船廠空壓站節能技術和節能標準現狀研究

高道清 胡杰鑫 李巧平 老軼佳 李倩倩 王靖瑤 匡文琪

摘 要：空壓站是船廠的重要功能單元，其運行過程中存在能源浪費問題。本文重點針對船廠空壓站節能問題，從空壓機選型、變頻改造、供氣管網優化和余熱回收等角度，研究相關技術發展現狀；從國家標準、行業標準和團體標準等層級，分析現有相關節能標準布局情況；最終提出船舶空壓站節能領域標準化存在的問題。研究成果對未來船廠空壓站的節能降耗研究和節能標準建設具有一定的指導意義。

關鍵詞：船廠 ，空壓站，節能技術，節能標準

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.22.009

0 引 言

壓縮空氣是船廠的重要動力能源之一，主要應用于打磨、噴涂、噴砂等工藝流程。船廠空壓站是提供壓縮空氣的功能單元，具體由空壓機組、壓縮空氣凈化干燥設備、供配電系統、冷卻系統、儲氣罐、氣體輸送管路及其配件構成。隨著用氣規模的不斷擴大，空壓站成為船廠主要能源消耗單元，其能耗可占全廠總能耗的25%-40%。船廠空壓站巨大的能耗問題已備受關注，然而其節能降耗應用研究仍處于起步階段，針對船廠空壓站的節能標準化研究仍處于優化完善階段。因此，有必要梳理船廠空壓站節能問題，開展節能技術和節能標準現狀調研，以指導船廠空壓站節能技術研究和節能標準建設，提高船廠空壓站節能水平。

1 空壓站節能問題分析

1.1 選型不當

空壓機設備選型通常以最大負荷為依據，并在此基礎上增加1個安全系數。船廠工藝流程復雜，對壓縮空氣的需求量波動較大，按最大負荷選型后，往往會存在設備排氣壓力與排氣量均過大，甚至與實際需求不匹配的情況，造成不必要的能源浪費。此外，部分企業在選型過程中還存在過分強調設備一次性投資的問題，從而忽略了空壓機的能效指標[1]。

1.2 控制方式落后

目前，空壓站機組的加載和卸載，仍然主要依靠人工控制。機組加載過程爬升耗能高，卸載過程空載運行資源浪費大，故頻繁加、卸載的間歇運行方式造成了巨大能源浪費[2]。同時，這種運行方式還會導致供氣壓力波動大，沖擊空壓機內部元件和影響壓縮空氣的供氣質量。

1.3 管路損耗泄漏

壓縮氣體在管路傳輸過程中，由于管道的管徑、管頭、管長及其配件的設計不合理，往往會損耗排氣壓力。有關資料顯示，管道排氣壓力每損耗1×105 Pa，電能將多損耗7.5%[1-2]。由于空壓站設備的工作環境復雜，設備檢修保養的工作量很大，普遍存在管網腐蝕、孔洞，密封片老化、松動，以及其他管道配件受損等情況，如果得不到及時的維修，將大大加劇管網壓縮氣體泄漏風險（泄漏率可達20%-25%），進一步增加空壓站的能耗[3]。

1.4 余熱浪費

空壓機運行過程中將消耗大量的電能，其中約90%的電能被轉化為熱能。空壓機的運行溫度平均每上升 1℃，產氣量一般下降0.5%，故空壓機通常配備散熱系統并將這部分余熱作為“廢氣（約80℃-120℃）”排放[4]。研究表明，80%-94%的空壓機余熱可被回收[5- 6]， 這為余熱高效回收提供了理論依據。空壓機余熱存在品質較低、回收難度較大等問題，故多數船廠并未充分利用這部分熱能，空壓機的余熱浪費也造成了空壓站耗能高。

2 空壓站節能技術現狀

2.1 空壓機選型

空壓機的類型應根據船廠壓縮空氣流量要求的變化特點，明確系統基本負荷和變化負荷，在進行節能和經濟比較后確定。由于船廠用氣量大和需求量波動較大，對于基本負荷，可選用高效離心機組替換老舊空壓機；對于變化負荷，可采用節能效果顯著的變頻螺桿機組。因此，船廠常采用高效離心機組或高效離心機組+變頻螺桿機組合等形式，以達到降低空壓站能耗的目標。

2.2 空壓站系統變頻改造

船廠空壓站變頻系統常包括PLC控制器、變頻器、監測裝置以及傳感器等。在實際工程改造中，PLC 控制器可接收監測設備和傳感器的壓力信號等信息，并將其與設定的目標壓力進行比較，控制變頻器自動調整電機轉速，實現中間儲罐壓力與目標壓力相一致[7]。空壓站變頻改造后，確保穩定的輸出壓力，降低機組卸載時間（加載率可提高20%以上），減少電機空轉，大幅降低了整體空壓站能耗。

2.3 智慧空壓站改造

智慧空壓站是在常規空壓站的基礎上增加智能管控系統，利用網絡連接所有空壓機控制系統（如PLC控制器、變頻器、傳感器等），并在網絡中增加能效分析服務器和負荷調度控制器，用于監控空壓站的能效，并起到總體分配調度作用，實現數字化站房、智能化控制、無人值守和整站節能，最終達到節能降耗的目標[8]。2023年，上海外高橋造船進行智慧空壓站改造后，實現了精細化負荷調控，產氣效率提升16%以上，整體節能率可達25%以上。此次智慧空壓站的成功改造為船舶行業空壓系統改造和推廣起到了重要的標桿引領和借鑒作用。

2.4 供氣管網優化

合理布置管網，降低其阻力系數，比如船廠空壓站的供氣管網支管從主管的上邊或側面連接，盡量減少90°彎管（可采用曲率半徑大的彎管）、閥門、接頭及通流截面突變的管件等。管網負載應保持平衡，選用先進的密封技術，減少風管泄漏率。對供氣管網進行節能技術改造，在各氣體分配管路安裝電動調控閥以實現獨立分配氣體壓力。在管路安裝壓力監測裝置，加大供氣管網、接頭、閥門等維修保養力度。

2.5 余熱回收技術

目前，余熱回收技術主要包括熱交換技術、熱轉化技術和余熱制冷制熱技術。其中，船廠空壓站余熱回收最常用技術是熱交換技術，通過換熱設備能夠將自身余熱加以利用，進而減少能耗。在船舶制造業領域，青島北船重工首次提出了空壓機冷卻水余熱用于采暖和生活用熱的節能新思路[9]。周亮等[10]通過文獻調研發現空壓機余熱常采用預制熱水的方式回收利用，包括直接利用、潤滑油間接及熱泵方式，其回收周期為0.5-2.67年，回收率可達60%以上。2019年，江南造船廠首次大規模采用水源熱泵機組提取空壓站冷卻水余熱，余熱與冷水進行熱交換以制備生活熱水，這一創新性舉措提高了空壓站的整體節能效果。

3 空壓（機）站節能相關標準現狀

經過對現行國家標準、行業標準和團體標準的梳理分析，船廠空壓（機）站節能相關現行標準見表1。

3.1 國家標準

GB/ T 27883-2011《容積式空氣壓縮機系統經濟運行》、GB/T 26921-2011《電機系統（風機、泵、空氣壓縮機）優化設計指南》、GB 50029-2014《壓縮空氣站設計規范》和GB/T 16665-2017《空氣壓縮機組及供氣系統節能監測》主要涉及對空壓（機）站系統設計、運行和監測的整體性規范，為船廠行業企業空壓（機）站系統的節能減耗提供了重要指導。GB/T 19153-2019《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》和GB 18613-2020《電動機能效限定值及能效等級》則主要對空壓（機）站系統內的具體設備的能效等級和能效定值進行針對性規范，為船廠行業企業節能產品的能效標識、能效認證提供了重要依據。

GB/T 36218-2018《船舶生產企業主要耗能設備管理要求》首次規定了船舶建造過程中所使用的主要耗能設備（包括空氣壓縮機組）的使用管理、保養及維修管理和節能培訓與宣傳。標準的實施明確了船廠空壓機組使用管理要求，提高了空壓機組節能問題的識別效率，有利于優化設備運行和降低能耗。同時，標準還強調對能耗高于合格指標的空壓機組，應采用節能新技術、新方法和節能改造措施，這為后續空壓站節能技術研究和節能標準建設提供了支持和依據。

現行的國家標準存在對船廠空壓（機）站節能規范的指導性不強的問題。以GB/T 27883-2011《容積式空氣壓縮機系統經濟運行》和GB/ T 19153-2019《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》為例，標準的適用對象是容積式空壓機，而由于船廠用氣規模大，使用空壓機類型較多的是離心式空壓機，標準內容并不完全適用。此外，GB/T 36218-2018《船舶生產企業主要耗能設備管理要求》要求企業對空壓機組制定保養及維修的管理規定，未詳細提及具體管理措施，企業在組織實施過程中可能存在標準要求落實不徹底的問題。

3.2 行業標準

CB∕T 4497-2019《船舶行業變配電站、壓縮空氣站、氣體供應間、鍋爐房、泵站、油庫及加油站、加油車、材料堆場、物資倉庫安全要求》規定了船舶行業企業包括空壓站在內的相關站房的安全技術與管理要求。標準中關于空壓站安全要求中的部分措施具有節能性效果，比如標準要求壓縮空氣管道外觀無腐蝕、要求企事業單位應建立維護保養、巡檢規定，這有利于減少管路損耗泄漏和加強空壓站維護管理，從而降低能耗。

CB/T 4522-2022《船舶行業綠色工廠評價導則》中提到船廠的空壓站通用設備應對應達到GB/T19153-2019《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》和GB 18613-2020《電動機能效限定值及能效等級》中能效限定值的要求，并要求單位產品綜合能耗優于相關標準的限定值或準入值。因此，降低船廠空壓站能耗是評價船廠成為船舶行業企業綠色工廠的重要措施。CB/T 4522-2022《船舶行業綠色工廠評價導則》標準的實施促進了船廠空壓站節能技術的升級應用和相關節能技術標準的研究制定。

目前，船舶領域中仍缺乏空壓站節能相關的針對性行業標準。CB/T 4522-2022和CB∕T 4497-2019中涉及到船廠空壓站節能內容存在不全面、不具體的問題，比如CB∕T 4497-2019將管道維護保養、巡檢的規定的制定權交至具體單位，未列出全面詳細的具體條例。行業標準是國家標準的下一層標準，然而經過梳理發現，現有的行業標準并未有效補充標準體系，存在層級標準分布不合理的問題。

3.3 團體標準

T/CGMA 033001-2018《壓縮空氣站能效分級指南》規定了工業壓縮空氣站設備、系統要求，運行要求，能效指標和等級，能效計算、能效測量方法及綜合評價方法等。該標準結合GB/ T 16665-2017《空氣壓縮機組及供氣系統節能監測》中空壓機輸功效率和熱能回收利用率的計算方法，將兩者加權計入輸功效率得出綜合輸功效率，并將其作為空壓站能效分級的重要依據。目前，廣船國際等企業已建成節能效果顯著的一級能效壓縮空氣站，這表明《壓縮空氣站能效分級指南》為船廠空壓站能效優化指明了具體方向。

T/CGMA 033002-2020《壓縮空氣站節能設計指南》全面詳細地規定了空壓站的工藝節能設計、工藝設備選型、公用設施、監控系統、能效設計計算和能效驗收評價。《壓縮空氣站節能設計指南》彌補了國家標準和行業標準中空壓站系統節能設計標準的空白，為空壓站系統設計和改造提供節能設計標準。標準的實施將更好更快地推進船廠中T/CGMA 033001-2018《壓縮空氣站能效分級指南》規定的大于三級能效指標的空壓站建設。

空壓站余熱回收可大幅提高空壓機能源的利用效率，故在GB/T 16665-2017《空氣壓縮機組及供氣系統節能監測》和T/CGMA 033001-2018《壓縮空氣站能效分級指南》中，將熱能回收利用率列為一項重要的節能指標。然而，相關的國家標準和行業標準中并未詳細提及空壓站余熱回收利用方面的內容。T/QGCML 607-2023《空壓機余熱回收利用技術規程》的發布彌補了標準空白，它規定了空壓機余熱回收利用技術規程的術語和定義、構成及原理、技術要求、工藝流程、測試與驗收，為船廠螺桿空壓機余熱回收利用提供了重要標準依據。

團體標準是經營主體自主制定、發布、采納和自愿采用的標準。經過梳理分析發現，現有的團體標準有效地補充了空壓站節能標準體系。隨著空壓站新技術的出現和新要求的提出，團體標準的制定也在與時俱進，如T/ZJDJ 009-2023《壓縮機用超高效變頻調速永磁同步電動機》和T/CIET 099-2023《工業碳中和節能設備評價技術規范 壓縮機》等標準的發布。然而，在空壓機組變頻改造、智能改造等方面，仍缺乏更具指導性的標準依據。更加細化全面的節能標準，例如空壓站的節能性維護保養和余熱回收等，仍需要進一步補充和完善。

4 結 語

本文分析了空壓站節能問題，并總結了空壓站節能技術發展現狀，相關的節能技術發展迅速，但節能技術的應用能力較弱，建議進一步加強實踐經驗總結，強化成果轉化應用。梳理現有空壓站節能相關標準，總結現有標準的發展現狀和存在問題，可指導后續節能標準的建立和完善，以充分發揮標準的規范引領作用，提高船廠空壓站節能水平，滿足國家政策和市場要求。

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作者簡介

高道清，工程師，主要從事船舶標準化、綠色節能研究。

胡杰鑫，通信作者，高級工程師，主要從事標準數字化研究。

李巧平，工程師，主要從事船舶標準化、綠色節能研究。

老軼佳，研究員，主要從事船舶、企業標準化研究。

李倩倩，高級工程師，主要從事船舶、企業安全風險研究。

王靖瑤，高級工程師，主要從事船舶、企業安全風險研究。

匡文琪，高級工程師，主要從事船舶、企業安全風險研究。

（責任編輯：袁文靜）