壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能技術探討

（中電國基南方集團有限公司，江蘇南京 211153）

1 引言

根據(jù)我國政府頒布的《節(jié)能中長期專項規(guī)劃》中提到的節(jié)能目標，要求到2020年我國主要節(jié)能產(chǎn)品和設備能效水平達到或超過國際先進水平[1]?？諝鈮嚎s機作為工業(yè)生產(chǎn)領域中常用的大型耗電設備，應用范圍廣、使用數(shù)量多、運行時間長，運行能耗非常高，據(jù)中國產(chǎn)業(yè)調研網(wǎng)發(fā)布的《2019～2025年中國空壓機市場現(xiàn)狀深度調研與發(fā)展趨勢報告》 顯示，工業(yè)空氣壓縮機系統(tǒng)年耗電量約占全國總發(fā)電量的6%～9%左右，在高耗電設備中僅次于風機、水泵，排名第三，在能源日益緊張、成本壓力升高、環(huán)保要求嚴格的情況下，節(jié)能和提效是空氣壓縮機行業(yè)的必經(jīng)課題，因此研究壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能技術對節(jié)約能源、保護環(huán)境有著重要意義。

2 壓縮空氣系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前壓縮空氣系統(tǒng)含有5臺微油螺桿空氣壓縮機和5臺微熱再生組合式干燥機。系統(tǒng)設計壓力為1.0 MPa，最大供氣量約7300 Nm3/h，設計露點≤-40℃，目前空壓機壓力設定范圍為0.86～0.93 MPa，平均用量約3500 Nm3/h，露點約-60 ℃，通過管網(wǎng)輸送至各用氣場所。1#～5#空壓機的最大供氣量分別為1152 Nm3/h、1074 Nm3/h、1074 Nm3/h、1326 Nm3/h、2760 Nm3/h，額定功率分別為110 kW、112 kW、112 kW、132 kW、250 kW，其中1#為變頻機，2#～5#為工頻機；1#～4#組合式干燥機額定處理氣量均為1380 Nm3/h、額定功率為11.5 kW，5#組合式干燥機額定處理氣量為3000 Nm3/h、額定功率為26 kW。

目前系統(tǒng)的運行方式為：5#空壓機+2#或3#空壓機，組合式干燥機3臺運行、2臺熱備，系統(tǒng)運行能耗約288100（kW·h）/月，折合約400（kW·h）/h，單位供氣能耗為0.114（kW·h）/Nm3，根據(jù)國家專業(yè)標準JB/T 50159《壓縮空氣站能耗分等》，用電單耗指標僅為三等，運行效率很低（比一等用電單耗指標低約20%），系統(tǒng)效能存在很大的提升空間。

3 造成系統(tǒng)耗能高的主要原因

（1） 空壓機組合方式不當

目前公司采用大氣量工頻機（5#） 搭載小氣量工頻機（2#或3#） 的組合方式，由于用氣場所（超過20個） 分散且用氣不規(guī)律，用氣總量波動幅度較大（振幅超過20%），空壓機加卸載頻繁，電機空轉現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生（卸載時的能耗約占空壓機滿負荷能耗的20%～35%[2]），運行效率低下。

（2） 空壓機設定壓力偏高

目前僅有一個用氣場所（使用量約占總量的10%） 要求壓力≥0.8 MPa（其它用氣場所要求壓力≥0.70 MPa），但由于是總站集中供應，空壓機的出氣壓力范圍設定為0.86～0.93 MPa，克服過濾器阻力和管道阻力，用氣終端壓力≥0.81 MPa。為滿足一個用量較小場所的高壓力需求將空壓機設定壓力提高了0.1 MPa，這是明顯不合理的。

（3） 干燥機耗能嚴重

為確保壓縮空氣露點達標，系統(tǒng)使用了5臺微熱再生組合式干燥機進行氣體干燥。干燥劑加熱和冷吹過程中會消耗大量原料氣，耗氣量約7%，原料氣的消耗實質上就是空壓機能耗的損失，加上電加熱器消耗的電能，微熱再生組合式干燥機整體耗能較其他類型的干燥機明顯偏高。在壓縮空氣露點均為-60℃的情況下，不同類型干燥機耗能對比情況如表1所示（以處理氣量1380Nm3/h的組合式干燥機為例，單位供氣能耗以0.1（kW·h）/Nm3計算）；

由表1可知，微熱再生組合式干燥機整體耗能是傳統(tǒng)余熱再生組合式干燥機的5倍左右，是新型余熱再生組合式干燥機的10倍左右，僅略低于無熱再生組合式干燥機。對我們運行現(xiàn)狀而言，其造成的能耗損失達9%以上（單臺微熱再生組合式干燥機耗能較余熱再生組合式干燥機超過12 kW，3臺額外消耗能超過36 kW，目前系統(tǒng)總體能耗約400 kW）。

（4） 系統(tǒng)壓損大

由于壓縮空氣系統(tǒng)建設分批完成，管道布局錯綜復雜，管阻很大，同時為確保氣體品質，管道安裝了許多不同精度的過濾器（20個），加上干燥機內(nèi)部的過濾器（5個），從空壓機出口到用氣末端的壓損達0.05 MPa。

（5） 系統(tǒng)存在氣體泄漏

壓縮空氣系統(tǒng)設備數(shù)量多達十余臺且管網(wǎng)復雜（主管超過600 m，用氣場所超過20個），可能發(fā)生泄漏的位置很多，根據(jù)目前系統(tǒng)運行狀況和流量對比，發(fā)現(xiàn)存在約2%的氣體泄漏。

（6） 電子定時排水器耗氣量大

為確保壓縮空氣露點達標，系統(tǒng)安裝了27個電子定時排水器，根據(jù)季節(jié)設定自動排水，但在排水過程中總伴有壓縮空氣排出。春、夏季排水間隔為1 min，每次5 s，秋、冬季排水間隔為3 min，每次15 s，全年平均排水間隔為2 min，每次10 s，電子定時排水器芯口徑約4 mm，單個電子定時排水器排放量約0.25 Nm3/h，其中絕大部分是氣體，按90%計算，氣體損耗約0.23 Nm3/h，總計約6 Nm3/h，全年浪費壓縮氣體約50000 Nm3。

4 改造設計方案

（1） 調整空壓機組合方式

根據(jù)目前壓縮空氣現(xiàn)狀，分別采取幾種不同空壓機組合方式進行供氣，并統(tǒng)計運行能耗，單位制氣能耗如表2所示。

表1 不同類型干燥機耗能對比

表2 不同組合方式下的空壓機能耗

由表2可知，4種組合方式中5#+1#能耗最低，1#+2#+3#+4#能耗最高，前者較一直采用的組合方式單位制氣節(jié)省能耗降低約3.5%。

空壓機根據(jù)檢測到的管網(wǎng)壓力進行加卸載，當實際用氣量大于供氣量時，管網(wǎng)壓力會逐漸降低，一旦低于空壓機加載設定壓力，空壓機開始滿負荷加載；當實際用氣量小于供氣量時，管網(wǎng)壓力會逐漸上升，一旦超過空壓機泄載設定壓力，空壓機開始卸載，此時進氣閥關閉、放空閥打開，將空壓機排氣端的高壓空氣放空到進氣端，降低空負荷時空壓機進出口壓比，此時能耗約占滿負荷狀態(tài)的20%～35%。不同之處在于工頻機電機轉速恒定，氣量無法調節(jié)，管網(wǎng)壓力變化會導致進氣閥和放空閥動作頻繁，空壓機的運行效率降低且影響供氣壓力的穩(wěn)定性，而變頻機電機轉速會根據(jù)用氣量變化自主調節(jié)，調節(jié)范圍一般為60%～100%，進氣閥和放空閥動作次數(shù)很少，可以有效減少空壓機空轉和頻繁加卸載造成的能耗損失，供氣壓力也十分平穩(wěn)。因此我們設計采用5#空壓機+1#空壓機（變頻機） 的組合方式進行壓縮空氣供應。

（2） 不同區(qū)域分壓供應

在高壓用氣場所新增一套壓縮空氣系統(tǒng)對其單獨供氣，壓縮空氣總站降壓運行，將空壓機壓力由0.86～0.93 MPa降至0.76～0.83 MPa。由能耗公式公式E=∫Edt=∫paQaln（p/pa）dt

其中 pa——大氣壓絕對壓力

Qa——換算到大氣狀態(tài)下的體積流量

p——空壓機出氣絕對壓力

t——時間

在壓縮空氣使用中，減少壓力、流量、時間任何一個變量，都可降低壓縮空氣能耗[4]，在流量、時間不變情況下，壓力每降低0.1 MPa，能耗降低約7%～8%[1]。

新增壓縮空氣系統(tǒng)含2臺無油螺桿變頻空壓機（圖1） 和2臺組合式干燥機，品牌均為英格索蘭?？諌簷C設計工作壓力為1.0 MPa，單臺最大供氣量為1068 Nm3/h，選用永磁變頻電機，可以任意啟停且次數(shù)不受限制。

（3） 使用GM零耗氣智能排水器

圖1 無油螺桿變頻空壓機

圖2 電子定時排水器（左）和GM零耗氣智能排水器（右）

將壓縮空氣系統(tǒng)所用電子定時排水器更換為GM零耗氣智能排水器，其工作原理為：隨著冷凝液的流入，排水器容腔液位不斷升高，達到高液位時液位感應器發(fā)出信號，啟動電磁閥開始排水，當冷凝液液位降至低水位時，感應器發(fā)出信號，關閉電磁閥停止排水，此時容腔內(nèi)液位仍略高于排水口，會形成液封防止壓縮空氣排出，實現(xiàn)零耗氣的效果。通過現(xiàn)場實際情況來看，GM零耗氣智能排水器工作工程中未見氣體排放，確實杜絕了壓縮空氣的無謂消耗。電子定時排水器和GM零耗氣智能排水器如圖2所示。

5 方案實施結果

（1） 將總站空壓機組合方式調整為5#空壓機+1#空壓機（變頻機），其中5#空壓機加載壓力設定為0.76 MPa，卸載壓力設定為0.84 MPa，1#空壓機加載壓力設定為0.77 MPa，卸載壓力設定為0.83 MPa，確保5#空壓機始終處于加載狀態(tài)，1#空壓機進行補償，根據(jù)用氣量自動調節(jié)加載率。

（2） 使用新增壓縮空氣系統(tǒng)對壓力需求高的用氣場所供氣，壓力范圍設定為0.85～0.92 MPa，流量計顯示其平均流量約335 Nm3/h；壓縮空氣總站對其余用氣場所供氣，壓力范圍由原先的0.86～0.93 MPa降至0.76～0.83 MPa，流量計顯示平均流量約3200 Nm3/h。

（3） 新增壓縮空氣系統(tǒng)全部采用GM零耗氣智能排水器，數(shù)量為10個，同時將總站電子定時排水器更換為GM零耗氣智能排水器，數(shù)量為22個。

6 改造后效果

系統(tǒng)改造完成后，壓縮空氣總站的月運行能耗約239906（kW·h），新增壓縮空氣系統(tǒng)的月運行能耗約25205（kW·h），總計為265111（kW·h）/月，較改造前的288100（kW·h）/月，月節(jié)省能耗22989（kW·h），系統(tǒng)運行能耗降低了約8%，節(jié)能效果十分明顯。

7 后續(xù)改造方案

（1） 油蒸氣分解

壓縮空氣總站選用的是微油螺桿式空壓機，我們在運行過程中發(fā)現(xiàn)壓縮空氣中含有微量油氣，對電子元器件生產(chǎn)造成了很大危害，同時影響了干燥劑效率和壽命，盡管我們縮短了設備油氣分離器芯和管道除油過濾器芯更換周期（由設計的8000 h縮短為4000 h），縮短了干燥劑更換周期（由設計的3～5年縮短為2年），但壓縮空氣仍無法達到絕對無油水平，因此后期考慮進行系統(tǒng)改造，增加除油凈化設備對油蒸氣進行分解。目前使用較多的是基于氧化催化除油凈化原理的進口除油設備，造價極高（80萬左右） 且催化氧化劑需要定期更換（一般為3～5年），改造成本非常高。不過目前國內(nèi)正在加速研發(fā)此類除油凈化設備且已有成功研發(fā)設計的產(chǎn)品問世[5]，我們會密切關注，爭取在年底開始進行改造。

（2） 管道查漏

針對系統(tǒng)存在的氣體泄漏（約2%），我們將開展管道查漏，計劃從空壓站內(nèi)設備查起，然后延伸到供氣主管，最后查支管路和末端設備，盡力減少氣體泄漏。

（3） 干燥機露點控制

總站組合式干燥機吸附塔和再生塔定時切換（目前為2 h），其中再生塔電加熱約62 min，冷吹約58 min，消耗較多電能和壓縮空氣。近期新增的紐曼泰克吸干機采用露點控制，根據(jù)再生塔內(nèi)氣體露點自動調節(jié)切換周期和再生時間，節(jié)省了部分電加熱器能耗和再生空氣，后期考慮對組合式干燥機進行改造或更換，實現(xiàn)露點控制，進一步降低系統(tǒng)能耗。

（4） 壓縮空氣冷卻系統(tǒng)改造

壓縮空氣系統(tǒng)有4臺空壓機和4臺組合式干燥機使用單位循環(huán)水系統(tǒng)進行冷卻（4#空壓機和4#干燥機冷卻方式為風冷），水源為自來水，通過樓頂開式冷卻塔散熱。自來水中鈣、鎂等金屬離子濃度很高，經(jīng)過蒸發(fā)濃縮后電導率超過1600 us/cm，高溫下極易結垢導致冷卻器堵塞，經(jīng)常發(fā)生排氣溫度高引發(fā)空壓機停機和冷凝壓力高引發(fā)干燥機停機的現(xiàn)象，嚴重影響了系統(tǒng)的正常運行，為此我們每年聯(lián)系水處理公司對14個冷卻器進行清洗，花費約2萬元/年。目前我們正在進行冷卻系統(tǒng)改造，安裝一套冷卻系統(tǒng)專供壓縮空氣系統(tǒng)使用，水源采用RO水，通過板換與冷凍水進行換熱，可以大幅降低水中鈣、鎂離子含量（電導率低于50 us/cm），有效防止冷卻器堵塞，同時根據(jù)實際需求調整供水壓力和溫度（擺脫大循環(huán)系統(tǒng)束縛），可以有效確保壓縮空氣系統(tǒng)運行效率和穩(wěn)定性，預計5月份可以投入使用。

（5） 空壓機余熱回收

2#和3#空壓機安裝有后冷卻器進行余熱回收，產(chǎn)生的熱回收水主要用于空調機組加濕。單臺空壓機產(chǎn)生的熱回收水約20 t/h，水溫由30 ℃升高到65 ℃，吸收熱量約2940 kJ/h，實現(xiàn)了熱能的回收再利用，同時減少了空壓機所需的冷負荷消耗。后期考慮對1#和5#空壓機進行余熱回收改造，提高整個動力系統(tǒng)的能效。

（6） 壓縮空氣群控系統(tǒng)改造

目前空壓機是基于壓力控制進行設備啟停和加卸載，存在管網(wǎng)壓力波動劇烈、空壓機頻繁加卸載現(xiàn)象，造成了一定的能耗浪費，隨著后續(xù)擴產(chǎn)，壓縮空氣用量將會進一步增加，如果依然采取目前的群控方式，能耗浪費勢必嚴重，后期考慮采用基于流量控制的群控系統(tǒng)[6]，充分利用現(xiàn)有系統(tǒng)空氣壓縮機氣量差異較大的優(yōu)勢，根據(jù)實際用氣量啟用匹配的空壓機，確保壓縮空氣系統(tǒng)管網(wǎng)壓力平穩(wěn)，降低系統(tǒng)運行能耗。

8 結語

本文首先介紹了單位壓縮空氣系統(tǒng)運行現(xiàn)狀，指出其存在運行效率低、用電單耗高的問題，為此深入分析了導致系統(tǒng)運行能耗過高的6個主要原因，并提出了調整空壓機運行形式、不同區(qū)域分壓供應、使用GM零耗氣電子排水器三項改造設計方案，并全部實施完成。通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)改造后系統(tǒng)能耗降低了約8%，節(jié)能效果十分明顯。同時在現(xiàn)有改造的基礎上又提出了油蒸氣分解、冷卻系統(tǒng)改造、余熱回收、群控系統(tǒng)改造等6項后續(xù)改造方案，便于進一步提升壓縮空氣系統(tǒng)的能效水平，對壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能、提效具有一定的參考意義。