟停、自動(dòng)加載卸載、節(jié)能優(yōu)化控制的實(shí)現(xiàn)方式不盡相同，在此不再細(xì)述。

2.2.3 能效監(jiān)控

實(shí)際生產(chǎn)中，多數(shù)空氣壓縮機(jī)工作在非額定工況，效率與額定值相差較大。而且機(jī)組長期運(yùn)行，換熱器臟堵、缸體內(nèi)部結(jié)垢，都會(huì)造成能耗上升、效率下降。在壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)中要調(diào)整空氣壓縮機(jī)的負(fù)荷，以滿足工藝生產(chǎn)的需求時(shí)，空氣壓縮機(jī)的能效水平是關(guān)鍵尋優(yōu)參數(shù)之一。

空氣壓縮機(jī)能效實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊從各空氣壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)中采集空氣壓縮機(jī)入口的溫度、濕度；出口溫度、壓力、流量；驅(qū)動(dòng)端的輸入功率等參數(shù)(電機(jī)驅(qū)動(dòng)的使用電機(jī)電流、電壓；汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的則需要根據(jù)汽輪機(jī)出入口的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出功率計(jì)算)。利用這些參數(shù)，根據(jù)熱力學(xué)原理，在線計(jì)算出壓縮機(jī)每個(gè)區(qū)段的內(nèi)功率和多變效率。空氣壓縮機(jī)能效實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。能效計(jì)算結(jié)果通過過程控制的對象鏈接與嵌入(object linking embedding for process control,OPC)輸出到負(fù)荷分配模塊，作為機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)和啟停調(diào)度的依據(jù)。

圖2 空氣壓縮機(jī)能效實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)

2.2.4 負(fù)荷分配

當(dāng)壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)的用氣量發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)選擇適當(dāng)?shù)目諝鈮嚎s機(jī)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，以響應(yīng)用氣需求，避免壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)的壓力發(fā)生大幅波動(dòng)。負(fù)荷分配的調(diào)整原則如下。

①就近原則：當(dāng)可以明確變動(dòng)用氣量的用氣設(shè)備位置時(shí)，采用就近原則調(diào)整空氣壓縮機(jī)負(fù)荷，以滿足用氣需求。

②均衡原則：每組空氣壓縮機(jī)中各臺空氣壓縮機(jī)的能效基本均衡。如果是同型號的空氣壓縮機(jī)群，也可以按負(fù)荷均衡簡化處理。

③裕量原則：所有空氣壓縮機(jī)的富余負(fù)載能力之和應(yīng)能滿足最大單次變動(dòng)量的要求。其中，最大單次變動(dòng)量是指在單臺空氣壓縮機(jī)完成啟動(dòng)、加載和升負(fù)荷的時(shí)間內(nèi)，可能發(fā)生的最大用氣波動(dòng)量。在分析最大單次變動(dòng)量時(shí)，是否要考慮事故狀態(tài)的特殊用氣量，需要根據(jù)用氣單位事故風(fēng)險(xiǎn)等級確定。

負(fù)荷分配控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 負(fù)荷分配控制器結(jié)構(gòu)

2.2.5 啟停機(jī)自動(dòng)決策

啟停機(jī)自動(dòng)決策是實(shí)現(xiàn)無人值守的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)用氣需求的變化，綜合考慮各方面的因素，優(yōu)選合適的空氣壓縮機(jī)，將其啟動(dòng)或停止。啟機(jī)決策依據(jù)如下。

①已啟動(dòng)機(jī)組的富余總負(fù)荷不能滿足單次最大用氣變動(dòng)量的要求。

②待啟動(dòng)機(jī)組的能效水平。

③待啟動(dòng)機(jī)組滿足電氣系統(tǒng)的約束要求。

④待啟動(dòng)機(jī)組滿足本檢修周期內(nèi)運(yùn)行時(shí)間均衡的要求。

⑤在用的空氣壓縮機(jī)發(fā)生可檢測的故障或隱患。

⑥其他用戶特定的空氣壓縮機(jī)使用調(diào)度要求。

完成空氣壓縮機(jī)的啟動(dòng)后，應(yīng)對在用機(jī)組進(jìn)行重新的負(fù)荷分配，保證壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)的整體效率。

停機(jī)決策依據(jù)如下。

①已啟動(dòng)機(jī)組的富余總負(fù)荷超過單次最大用氣變動(dòng)量，且停用待停機(jī)組后仍能滿足。

②待停機(jī)組的能效水平。

③待停機(jī)組滿足電氣系統(tǒng)的約束條件。

④待停機(jī)組滿足本檢修周期內(nèi)運(yùn)行時(shí)間均衡的要求。

⑤在用機(jī)組發(fā)生可檢測的故障或隱患。

⑥其他用戶特定的空氣壓縮機(jī)使用調(diào)度要求。

2.2.6 異常工況/事故工況的應(yīng)急處置

異常工況/事故工況發(fā)生時(shí)，負(fù)荷調(diào)度控制器應(yīng)采取應(yīng)急響應(yīng)措施，保證整個(gè)壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的穩(wěn)定性。應(yīng)急處置措施如下。

①當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)，如電流信號丟失，則判斷為此臺空氣壓縮機(jī)故障。此臺空氣壓縮機(jī)將從負(fù)荷分配控制中退出，并自動(dòng)卸載停車，同時(shí)將按順序啟動(dòng)第一順位的備用空氣壓縮機(jī)。

②當(dāng)單臺空氣壓縮機(jī)聯(lián)鎖停機(jī)時(shí)，此臺空氣壓縮機(jī)將退出負(fù)荷分配，同時(shí)將按順序啟動(dòng)第一順位的備用空氣壓縮機(jī)。

③當(dāng)單臺壓縮機(jī)處于聯(lián)鎖或檢修狀態(tài)時(shí)，此臺空氣壓縮機(jī)將從啟停順控中切除。

④啟動(dòng)/停止過程中，如在一定時(shí)間內(nèi)未收到電機(jī)運(yùn)行信號，則判斷為啟動(dòng)/停止失敗。此時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)/停止下一順位空氣壓縮機(jī)。

3 應(yīng)用分析

某集團(tuán)煉鋼分廠的一個(gè)空壓站安裝了7臺1 000 kW級別的組合齒輪式離心式空氣壓縮機(jī)。改造優(yōu)化前，空氣壓縮機(jī)運(yùn)行不能按照需求變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，采用高負(fù)荷運(yùn)行模式，能效低下，造成能耗浪費(fèi)嚴(yán)重。通過布置壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)無人值守與節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)，應(yīng)用空氣壓縮機(jī)組性能控制、自動(dòng)啟停、負(fù)荷自動(dòng)調(diào)度等技術(shù)，使工廠壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能率達(dá)到了10.7%。

某石化企業(yè)新建乙烯裝置的空氣壓縮站共8臺電機(jī)拖動(dòng)空氣壓縮機(jī)，其中4臺由協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(coordination control system,CCS)控制，另外4臺由分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)控制。其中，4臺空氣壓縮機(jī)K601-K604配置4套單獨(dú)的CCS。4套單獨(dú)的CCS實(shí)現(xiàn)單臺機(jī)組的啟動(dòng)、停止及自動(dòng)加載調(diào)節(jié)負(fù)荷功能。DCS控制K605～K608的自動(dòng)啟停和負(fù)荷控制。負(fù)荷調(diào)度控制器總體控制K601～K608的負(fù)荷分配和啟停調(diào)度決策，實(shí)現(xiàn)了空氣壓縮機(jī)群的無人值守和全自動(dòng)控制，保證母管及輸出管線的壓力穩(wěn)定。

通過實(shí)施壓縮空氣的無人值守和節(jié)能優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了5套系統(tǒng)8臺空氣壓縮機(jī)的自動(dòng)調(diào)度；單臺空氣壓縮機(jī)的自動(dòng)啟停及加載卸載；空氣壓縮機(jī)的自動(dòng)啟停順序判斷；空氣壓縮機(jī)自動(dòng)投用性能控制；空氣壓縮機(jī)的負(fù)荷分配；不同工況下的機(jī)組啟停方案。實(shí)際運(yùn)行中，壓縮空氣輸出壓力波動(dòng)小于0.01 MPa。

4 結(jié)論

壓縮空氣在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用極廣，但大部分企業(yè)對于壓縮空氣的自動(dòng)化水平和節(jié)能空間認(rèn)識不足，普遍存在較為嚴(yán)重的浪費(fèi)現(xiàn)象。

本文提出的壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)無人值守和節(jié)能優(yōu)化解決方案可以有效地幫助企業(yè)提高自動(dòng)化水平，減輕一線員工的操作負(fù)荷，降低能耗水平和壓縮空氣的“含碳量”。當(dāng)然，要提升壓縮空氣網(wǎng)絡(luò)的綜合運(yùn)行水平，還需優(yōu)化初始的設(shè)計(jì)方案，加強(qiáng)日常的生產(chǎn)管理，才能使技術(shù)發(fā)揮最大的效用。