李學(xué)波，龐粟元

（1.中電神頭發(fā)電有限責(zé)任公司，山西朔州 036899；2.上海博御節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰?，上海 200233）

0 引言

空壓機(jī)在汽車、化工、能源利用等各種行業(yè)廣泛使用，也是這些行業(yè)中的耗能大戶。有資料統(tǒng)計(jì)顯示，一般空壓機(jī)系統(tǒng)所消耗的電能占企業(yè)電力消耗的20%～30%，因此降低空壓機(jī)能耗是壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能降耗的關(guān)鍵［1-4］。在學(xué)術(shù)和工程實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)其節(jié)能改造研究較多。邵慧等［5］通過對(duì)壓氣機(jī)系統(tǒng)中安裝余熱回收裝置，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)系統(tǒng)的能耗降低和低成本運(yùn)行。楊兆泉［6］則分析了造紙行業(yè)中空壓機(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)改造與節(jié)能措施，通過恒壓控制等手段實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)節(jié)能。焦義等［7］則從分子熱力學(xué)和流體力學(xué)的角度探究了吸氣參數(shù)和管道粗糙度對(duì)螺桿式空氣壓縮機(jī)能耗的影響規(guī)律并根據(jù)分析結(jié)果提出在工業(yè)應(yīng)用中應(yīng)適當(dāng)降級(jí)壓氣機(jī)吸氣溫度、濕度和排氣壓力，采用表面光滑管道的節(jié)能方案。肖漢敏等［8］通過實(shí)例分析說明對(duì)空壓機(jī)實(shí)施聯(lián)控系統(tǒng)改造和進(jìn)行余熱回收后，能夠很好地為企業(yè)降低空壓機(jī)運(yùn)行成本，更充分地利用能源。顧天林［9］則通過對(duì)上海電機(jī)廠的第三空壓站多臺(tái)螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行分析后提出對(duì)壓縮機(jī)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造并取得了實(shí)際節(jié)能效果。目前多臺(tái)螺桿式空壓機(jī)系統(tǒng)在電力行業(yè)十分常見，是一種典型的壓縮空氣生產(chǎn)系統(tǒng)［10-11］。對(duì)于該類系統(tǒng)，作者團(tuán)隊(duì)立足應(yīng)用現(xiàn)實(shí)情況，在長(zhǎng)期分析其控制策略及能耗效率后，經(jīng)過理論評(píng)估和計(jì)算驗(yàn)證，確定該類系統(tǒng)存在2個(gè)弊端：能耗效率低和目標(biāo)壓力控制穩(wěn)定性不高。

針對(duì)該類系統(tǒng)存在的弊端問題，本文作者及團(tuán)隊(duì)將結(jié)合更加先進(jìn)的空壓機(jī)及配套設(shè)施的技術(shù)，嘗試通過對(duì)系統(tǒng)的升級(jí)達(dá)到以上2個(gè)問題的解決。本文基于對(duì)真實(shí)的多臺(tái)螺桿式壓縮機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和理論計(jì)算，旨在討論在這種典型系統(tǒng)中通過改進(jìn)系統(tǒng)控制方式以提升各種設(shè)備本機(jī)效率所帶來的節(jié)能潛力。

1 典型多臺(tái)螺桿式空壓機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)分析

圖1示出了本文所研究的空壓機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)具體特點(diǎn)為采用并聯(lián)方式給廠用儀表及吹灰用氣聯(lián)合供氣，通過對(duì)單臺(tái)螺桿式空壓機(jī)采用加卸載壓力控制方式，并對(duì)多臺(tái)機(jī)組采用錯(cuò)開的壓力帶設(shè)定的方法來實(shí)現(xiàn)多機(jī)組的并聯(lián)和自動(dòng)啟停。系統(tǒng)中9臺(tái)螺桿式空壓機(jī)均為加卸載控制，并通過壓力帶階梯性設(shè)定的方法進(jìn)行系統(tǒng)控制?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的螺桿式空壓機(jī)臺(tái)在電廠主發(fā)電機(jī)2臺(tái)全開的情況下，常規(guī)開機(jī)7～8臺(tái)，母管壓力控制點(diǎn)為0.56 MPa。系統(tǒng)中對(duì)多臺(tái)螺桿機(jī)的壓力帶設(shè)定需同時(shí)考慮保護(hù)機(jī)組和兼顧系統(tǒng)需求，故遵循以下幾點(diǎn)原則：

（1）加載和卸載壓力設(shè)定通常保持0.06 MPa的壓力差，以兼顧壓力傳感器精度，同時(shí)保護(hù)空壓機(jī)免于頻繁加卸載。

（2）多臺(tái)空壓機(jī)的加卸載壓力帶設(shè)定階梯型錯(cuò)開，以避免加載或者卸載動(dòng)作時(shí)，多臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)動(dòng)作的情況，該類同時(shí)動(dòng)作會(huì)帶來系統(tǒng)壓力的劇烈波動(dòng)和多臺(tái)空壓機(jī)的頻繁加卸載，無論對(duì)下游設(shè)備還是空氣壓縮機(jī)本體都有較大損害。

（3）多臺(tái)空壓機(jī)的壓力設(shè)定值階梯寬度為0.02 MPa，壓差過小產(chǎn)生的問題如（2）所述，壓差過大則系統(tǒng)響應(yīng)緩慢且母管壓力不穩(wěn)定。

圖1 某廠空壓站系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)的控制策略為：保證8臺(tái)空壓機(jī)在母管網(wǎng)壓力高于0.6 MPa時(shí)不卸載，在低于0.56 MPa時(shí)主動(dòng)加載，多臺(tái)空壓機(jī)的壓力帶設(shè)定如圖2所示。

圖2 多臺(tái)空壓機(jī)的壓力帶

該系統(tǒng)設(shè)定方法雖最大限度的利用本機(jī)的加卸載壓力帶控制功能達(dá)到了系統(tǒng)壓力控制的要求，但仍存在不可避免的系統(tǒng)現(xiàn)象如下所述：

（1）系統(tǒng)中的主備機(jī)次序確定，9號(hào)機(jī)到1號(hào)機(jī)的次序?yàn)橹鳈C(jī)到備機(jī)的次序。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，1至9號(hào)空壓機(jī)依次加載，并依次卸載，控制邏輯為9號(hào)空壓機(jī)總是最后一個(gè)卸載同時(shí)第一個(gè)加載，同理1號(hào)空壓機(jī)為最后一個(gè)加載第一個(gè)卸載。該主備機(jī)次序只能通過現(xiàn)場(chǎng)改變各臺(tái)空壓機(jī)的壓力帶設(shè)定來實(shí)現(xiàn)。

（2）當(dāng)系統(tǒng)的用氣量波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)母管的壓力會(huì)隨著氣量的縮小而逐步的升高，波動(dòng)區(qū)間在0.54～0.76 MPa之間變化。例如系統(tǒng)在單臺(tái)爐運(yùn)行時(shí)，如果系統(tǒng)氣量?jī)H為3～4臺(tái)螺桿式空壓機(jī)的需求，那么母管壓力會(huì)在0.62～0.7 MPa之間波動(dòng)且無法準(zhǔn)確控制，該壓力比系統(tǒng)的實(shí)際需要平均高了0.1 MPa。

（3）系統(tǒng)永遠(yuǎn)存在0.08 MPa的壓力波動(dòng)是無法通過現(xiàn)有邏輯控制的。

以上3點(diǎn)系統(tǒng)現(xiàn)象無法通過現(xiàn)有的控制設(shè)定方式來避免，必須通過大量的現(xiàn)場(chǎng)手工調(diào)整來實(shí)現(xiàn)，而人工調(diào)整設(shè)定帶來了響應(yīng)不及時(shí)的弊端以及潛在錯(cuò)誤率的提高。如果不能頻繁調(diào)整，則現(xiàn)有系統(tǒng)壓力帶設(shè)定的運(yùn)行現(xiàn)象將導(dǎo)致如下不利的控制后果：

（1）無法實(shí)現(xiàn)機(jī)組的輪換，機(jī)組的壽命差異擴(kuò)大，導(dǎo)致維修保養(yǎng)的困難。

（2）系統(tǒng)氣量需求變動(dòng)為50%的時(shí)候（電廠換季和大修時(shí)的常見現(xiàn)象），壓縮空氣整體管網(wǎng)壓力上升0.1 MPa導(dǎo)致能耗增高。

（3）系統(tǒng)即使?jié)M載，用氣量?jī)H10%左右的需求變化就會(huì)導(dǎo)致0.08 MPa左右的壓力區(qū)間波動(dòng)，且無法通過現(xiàn)有控制邏輯控制，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗進(jìn)一步增高。

2 分析與討論

2.1 系統(tǒng)母管壓力上升和波動(dòng)影響分析

空氣壓力無意義的提升需要額外消耗能源，由此得出無意義能耗浪費(fèi)的比率。對(duì)于電廠主要的壓縮空氣需求端——輸灰用氣和儀表用氣，0.58 MPa的母管壓力均能滿足正常生產(chǎn)需求，同時(shí)更高的壓縮空氣壓力不能額外帶來生產(chǎn)效率的提升。在上一節(jié)的壓力帶設(shè)定的情況下，全年空壓站的空壓機(jī)設(shè)定參數(shù)沒有改變，而該電廠2017年全年有冬季6個(gè)月開2臺(tái)發(fā)電機(jī)組，夏季6個(gè)月開單臺(tái)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，則全年一半時(shí)間系統(tǒng)壓力維持在不必要的0.62 MPa，另外一半時(shí)間系統(tǒng)壓力維持在不必要的0.72 MPa，我們通過理論進(jìn)行分析該情況會(huì)帶來多少額外的能源消耗。

由于該項(xiàng)目螺桿式壓縮機(jī)為單級(jí)壓縮，可以理解為絕熱壓縮，根據(jù)絕熱功計(jì)算公式可以計(jì)算不同出口壓力下的功耗對(duì)比：

經(jīng)計(jì)算可知，在取夏季絕對(duì)溫度303 K，冬季絕對(duì)溫度273 K時(shí)，夏季0.72 MPa的管路壓力運(yùn)行對(duì)比正常僅需0.58 MPa的管路壓力運(yùn)行額外耗功24.2%，冬季0.62 MPa的管路壓力運(yùn)行對(duì)比正常僅需0.58 MPa的管路壓力運(yùn)行額外耗功6.9%。

2.2 系統(tǒng)設(shè)備能耗提升潛力分析

本文所述螺桿式空壓機(jī)系統(tǒng)涉及兩類主要的影響系統(tǒng)單位氣體比功率的單體設(shè)備：?jiǎn)渭?jí)壓縮螺桿式空壓機(jī)以及無熱再生吸附式干燥機(jī)。

單級(jí)壓縮螺桿式空壓機(jī)的壓縮過程是在主機(jī)頭內(nèi)陰陽轉(zhuǎn)子共同作用下完成的，該過程僅有機(jī)頭本體的環(huán)境散熱中并無中間冷卻，可以看作絕熱壓縮過程。而多級(jí)壓縮機(jī)，由于壓縮過程中有中間冷卻的環(huán)節(jié)，則更接近等溫壓縮過程。在熱力學(xué)規(guī)律下，等溫壓縮是最節(jié)能的壓縮過程，而相對(duì)而言最容易實(shí)現(xiàn)的壓縮過程——絕熱壓縮是能耗效率最差的。圖3示出了等溫壓縮與絕熱壓縮能耗曲線，比較可以得出斜率越大壓縮能耗效率越低。

圖3 等溫壓縮與絕熱壓縮能耗曲線對(duì)比

現(xiàn)有系統(tǒng)中采用無熱再生吸附式干燥機(jī)，由于其在再生過程中使用未經(jīng)加熱的壓縮空氣進(jìn)行吸附劑再生，消耗的已壓縮空氣的量通常占產(chǎn)氣量的14%～15%?？紤]到在0.6 MPa壓力下110 ℃飽和濕空氣的含水量達(dá)到40 ℃的飽和濕空氣的6倍以上，通過利用三級(jí)壓縮的離心機(jī)末級(jí)排氣溫度100～120 ℃的余熱資源，對(duì)吸附式干燥機(jī)的再生空氣進(jìn)行加熱，則可有效將干燥機(jī)再生吸附劑工作流程中所消耗的壓縮空氣量由14%～15%降至2%～3%。圖4示出了余熱再生干燥機(jī)的流程。

圖4 余熱再生干燥機(jī)流程

2.3 多臺(tái)螺桿式空壓機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)改進(jìn)方案及驗(yàn)證

綜上所述，對(duì)于本文所討論的多臺(tái)螺桿式空壓機(jī)配置無熱再生干燥機(jī)的系統(tǒng)，系統(tǒng)節(jié)能改造的方案措施分析歸納如下：

（1）提高主設(shè)備能耗效率，采用三級(jí)壓縮的離心式空壓機(jī)來代替單級(jí)壓縮的螺桿式空壓機(jī)。

（2）提高后處理設(shè)備能耗效率，采用耗氣量更低的余熱再生式干燥機(jī)替代組合無熱再生式干燥機(jī)。

（3）提升系統(tǒng)控制水平，降低不必要的母管壓力水平和壓力波動(dòng)，通過監(jiān)測(cè)母管壓力進(jìn)行多臺(tái)空壓機(jī)聯(lián)鎖控制的方式替代本機(jī)壓力帶錯(cuò)開設(shè)定的方式進(jìn)行系統(tǒng)控制。

系統(tǒng)經(jīng)過改造后系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 改造后系統(tǒng)

2016至2019年改造前后的用電對(duì)比見表1，從表中可以發(fā)現(xiàn)，2016年至2019年4月改造前空壓站用電占電廠產(chǎn)電比率為0.321 1%，改造后2019年5～10月空壓站用電占電廠產(chǎn)電比率為0.145 4%，平均耗電率值可降低0.175 7%廠用電率。空壓站節(jié)能升級(jí)改造后到2019年10月底實(shí)現(xiàn)節(jié)約廠用電408.751萬千瓦，按每千瓦0.332元算，可節(jié)約135.705萬元，平均每月可節(jié)約68萬度電，每月節(jié)約22.5萬元，年效益達(dá)到270萬元，項(xiàng)目投資回報(bào)周期低于2年，效果十分顯著。

表1 電廠空壓展節(jié)能升級(jí)改造用電情況對(duì)比

3 結(jié)語

本文通過對(duì)電廠多臺(tái)螺桿式空壓機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析，從系統(tǒng)壓力帶階梯控制和配套吸附式干燥機(jī)的余熱利用2個(gè)方面進(jìn)行了理論計(jì)算和現(xiàn)狀分析，提出了壓力帶階梯控制的兩大弊端：（1）控制壓力帶過寬；（2）季節(jié)變工況下的不具備自調(diào)節(jié)能力。這兩點(diǎn)都會(huì)導(dǎo)致壓縮空氣系統(tǒng)母管壓力的高出設(shè)定值和能耗提高。吸附式干燥機(jī)利用壓縮空氣系統(tǒng)余熱可有效地將再生壓縮空氣消耗量從14%～15%的水平降低到2%～3%的較低水平，具備大量的節(jié)能空間。通過對(duì)系統(tǒng)增加一臺(tái)三級(jí)壓縮離心式空壓機(jī)和配套壓縮熱再生干燥機(jī)，并將整個(gè)系統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖控制后，成功驗(yàn)證并解決上述弊端并實(shí)現(xiàn)了整個(gè)空壓站超過40%的節(jié)能效果。