鋼鐵企業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)電潛力及對策研究

周佃民

（上海寶鋼股份公司 能源環(huán)保部，上海 200941）

1 壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能的必要性

所謂壓縮空氣系統(tǒng)，顧名思義，即按照一定的質(zhì)量要求產(chǎn)生、供給與使用壓縮空氣的系統(tǒng)。壓縮空氣具有清晰透明、無污染、危險小、易輸送等特點[1]，主要用于氣用傳動、風動工具、冷卻、儀表、吹掃、干燥、切割及火焰處理等。除了用于儀表的氣體需要特殊干燥外，其他則直接供給用戶。

壓縮空氣系統(tǒng)占據(jù)工業(yè)企業(yè)能耗很大比重，約占其全部能耗的10%～35%[2]。對鋼鐵企業(yè)，據(jù)粗略估算，約占總用電的5%～15%。因此，作為用電大戶，壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)電問題是電力需求側(cè)管理中提高用電效率的重要工作之一。

在我國包括鋼鐵企業(yè)在內(nèi)的工業(yè)企業(yè)中，長期以來，壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能并沒有得到應有的重視，近年來伴隨著節(jié)能減排形勢的發(fā)展，壓縮空氣系統(tǒng)中存在的嚴重能源浪費問題日益得到重視，壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能正在成為我國一個重要而迫切的研究課題。

如圖1所示，壓縮空氣系統(tǒng)總的投入成本包括三大部分，即設備基本建設成本、設備日常運行維護保養(yǎng)成本（含異常修理）和系統(tǒng)能耗成本。設備基本建設和日常維護保養(yǎng)的成本只占壓縮空氣設備的整個壽命成本的很小部分，占系統(tǒng)總成本的25%左右。而在通常運行情況下，壓縮空氣系統(tǒng)運行能耗成本可占到系統(tǒng)壽命總成本的75%，可見壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能直接關系到企業(yè)的生產(chǎn)成本和投資效益，從而影響企業(yè)在行業(yè)中的競爭力。由此可見，壓縮空氣系統(tǒng)的能（電）耗問題在整個壽命周期中，必須得到足夠的重視。降低壓縮空氣系統(tǒng)的運行成本勢在必行。

圖1 壽命周期中空氣壓縮機投入成本結(jié)構(gòu)圖

當前，通過對空氣壓縮機系統(tǒng)在運行技術和運行管理等方面的優(yōu)化改進，挖掘節(jié)能潛力，降低空氣壓縮機運行成本[3]，壓縮空氣的節(jié)能技術正逐步在工業(yè)企業(yè)中得到應用。

本文通過國內(nèi)外的壓縮空氣使用現(xiàn)狀與能耗的比較，針對鋼鐵企業(yè)中壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能問題，對現(xiàn)有的壓縮空氣節(jié)能技術與潛力進行總結(jié)和分析，提出了在鋼鐵企業(yè)壓縮空氣節(jié)能方面的幾個重點方向，并對寶鋼的壓縮空氣節(jié)能現(xiàn)狀及對策進行了闡述。

2 我國壓縮空氣系統(tǒng)耗電概述

壓縮空氣系統(tǒng)是用電大戶，我國工業(yè)壓縮機的耗電量在2008年約為2140億kWh[4]，壓縮空氣用戶在氣動技術使用中廣泛存在效率偏低、浪費嚴重、欲實施節(jié)能也無從下手和缺乏經(jīng)驗等普遍問題。

在壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能的研究和實施上，日本走在世界的前列。文獻[4]中提到，在日本，產(chǎn)生0.6～0.9 MPa壓縮空氣，每立方米平均花費0.02～0.03美元，其中壓縮機用電費用占總運行成本的80%～90%。日本壓縮空氣系統(tǒng)的總耗電量占總生產(chǎn)用電量的10%～20%，達到了每年400億kWh（注：2006年數(shù)據(jù)）。從以上數(shù)據(jù)可以看出，日本GDP與我國相當，壓縮空氣耗電僅為我國的1/5。盡管兩國在用電結(jié)構(gòu)上存在一定差異，從數(shù)字上看，我國的壓縮空氣系統(tǒng)的用電效率尚需大幅度提高。

早在1997年10月，美國就成立了一個全國性的協(xié)作組織（Compressed Air Challenge）[5]，它整合了壓縮空氣系統(tǒng)設計、運行和評估等方面的信息，并幫助企業(yè)提高壓縮空氣系統(tǒng)的效率，獲得了巨大的經(jīng)濟效益，每年節(jié)約大約30億kWh的電能。

由于各國壓縮機的負荷率、使用壽命及工況均不相同，很難對其效率做出一個精確的計算，美國能源部2003年調(diào)查報告中給出了空氣壓縮機負荷的百分比表格可作為參考，如圖2所示。

在圖2中可以看出，中國平均使用空氣壓縮機負荷率遠遠低于發(fā)達國家的平均水平，說明我國壓縮空氣系統(tǒng)普遍存在機組匹配和系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式不合理的問題，呈現(xiàn)出“大馬拉小車”、“車馬不配套”的現(xiàn)象。此外，系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式落后，大部分機組還是采用機械節(jié)流加放散的調(diào)節(jié)手段[6]，其效率比變頻調(diào)速方式約低30%。

圖2 全球各地區(qū)平均使用空氣壓縮機負荷的百分比

這些問題的存在，說明我國在空氣壓縮機系統(tǒng)的裝備水平和運行管理上相對落后，在空氣壓縮機能源損耗方面的損失相當巨大，同時也表明了我國在空氣壓縮機節(jié)能方面還存在非常巨大的潛力和空間，在這個方面值得付出努力去推動和改進壓縮空氣系統(tǒng)整體效率的提升。

目前，我國這方面的工作正在啟動之中，比如：國家“十一五”十大重點節(jié)能工程中就包含電動機系統(tǒng)節(jié)能工程這一項。2006年，上海市經(jīng)濟委員會提出的《常用節(jié)能技術指導目錄》中，涉及壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能技術就有“提高空氣壓縮機自身效率”、“空氣壓縮機中央集中控制系統(tǒng)”、“壓力流量控制技術”、“空氣壓縮機采用變頻調(diào)速技術”、“壓縮空氣干燥工藝改進技術”、“壓縮空氣系統(tǒng)管路優(yōu)化”和“空氣壓縮機熱回收技術”等多項技術措施[7]。

3 鋼鐵企業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀

在鋼鐵企業(yè)中，壓縮空氣是鋼鐵生產(chǎn)過程中必不可少的能源介質(zhì)，使用區(qū)域遍布原料、煉鐵、煉鋼、軋鋼等鋼鐵生產(chǎn)鏈條的各個環(huán)節(jié)之中，與生產(chǎn)直接耦合在一起，如果供氣中斷將給企業(yè)正常生產(chǎn)帶來重大影響。正因為如此，在鋼鐵企業(yè)中，長期以來，從設計到實際運行，對安全裕度的考慮遠超過對運行經(jīng)濟性的考慮，從而帶來了大量的能源浪費。近年來，隨著節(jié)能形勢的發(fā)展，壓縮空氣的節(jié)能問題才得到逐步重視。

在鋼鐵企業(yè)中，據(jù)粗略估算，壓縮空氣系統(tǒng)耗電約占企業(yè)總耗電的5%～15%。壓縮空氣按照質(zhì)量主要分為動力普通壓縮空氣和儀表用氣，此外還有少量為煉鋼連鑄用汽霧冷卻壓縮空氣。

空氣壓縮機所產(chǎn)出壓縮空氣經(jīng)過冷干機處理后將含水量降低至壓力露點3～5℃，作為動力（普通）用壓縮空氣供給用戶，或經(jīng)過冷干機+吸附式干燥機處理后將含水量降低至壓力露點-20℃以下，除塵除油至含塵粒度小于5 μm，含塵量小于5 mg/m3，含油量不小于1 mg/m3，作為儀表用壓縮空氣供給用戶。煉鋼連鑄汽霧冷卻用壓縮空氣對空氣的含水量無要求，空氣壓縮機排氣直接供給連鑄使用。

在鋼鐵企業(yè)中，從用途來說，壓縮空氣的主要用途為：燒結(jié)氣力輸送、高爐噴吹、連鑄汽霧冷卻、轉(zhuǎn)爐底吹、鋼帶表面吹掃、各種氣動儀表閥門、氣動電動機、脈沖袋式除塵器等。

4 鋼鐵企業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能潛力及對策

壓縮空氣如同蒸汽、電力一樣，作為潔凈且容易維持供給的能源介質(zhì)在鋼鐵生產(chǎn)上得到廣泛的應用，其需求迅速增長。

圖3為某鋼鐵企業(yè)空氣壓縮站裝機產(chǎn)氣量的趨勢圖。

圖3 1991—2011年空氣壓縮機產(chǎn)氣量變化趨勢

圖4為壓縮空氣系統(tǒng)各部分耗電比例示意圖。在壓縮空氣系統(tǒng)中，主要耗能部分為壓縮機的電耗，約占總能耗的96%。

圖4 壓縮空氣系統(tǒng)各部分耗電比例示意圖

壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能，首先在于壓縮空氣用氣的節(jié)省，在末端的用氣設備上，比如：噴嘴、氣缸、噴射器等，減少壓縮空氣的浪費及低效率使用。這取決于2個方面的問題，一是提高員工的節(jié)能責任心，杜絕無效使用；二是根據(jù)工藝要求來改進終端用氣設備，如：噴嘴等，避免因為終端用氣設備的設計不合理而造成氣體浪費及需要提高供氣壓力造成產(chǎn)氣單耗上升等問題。以上主要談到的是“省氣”方面的內(nèi)容，這是整個系統(tǒng)中最大的節(jié)能潛力所在。

除了“省氣”，在壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能方面，還有以下幾個方面的技術：壓力流量控制技術、提高空氣壓縮機自身效率、空氣壓縮機中央集中控制系統(tǒng)、空氣壓縮機采用變頻調(diào)速技術、壓縮空氣系統(tǒng)管路優(yōu)化、空氣壓縮機熱回收技術和壓縮空氣干燥工藝改進技術等。

下面結(jié)合鋼鐵企業(yè)現(xiàn)狀對壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)電潛力及對策進行敘述。

4.1 壓縮空氣的不正確使用

壓縮空氣是一種“昂貴”的能源，不正確的使用會帶來不必要的能源浪費，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）將高壓氣體供給低壓用戶使用

如：開路吹掃、噴射（廢水處理工藝中的曝氣、攪拌）、給水霧化、稀釋相運輸（除塵灰氣力輸送）等情況。上述工況所需空氣的壓力較低，可以考慮采用風機供氣，以減少壓縮空氣在減壓過程中造成的能源浪費。

此外，因個別用戶需要較高供氣壓力，或不合理的供氣壓力要求，會造成空氣壓縮站提高出口設置壓力，從而提高了整體能耗。

（2）將儀表用壓縮空氣作為普通壓縮空氣使用

一般來說，鋼鐵企業(yè)儀表氣源的要求為：氣體露點低于-20℃（工況條件下），含塵粒度小于5 μm，含塵量小于5 mg/m3，含油量不小于1 mg/m3。

儀表用壓縮空氣一般是通過空氣壓縮站內(nèi)冷凍干燥機及吸附干燥機處理后得到的，采用儀表用氣供應普通用氣的場合則是對能源的浪費。

對于壓縮空氣的不正常使用的情況，無具體數(shù)據(jù)，僅根據(jù)美國電動機系統(tǒng)挑戰(zhàn)項目和中國電動機系統(tǒng)節(jié)能的實踐經(jīng)驗作為參考，消除不正確使用的原因可達到5%～10%的節(jié)能效果。

在這個方面需要建立專業(yè)壓縮空氣用氣審計團隊與制度，定期對鋼鐵企業(yè)內(nèi)部各區(qū)域壓縮空氣使用情況進行審計，并提出整改意見。

4.2 壓縮空氣的泄露

根據(jù)相關資料，直徑4 mm的小孔在0.6 MPa時壓縮空氣泄露量為0.98 m3/min,功率損耗約6.5 kW，每個月會浪費大約幾千元的電費，由于泄漏而造成的能源浪費相當可觀。泄漏問題普遍存在于氣缸、電磁閥門、氣動閥門、空氣處理元件等處。

另外鋼鐵企業(yè)的空氣壓縮站多數(shù)冷干機排水的同時都存在氣水混合的情況，也造成不同程度的浪費，更為嚴重的是現(xiàn)場管理人員遠遠低估了泄漏造成的損失。應針對冷干機排氣存在氣水混合的情況，改用先進的不銹鋼內(nèi)膽的氣水分離器與液位控制排水器，達到冷干機排水不排氣的效果。通過上述改進，同時考慮實際操作情況，估計壓縮空氣的電耗可降低約3%。

泄露點的監(jiān)測方法相對簡單，對泄露位置的整治可以通過能耗與投資的對比分析來決定是否整改。建議通過制定考核獎懲制度來定期治理。

4.3 壓縮空氣系統(tǒng)設計優(yōu)化

在系統(tǒng)優(yōu)化方面，主要有以下幾個部分的內(nèi)容。

（1）控制系統(tǒng)

螺桿機空氣壓縮站多數(shù)按照壓力梯度對空氣壓縮機進行加載、卸載設置或者人工對空氣壓縮機進行加載、卸載設置，缺少智能化集控設施及節(jié)能控制的手段，造成能源的浪費。新型螺桿機集控器，可設置單壓帶，使能源效率達到最高，同時通過優(yōu)化控制，減少空氣壓縮機的卸載時間，降低能耗。同樣，對于離心式空氣壓縮機，也存在集控系統(tǒng)在優(yōu)化邏輯上沒有設置或設置不合理的情況，從而造成電能浪費。

（2）管網(wǎng)系統(tǒng)

在鋼鐵企業(yè)中，由于不斷新增的技改項目，壓縮空氣的需求量不斷增加，而由于壓縮空氣管網(wǎng)沒有改造過，管網(wǎng)的輸送壓縮空氣的能力已不能及時適應變化后的需求情況，壓縮空氣輸送過程中損失較大。

通過對需求量分析，管道設計流速選擇，合理的設置管路，可減少壓縮空氣管路損失，降低能耗。

通過聯(lián)通管道，調(diào)節(jié)不同空氣壓縮站內(nèi)空氣壓縮機負荷，減少空載及放散，降低能耗。

（3）空氣壓縮站設備

采用壓縮熱干燥機（再生耗氣約2%）代替微熱再生式干燥機可節(jié)省約5%的耗氣量，但往往由于壓縮熱干燥機出口空氣露點（含水量）不能穩(wěn)定，需輔助電加熱。采用壓縮熱干燥機代替微熱再生式干燥機存在較大的節(jié)能潛力，應盡快推廣。

（4）壓力流量控制技術

由于用氣設備以及用氣點很多，用氣量隨著生產(chǎn)負荷的波動，有時會出現(xiàn)瞬時用氣量很大的情況，這通常會造成壓縮空氣系統(tǒng)管網(wǎng)壓力波動很大。所有壓縮空氣系統(tǒng)都具有保證系統(tǒng)正常運行的最低壓力的要求，系統(tǒng)供氣壓力超過最低壓力，那么系統(tǒng)將正常運行，系統(tǒng)供氣壓力再高則會導致系統(tǒng)耗氣量和空氣壓縮機能耗的增加。為了保證系統(tǒng)供氣始終滿足所有生產(chǎn)的正常運行，通常企業(yè)會抬高整個系統(tǒng)的供氣壓力，使系統(tǒng)壓力波動的最低點在大負荷事件發(fā)生時仍然高于系統(tǒng)中最高用氣壓力設備的壓力需求值。這就導致了在其它時段內(nèi)系統(tǒng)供氣壓力高于系統(tǒng)實際的壓力需求，系統(tǒng)耗氣量也隨之增加，最終使壓縮機能耗增加。

壓力流量控制器安裝于供氣側(cè)(空氣壓縮站)和用氣側(cè)(用氣設備)之間，其作用類似于水庫出口的水壩。利用其前后的壓力差和其上游配備的儲氣罐存儲的一定量的壓縮空氣，從而保證系統(tǒng)間歇大用氣量用戶引起的系統(tǒng)壓力波動，使系統(tǒng)在供應側(cè)和需求側(cè)之間達到動態(tài)平衡的同時，減少系統(tǒng)的放散，使系統(tǒng)耗氣量最小。

壓力流量控制器可以使壓縮空氣系統(tǒng)在任何情況下的供氣壓力保持穩(wěn)定，通常在±0.01 MPa范圍內(nèi)，而一般壓縮空氣系統(tǒng)的壓力波動范圍通常為0.07 MPa，有的甚至超過0.3 MPa，這樣可以減少系統(tǒng)人為虛假用氣量和系統(tǒng)泄漏量，提高系統(tǒng)儲氣能力和供氣可靠性。

適用于壓力波動大的系統(tǒng)，對于用氣設備現(xiàn)場無減壓控制的系統(tǒng)效果更好。

寶鋼熱軋2050單元空氣壓縮站已安裝了壓力穩(wěn)定裝置，安裝該裝置后年效益達37.4萬元[8]。

4.4 螺桿機變頻調(diào)節(jié)技術

螺桿式空氣壓縮機一般有2種調(diào)節(jié)方式，第一種是恒壓調(diào)節(jié)控制方式（節(jié)流控制），第二種是加卸載調(diào)節(jié)方式。前者適用于空氣壓縮機穩(wěn)定在大排氣量持續(xù)供氣、氣壓波動小的工況，后者適用于氣量與空氣壓縮機不匹配的情況。對后者的控制方式，采用變頻調(diào)節(jié)技術較為合適。

螺桿機變頻技術是較為成熟的技術，通過變頻節(jié)能的改造，改變電動機的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)氣量根據(jù)系統(tǒng)壓力值進行平滑調(diào)節(jié)，節(jié)能效果明顯。

根據(jù)寶鋼二期焦爐空氣壓縮站改造的經(jīng)驗，對2臺排氣量為12.8 m3/min的復盛壓縮機公司的有油螺桿空氣壓縮機進行變頻改造，能耗降低約20%，年節(jié)電13多萬kWh，2年之內(nèi)即可收回投資。

4.5 空氣壓縮機潤滑油更換

與礦物油相比，合成油牽引系數(shù)較低，能夠有效降低摩擦副表面間的摩擦，因而產(chǎn)生節(jié)能效果。選用合成油不僅能減少空氣壓縮機因高溫引起的積碳、減少潤滑故障及非計劃停機，同時也能夠延長換油周期、減少電能消耗和廢油排放。

雖然從購置成本上講，合成油遠高于礦物油，但結(jié)合節(jié)能效果綜合考慮，合成油則有較大的優(yōu)勢。通過將礦物油改為合成油，在寶鋼2號彩涂空氣壓縮站、1420空氣壓縮站進行試點，已經(jīng)取得了很好的效果。目前螺桿機能耗降低約4%～5%，離心機能耗降低約1%～2%。

5 寶鋼壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能

寶鋼的壓縮空氣系統(tǒng)在各廠區(qū)分區(qū)域相對獨立，主要機型為螺桿式壓縮機和離心式壓縮機，電動機的總裝機容量達到13萬kW以上。粗略估算，年用電量至少5億kWh。

盡管寶鋼的壓縮空氣系統(tǒng)總體運行狀況良好，可以基本滿足生產(chǎn)用氣需要，但是就節(jié)能來說，依舊存在較大的潛力。根據(jù)筆者調(diào)查，目前在不同程度上存在的主要問題如下：①終端用氣設備用氣優(yōu)化問題；②壓縮空氣泄露問題；③空氣壓縮機老化問題；④空氣壓縮站備機數(shù)設置問題；⑤供氣壓力與用氣壓力合理匹配問題；⑥壓縮機和管網(wǎng)運行調(diào)節(jié)模式優(yōu)化問題；⑦壓縮空氣系統(tǒng)能源計量考核問題；⑧壓縮空氣系統(tǒng)的輔助設備配置問題。

上述問題的存在都會對壓縮空氣系統(tǒng)能耗產(chǎn)生較大影響，但是通過采取一定的技術措施和管理手段可以達到節(jié)能降耗的目的。

因此，寶鋼壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能主要從4個層面考慮。

（1）在終端用氣設備上“省氣”。除了在管理上加強工作人員的節(jié)能責任心，避免不合理用氣、用氣浪費等，還對終端用氣設備進行改進，如：噴嘴，提高用氣的使用效率等。

（2）機組本身性能的提高。包括壓縮機本體優(yōu)化設計和壓縮機系統(tǒng)的變速調(diào)節(jié)技術以及輔助設備的技術改進，潤滑油系統(tǒng)改進等。

（3）壓縮空氣系統(tǒng)的管網(wǎng)設計、運行參數(shù)的匹配以及日常管理和維護。

（4）先進節(jié)能技術的使用，比如：壓力流量控制技術、空氣壓縮機集中控制技術和空氣壓縮機余熱回收技術等。

目前，寶鋼已經(jīng)專門組建了壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能團隊，通過大量的調(diào)研與技術交流，對全廠的壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能潛力進行梳理，10余個節(jié)能改造項目正在形成之中，年節(jié)電量將達到2000萬kWh以上。

6 結(jié)束語

壓縮空氣系統(tǒng)在工業(yè)企業(yè)中是能耗大戶，在鋼鐵企業(yè)中，更是一種主要的能源介質(zhì)，廣泛使用在鋼鐵生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)之中。壓縮空氣系統(tǒng)耗電約占鋼鐵企業(yè)用電的5%～15%。壓縮空氣從其成本上講，是一種“昂貴”的能源。壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能潛力巨大，應該引起國家與企業(yè)的足夠重視，大力推進壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能工作。

在鋼鐵企業(yè)中，對高耗能（電）的壓縮空氣系統(tǒng)進行節(jié)能改造，提高其運行效率，是一個系統(tǒng)工程。主要包括：提高用氣效率，減少浪費與泄露，高效電動機與壓縮機的優(yōu)化匹配，空氣壓縮機（包括管網(wǎng)）的設計制造技術的提升及空氣壓縮機調(diào)節(jié)技術的更新，優(yōu)化壓縮空氣運行參數(shù)等方面的綜合應用。這些方面既有管理問題，也有技術問題，需要進行綜合考慮。因此，壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能是一個長期持續(xù)改善的過程，針對具體個案，從各方面考慮，制定綜合方案，并加強對能耗指標的統(tǒng)計與考核，以取得切實的節(jié)能效果。

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