壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化技術(shù)

劉 興，步 彬

引言

冶金行業(yè)已經(jīng)步入減量發(fā)展時(shí)代，節(jié)能減排和環(huán)保控制成為企業(yè)經(jīng)營(yíng)的首要目標(biāo)，加大生產(chǎn)原料供給側(cè)的結(jié)構(gòu)改革，降低生產(chǎn)成本、增加能源利用率成為企業(yè)新的效益增長(zhǎng)點(diǎn)。在企業(yè)生產(chǎn)中，壓縮空氣應(yīng)用日益廣泛，由于潔凈、易輸送的特性，被廣泛運(yùn)用于工業(yè)控制系統(tǒng)，壓縮空氣能耗占企業(yè)全部電力消耗的10%～40%，成為僅次于電力的第二大動(dòng)力源[1]。通過壓縮機(jī)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，壓縮機(jī)耗電占中國(guó)總發(fā)電量的8.9%，而歐洲及日本等主要發(fā)達(dá)國(guó)家約為10%[4]。在2003年美國(guó)能源部的調(diào)查報(bào)告統(tǒng)計(jì)中[5]，全球各地區(qū)平均使用空壓機(jī)負(fù)荷的百分比如圖1，而我國(guó)空壓機(jī)負(fù)載率僅為66%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的平均水平。

根據(jù)美國(guó)能源部統(tǒng)計(jì)，空壓機(jī)氣體壓縮能耗僅占其全部電能的15%，剩余大部分轉(zhuǎn)換成熱量，被冷卻設(shè)施排放至大氣中，其中有60%的余熱可被利用，約占?jí)嚎s機(jī)功率的51%[6]，可為企業(yè)帶來巨大的節(jié)能降耗空間。由此可見，壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能減排在企業(yè)能源優(yōu)化上有著巨大的提升潛力。

圖1 全球各地區(qū)平均使用空壓機(jī)負(fù)荷的百分比

1 冶金壓縮空氣系統(tǒng)簡(jiǎn)介

冶金壓縮空氣系統(tǒng)的分類方法很多，可以按品質(zhì)分類，也可以按壓力分級(jí)，還能按照用戶來區(qū)分。一般來講，按空氣品質(zhì)分類居多，可分為動(dòng)力、凈化用氣兩個(gè)不同種類。動(dòng)力用氣即普通生產(chǎn)用氣，一般壓縮空氣只需冷卻、排水就可使用，而凈化用氣需要對(duì)其進(jìn)行冷卻排污、干燥脫水、除塵凈化等工序方可使用，多用于儀表控制系統(tǒng)，也稱作儀表氣。

2 壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能思路

圖2 凈化壓縮空氣生產(chǎn)流程示意圖

在壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能研究上，美日等國(guó)走在了世界前列，如美國(guó)CAC項(xiàng)目、新西蘭CAS項(xiàng)目、澳大利亞EEAP項(xiàng)目等[7-9]，其針對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)和評(píng)估等方面進(jìn)行系統(tǒng)地研究，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)尚未形成全國(guó)性的科研組織，其研究還處于獨(dú)立、初期探索階段，這對(duì)于我國(guó)空壓機(jī)年電耗近3000億kW·h的規(guī)模來講，推進(jìn)壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能有望年節(jié)約用電600億kW·h，將是一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)鏈[10]。

2.1 空壓站平面布局決策

根據(jù)用戶分布情況及使用特點(diǎn)，空壓站應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采用適宜的布局策略，如用氣點(diǎn)比較單一、用戶之間距離較遠(yuǎn)，且用氣品質(zhì)不同時(shí)可采用就近單站布置原則；當(dāng)用氣點(diǎn)比較散亂、用氣壓力規(guī)格相近時(shí)，則可考慮集中供應(yīng)原則。

單站布置原則，側(cè)重于用戶就近使用，優(yōu)點(diǎn)是能夠減少輸送管網(wǎng)的投資，降低壓縮設(shè)備輸送能耗比；缺點(diǎn)是壓縮設(shè)備產(chǎn)能需與用戶消耗量相匹配，一旦工況發(fā)生變動(dòng)，易造成空壓機(jī)放散，或低負(fù)荷遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)最佳工況點(diǎn)運(yùn)行，造成壓縮效率下降。

集中布置原則，適合成群用戶點(diǎn)使用，優(yōu)點(diǎn)是空壓機(jī)運(yùn)行效率較高、管網(wǎng)壓力波動(dòng)較??；缺點(diǎn)是輸送管網(wǎng)初始投資大，因?yàn)橐档洼斔湍芎谋?，需要較大的管徑來減少流速，以期降低管網(wǎng)沿程阻力損失。

兩種布置原則各有優(yōu)缺點(diǎn)，前期規(guī)劃決策時(shí)，應(yīng)先通過調(diào)研和經(jīng)濟(jì)分析，再折算成歷年的能耗效益指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，來決定企業(yè)所需的最佳空壓站布局方案。

2.2 壓縮空氣系統(tǒng)供需平衡動(dòng)態(tài)管理

對(duì)于采用集中布置的壓縮空氣管網(wǎng)系統(tǒng)，一般采用多臺(tái)空壓機(jī)并聯(lián)外送模式，其投運(yùn)空壓機(jī)的總產(chǎn)能應(yīng)接近管網(wǎng)最大用氣量，并保持一定冗余度，使之能夠適應(yīng)外部用戶小范圍內(nèi)的用量波動(dòng)，從而使管網(wǎng)維持相對(duì)平穩(wěn)的運(yùn)行壓力區(qū)間。

從空壓機(jī)特性曲線圖可知，其工作特性曲線呈拋物線狀，在其最佳工作點(diǎn)一定范圍內(nèi)，空壓機(jī)運(yùn)行效率最高。因此，可以根據(jù)用戶需求的接點(diǎn)處壓力，加上輸送管網(wǎng)的阻力損失后，就可以進(jìn)行空壓機(jī)選型，工作區(qū)間在此壓力范圍內(nèi)的空壓機(jī)運(yùn)行效率最高。

圖3 空壓機(jī)的特性曲線示意圖

根據(jù)流體力學(xué)原理，壓縮空氣系統(tǒng)輸送管網(wǎng)的阻力損失與流量成平方比關(guān)系，即：

式中，ΔP——管網(wǎng)總阻力損失，Pa；

S——管網(wǎng)綜合阻力系數(shù)；

Q——空氣輸送量，m3/h。

空壓機(jī)的電機(jī)功率計(jì)算公式：

式中，N——空壓機(jī)電機(jī)功率，W；

Ny——空壓機(jī)的有效功率，W；

η——空壓機(jī)的全壓效率系數(shù)；

P——空壓機(jī)排氣壓力，Pa。

由此可見，管網(wǎng)輸送流量越多，管網(wǎng)阻力損失越大，而空壓機(jī)所需的排氣壓力就越高，最后導(dǎo)致空壓機(jī)組的能耗也高。因此，根據(jù)冶金企業(yè)生產(chǎn)情況，減少消耗用氣量，調(diào)整用氣波峰波谷時(shí)段，對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)供需進(jìn)行動(dòng)態(tài)平衡優(yōu)化，可以降低空壓機(jī)組的運(yùn)行能耗。

2.3 壓縮空氣系統(tǒng)生產(chǎn)工藝優(yōu)化

根據(jù)壓縮空氣生產(chǎn)流程，空壓機(jī)就是采用一種動(dòng)力設(shè)備，將空氣的體積進(jìn)行壓縮，提高其壓力后，作為一種動(dòng)力源進(jìn)行使用。針對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能減排，可以從壓縮機(jī)做功效率、干燥凈化損耗、空壓機(jī)出口管路設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究，以期提高設(shè)備能效比，降低運(yùn)行成本。

2.3.1 提高壓縮機(jī)做功效率

根據(jù)理想氣體公式，絕熱壓縮時(shí)溫度與壓力成反比關(guān)系。因此，在選用適當(dāng)?shù)膲嚎s比級(jí)數(shù)后，要保持級(jí)間冷卻設(shè)施完好，使用較涼的循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷卻，降低次級(jí)吸入口處空氣溫度，可以提高空壓機(jī)的產(chǎn)氣能力，從而降低機(jī)組能耗。

圖4 凈化空氣干燥器傳統(tǒng)工藝與新技術(shù)流程對(duì)比示意圖

此外，對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)部件應(yīng)定期進(jìn)行維護(hù)，確保轉(zhuǎn)動(dòng)部件處于良好潤(rùn)滑狀態(tài)，可有效降低空壓機(jī)的功耗比。

2.3.2 降低干燥凈化損耗

對(duì)于儀表氣而言，壓縮空氣還需經(jīng)過干燥凈化處理。干燥凈化工藝一般有兩種，即冷凍除濕和吸附脫水。冷凍法除濕，是利用冷凍機(jī)換熱翅片將空氣冷卻至機(jī)器露點(diǎn)，一般其壓力露點(diǎn)均高于零度，適用于對(duì)含水量要求不高的工藝使用。吸附式脫水，是利用吸附劑在不同壓力和溫度下吸附水量不同的原理，對(duì)壓縮空氣進(jìn)行吸附脫水處理，可將空氣露點(diǎn)降至-40℃以下，能滿足我國(guó)北方冬季儀表控制系統(tǒng)的使用。

傳統(tǒng)吸附式干燥器有一定再生損耗，用于將吸附飽和的氧化鋁進(jìn)行升溫增壓解析，其再生損耗約占處理氣量的3%～15%。近年來，干燥系統(tǒng)又研發(fā)了一種新技術(shù)，二次回收再生過程中反吹消耗的飽和濕空氣，可將再生能耗降至1%以下，不僅減少了排氣時(shí)噪聲污染，又能實(shí)現(xiàn)能源的回收利用。

2.3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)空壓機(jī)出口管路

當(dāng)空壓站內(nèi)成組布置機(jī)組時(shí)，易出現(xiàn)部分空壓機(jī)產(chǎn)氣能力不足的情況，這是由于排氣管道在匯流后形成的紊流影響到機(jī)組排氣設(shè)施所致，可將出口處的直三通，改為順氣流方向的斜三通，將會(huì)顯著改善該部分機(jī)組的運(yùn)行工況。

圖5 并聯(lián)空壓機(jī)出口處的匯流管道接口對(duì)比示意圖

2.4 壓縮空氣余熱應(yīng)用

空壓機(jī)是通過電能將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓縮能的設(shè)備，壓縮能耗僅占空壓機(jī)總電耗的15%，剩余85%的能量以壓縮熱被冷卻的方式消失于環(huán)境中，而這部分能量還有約60%可以被回收利用。一般來講，高于60℃就有利用的價(jià)值，對(duì)于空壓機(jī)出口近100℃的壓縮空氣，其余熱利用空間很大，既可以直接換熱得到45℃水用于生活衛(wèi)生用熱水，還可以采用溴化鋰吸收式熱水機(jī)制取更高溫度的熱水用于供暖等用途，極大地提高了二次能源的利用率。

2.5 壓縮空氣儲(chǔ)能新技術(shù)的應(yīng)用

基于電網(wǎng)峰谷電價(jià)差，在電力低谷時(shí)段用壓縮機(jī)產(chǎn)氣并儲(chǔ)存至大型儲(chǔ)能設(shè)施內(nèi)，到電力高峰時(shí)段將儲(chǔ)能設(shè)施內(nèi)的氣體釋放至用戶管網(wǎng)，不僅可以緩解我國(guó)大部分地區(qū)電力的緊張形式，而且對(duì)企業(yè)來講，也是一個(gè)高收益的節(jié)能項(xiàng)目。

早在1978年，德國(guó)就利用廢棄的巖鹽礦洞，建成了一座31000 m3壓縮空氣儲(chǔ)能設(shè)施，儲(chǔ)存壓力為10 MPa[11，12]。1991 年，美國(guó) Alabama 州也建成了一座56000 m3壓縮空氣儲(chǔ)能設(shè)施，儲(chǔ)存壓力為7.5 MPa[13，14]。日本北海道在2001年同樣利用廢棄煤礦坑，建立了一座壓力為8 MPa的空氣儲(chǔ)能設(shè)施。目前，俄、法、意等歐洲國(guó)家和韓國(guó)也都在積極開發(fā)壓縮空氣儲(chǔ)能設(shè)施。除了利用地下的天然洞穴、廢棄礦洞外，實(shí)際上還可以將地下含水層作為儲(chǔ)存空間，另外，也可以利用儲(chǔ)氣罐、氣瓶組和大口徑管道進(jìn)行儲(chǔ)能，如美國(guó)就在20世紀(jì)60年代，就采用了X60系列釩鋼材，建設(shè)了一條長(zhǎng)度超過5000 m的儲(chǔ)氣管道，儲(chǔ)存壓力6.26 MPa[15]。我國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究起步較晚，尚處于理論探索和模擬實(shí)驗(yàn)階段，中科院工程熱物理研究所已開始嘗試建設(shè)壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)。利用大型壓縮空氣儲(chǔ)能設(shè)施，還可以做為一些大型高危行業(yè)故障停電下的應(yīng)急動(dòng)力氣源，提高其生產(chǎn)安全穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

隨著國(guó)內(nèi)環(huán)保形勢(shì)日益嚴(yán)峻，冶金行業(yè)逐漸步入清潔生產(chǎn)模式，以更低的生產(chǎn)成本和能源消耗，來促成企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的新增長(zhǎng)點(diǎn)。壓縮空氣系統(tǒng)，作為僅次于電力的第二大動(dòng)力源，其所消耗電量在企業(yè)總電耗中占據(jù)著重要的比重，進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化研究，將會(huì)有效地減少冶金行業(yè)運(yùn)行成本，其研究方向主要有以下幾個(gè)方面：

（1）在項(xiàng)目初始設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)壓縮空氣用戶的使用情況，對(duì)空壓站規(guī)模和輸送管網(wǎng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析比較，合理規(guī)劃空壓站平面布局方案。

（2）根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際情況，動(dòng)態(tài)平衡用戶需求與設(shè)備產(chǎn)能的變化，在滿足用戶最基本的生產(chǎn)需求條件下，盡量減少管網(wǎng)輸送壓降損失，以期降低壓縮空氣的輸送能耗比。

（3）多級(jí)壓縮設(shè)備，提高級(jí)間冷卻設(shè)施換熱效率，降低冷卻循環(huán)水溫，保障轉(zhuǎn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑機(jī)能，將有助于提高空壓機(jī)組做功效率。

（4）采用新型干燥再生節(jié)能技術(shù)，將有效地降低吸附式干燥器的再生損耗。

（5）對(duì)空壓站內(nèi)的管網(wǎng)布局進(jìn)行優(yōu)化，如采用順流斜三通接頭等將有助于改善并聯(lián)空壓機(jī)組的運(yùn)行工況。

（6）對(duì)空壓機(jī)出口熱氣的余熱進(jìn)行回收利用，可以直接制取生活衛(wèi)生用熱水，還可以利用溴化鋰吸收式熱水機(jī)制取更高的供暖用熱水。

（7）借助地區(qū)鹽礦坑洞或球罐、大型管道，設(shè)置壓縮空氣儲(chǔ)能設(shè)施，可利用電網(wǎng)峰谷價(jià)差，或者企業(yè)發(fā)電富余量進(jìn)行壓氣儲(chǔ)能，在日間高峰用電時(shí)將儲(chǔ)存的氣量釋放至用戶，可極大降低壓縮空氣的運(yùn)行成本。

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