淺談空壓站能耗管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（南方電網(wǎng)綜合能源股份有限公司，廣東 廣州 510075）

隨著我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、工業(yè)的快速發(fā)展，各類可循環(huán)再生、環(huán)保清潔的動(dòng)力源，例如風(fēng)能、水能等，逐漸成為不可或缺的動(dòng)力源。壓縮空氣動(dòng)力源的原料是空氣，其動(dòng)力原理就是利用空氣壓縮機(jī)將空氣轉(zhuǎn)化成為氣體壓力能源，其特點(diǎn)是成本低、可再生、安全以及無污染等，相較于其他動(dòng)力能源，壓縮空氣能夠不受環(huán)境、天氣等外在因素的影響，所以在我國(guó)各領(lǐng)域中都有著極其廣泛的應(yīng)用。然而空壓站雖然優(yōu)點(diǎn)很多，但其本身的能耗問題成了阻礙空壓站快速發(fā)展的障礙，如何在確?？諌赫菊＿\(yùn)行的基礎(chǔ)之上，合理、有效地降低空壓設(shè)備自身的能耗，是人們重點(diǎn)研究與探索的課題。

1 空壓站能耗管理的意義

壓縮空氣可謂是工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過程中的第四能源，電能消耗占企業(yè)工廠總能耗的5%~30%。在空壓站的實(shí)際應(yīng)用中，用氣企業(yè)的全生命周期成本包括設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用及使用成本（電費(fèi)）。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)每年空壓設(shè)備的耗電量已經(jīng)占到全國(guó)總發(fā)電量的6%，如果這些空壓設(shè)備能夠降低20%的能耗，其市場(chǎng)前景與經(jīng)濟(jì)價(jià)值就會(huì)十分巨大。按照2018 年全國(guó)發(fā)電量67 914.2 億kWh 計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)節(jié)約電量814.97 億kWh，按照0.65 元/kWh 平均電價(jià)估算，其市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值可達(dá)529 億元，市場(chǎng)前景可觀。

2 空壓站能耗管理中的主要問題分析

2.1 設(shè)備選型問題

空壓設(shè)備的類型與型號(hào)眾多，各行業(yè)使用的空壓設(shè)備不盡相同，對(duì)其性能要求也差別較大。然而有一些企業(yè)在對(duì)空壓設(shè)備進(jìn)行選型時(shí)，關(guān)注的卻是眼前的一次性投入，卻忽視了空壓設(shè)備的能耗與性能參數(shù)，選用的空壓設(shè)備往往存在排氣量和排氣壓力過大，造成浪費(fèi)資源的情況出現(xiàn)，使空壓設(shè)備的運(yùn)行效率大大降低[1]。

從相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中（如圖1 所示）不難看出，我國(guó)空壓設(shè)備的使用效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到世界平均水平，而使用效率最高的國(guó)家要高出我國(guó)24%。由此可見，我國(guó)在提高空壓設(shè)備效能方面還有著極大的提升空間。

2.2 設(shè)備控制問題

我國(guó)在空壓設(shè)備的使用過程中，普遍采用的是人工值班制度對(duì)空壓設(shè)備進(jìn)行控制，根據(jù)生產(chǎn)需求對(duì)空壓設(shè)備的啟動(dòng)或停車進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。同時(shí)為了避免出現(xiàn)頻繁啟、停空壓設(shè)備，其供氣控制一般采用的是加載和卸載控制，即空壓設(shè)備有3 種交替工作狀態(tài)。設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，設(shè)備的供氣量不大于末端用氣量，且設(shè)備排氣口壓力比空壓設(shè)備內(nèi)部壓力小。設(shè)備卸載運(yùn)行時(shí)，供氣量比末端用氣量大且排氣口壓力比內(nèi)部壓力大，此時(shí)將空氣入口閥關(guān)閉，從而使供氣端壓力減小。當(dāng)空壓設(shè)備的供氣量逐漸小于末端用氣量時(shí)，空壓設(shè)備則再次加載運(yùn)行[2]。

空壓設(shè)備在加載運(yùn)行過程中，會(huì)因啟動(dòng)設(shè)備而產(chǎn)生一定的沖擊電流，不但會(huì)威脅電網(wǎng)的安全，而且也導(dǎo)致了電力資源的浪費(fèi)。而當(dāng)空壓設(shè)備處于卸載運(yùn)行狀態(tài)下時(shí)，空壓設(shè)備的壓縮機(jī)卻仍然在運(yùn)行，此時(shí)的空載能耗可以達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)能耗值的20%~40%。除了浪費(fèi)電力資源之外，反復(fù)切換空壓設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)也會(huì)使管道影響壓力，使產(chǎn)品質(zhì)量下降，設(shè)備損耗加快，空壓設(shè)備的維護(hù)成本與使用壽命也隨之縮短[2]。

圖1 世界主要國(guó)家空壓設(shè)備使用效率統(tǒng)計(jì)

2.3 損耗、泄露及浪費(fèi)問題

空壓設(shè)備在完成壓縮空氣的過程中，所經(jīng)過的設(shè)備組件包括冷卻器、過濾器、干燥器、控制閥門與傳輸管道等。而在傳輸時(shí)，會(huì)因管道長(zhǎng)度、管頭及管道直徑等因素影響排氣壓力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每損耗0.1 MPa 排氣壓力，其損耗的電力就會(huì)有7.5%的多余損耗。

空壓站的隱患之一就是氣體泄露，由于空壓設(shè)備處在復(fù)雜的工作環(huán)境中，因此，對(duì)其進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)也是十分重要的，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，空壓設(shè)備往往會(huì)發(fā)生密封片松動(dòng)、老化等問題。如果不能及時(shí)對(duì)問題部位進(jìn)行維護(hù)，就會(huì)加劇氣體泄露，使空壓設(shè)備的能源損耗大幅度增加。

空壓設(shè)備在正常運(yùn)作時(shí)，其消耗的電力僅是其總耗電量的10%，剩下的電能則轉(zhuǎn)變成了熱能量，即機(jī)器摩擦熱量、壓縮氣體熱量等。這些廢熱的溫度在80 ℃~100 ℃，而產(chǎn)生這些熱能量所消耗的功率卻占到了70%。由此可見，如果能夠科學(xué)、合理的利用這些“廢熱”，就可以有效提升生產(chǎn)的效率。然而現(xiàn)在普遍存在的問題是，企業(yè)對(duì)于這些熱能并沒有加以利用，從而導(dǎo)致浪費(fèi)余熱的問題較為嚴(yán)重。

3 空壓站能耗管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

為提升壓縮空氣系統(tǒng)的能效水平，《壓縮空氣站能效分級(jí)指南》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)已于2019 年1 月1 日起正式實(shí)施。按照供氣壓力露點(diǎn)及供氣量的不同和壓縮空氣站綜合輸功效率的大小，壓縮空氣系統(tǒng)的能效可分為5 個(gè)等級(jí)，1 級(jí)最高，5 級(jí)最低，并對(duì)應(yīng)各等級(jí)給出系統(tǒng)用電單耗值。按照常見的工業(yè)企業(yè)壓縮空氣站供氣量100 m3/min、供氣壓力0.7 MPa、壓力露點(diǎn)-20 ℃的條件查詢，1 級(jí)、2 級(jí)、3 級(jí)、5 級(jí)能效等級(jí)對(duì)應(yīng)用電單耗分別小于0.100 kWh/（m3/min）、0.109 kWh/（m3/min）、0.120 kWh/（m3/min）、0.144 kWh/（m3/min）。因此，團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，為建設(shè)超高效空壓站提供了技術(shù)依據(jù)和對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)[4]。

按照當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展理念，既有空壓站系統(tǒng)節(jié)能改造及新建項(xiàng)目有必要建立一套空壓站專用能耗管理系統(tǒng)，集設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)控制與反饋、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能于一體，實(shí)現(xiàn)壓縮空氣站能效水平實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制功能，建立遠(yuǎn)程無人值守的自動(dòng)化工作模式，從而降低企業(yè)能源費(fèi)用和生產(chǎn)成本。

空壓站能耗管理系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)采用B/S 結(jié)構(gòu)和組件開發(fā)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)開發(fā)。通過采集空壓站系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層電能、供氣流量等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)參數(shù)，利用能源網(wǎng)關(guān)設(shè)備匯集統(tǒng)計(jì)收集的數(shù)據(jù)參數(shù)并上傳到服務(wù)器層，在后臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析以及顯示設(shè)備能效狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)現(xiàn)有空氣系統(tǒng)的能效管理。其中低功耗能源網(wǎng)關(guān)設(shè)備是數(shù)據(jù)采集的重要物理設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地采集、存儲(chǔ)和定時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，設(shè)備包含RS-232 和RS-485 串口，兩路串口可以同時(shí)使用，實(shí)現(xiàn)RS-232 和RS—485 與以太網(wǎng)雙向透明傳輸。

3.1 空壓站能耗管理系統(tǒng)能效監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)

3.1.1 用電量

監(jiān)測(cè)每臺(tái)空壓機(jī)用電量，監(jiān)測(cè)空壓站系統(tǒng)總用電量，包含空壓機(jī)、冷干機(jī)、冷卻水系統(tǒng)等全部用電量。采用多功能智能電表，精度等級(jí)0.5 級(jí)，雙路RS-485 通信接口，可存儲(chǔ)6 個(gè)月的歷史電能的數(shù)據(jù)記錄。

3.1.2 排氣溫度、壓力

監(jiān)測(cè)空壓機(jī)出口壓力、溫度，監(jiān)測(cè)空壓站系統(tǒng)總管出口壓力、溫度。

3.1.3 供氣流量

監(jiān)測(cè)每臺(tái)空壓機(jī)的供氣流量，監(jiān)測(cè)空壓站系統(tǒng)總管出口的供氣流量。采用遠(yuǎn)傳式氣體流量計(jì)，精度等級(jí)1.5 級(jí)。

3.1.4 壓力露點(diǎn)

監(jiān)測(cè)空壓站系統(tǒng)干燥器出口處，采用在線露點(diǎn)儀測(cè)量，精度等級(jí)±2 ℃。

3.2 空壓站能耗管理系統(tǒng)主要功能

3.2.1 空壓機(jī)組運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)

包括設(shè)備運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)，可對(duì)設(shè)備運(yùn)行的電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)壓縮空氣流量、壓力、溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2.2 群控系統(tǒng)

基于PLC 集成控制技術(shù)，通過多機(jī)臺(tái)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)采集和反饋，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)臺(tái)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行和遠(yuǎn)程啟停，實(shí)現(xiàn)空壓站無人值守。

3.2.3 空壓站能效監(jiān)測(cè)

空壓站能效監(jiān)測(cè)對(duì)主要監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行了歷史統(tǒng)計(jì)和實(shí)時(shí)展示，以曲線、圖表等多種形式進(jìn)行分析展示。對(duì)單位產(chǎn)氣量能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和曲線展示，設(shè)定能耗水平基準(zhǔn)，對(duì)異常情況進(jìn)行記錄分析，支持單耗-時(shí)間散點(diǎn)圖、用電量-時(shí)間散點(diǎn)圖、排氣量-時(shí)間散點(diǎn)圖、節(jié)能量分析等功能。

3.2.4 能耗報(bào)表

結(jié)合實(shí)際運(yùn)行需求，定制各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表，包括單獨(dú)計(jì)量點(diǎn)的報(bào)表以及不同機(jī)組能耗報(bào)表或單耗報(bào)表，設(shè)備負(fù)荷變動(dòng)報(bào)表等，報(bào)表可以輸出Excel 格式，便于進(jìn)一步分析交流[5]。

4 結(jié)論

綜上所述，通過空壓站能耗管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了空壓站能效數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的可視化和自動(dòng)控制功能，為實(shí)現(xiàn)空壓站遠(yuǎn)程無人值守自動(dòng)化管理打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，在空壓站的建設(shè)運(yùn)營(yíng)過程中，能源站第三方投資供氣模式逐漸得到了應(yīng)用推廣，企業(yè)可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的空壓設(shè)備，同時(shí)設(shè)計(jì)科學(xué)合理的空壓站能耗管理系統(tǒng)，加大空壓系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)力度，真正實(shí)現(xiàn)空壓站降能耗、提產(chǎn)量、促效率的目標(biāo)，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。