鋼企壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能分析

代 黎

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223）

1 概述

數(shù)字化、綠色化是當今世界發(fā)展的兩個重要主題，也是推動我國經(jīng)濟高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展的主要動力。針對能源動力領(lǐng)域發(fā)展數(shù)字化、綠色化技術(shù)和產(chǎn)品，是實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”的關(guān)鍵驅(qū)動力。

根據(jù)能源基礎(chǔ)與標準化委員會的相關(guān)統(tǒng)計，空壓機占大型工業(yè)設(shè)備（如風機、水泵、鍋爐等）總耗電量的15%左右。根據(jù)行業(yè)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，電能消耗（即電費支出）占整個壓縮空氣系統(tǒng)最初5年總耗費的79%，遠高于其設(shè)備投資費用及維護檢修費用。因此，壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能降耗是鋼鐵企業(yè)（簡稱鋼企）成本管理和能耗管理的重要部分，它不僅影響著企業(yè)產(chǎn)品的競爭力，還影響著企業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

根據(jù)對不同鋼企進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大型鋼鐵聯(lián)合型鋼企全廠壓縮空氣系統(tǒng)普遍存在空壓站配置數(shù)量多且分散的問題。比如，某大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)因各工序生產(chǎn)管理相對獨立，用戶需求各異，全廠共設(shè)有19座空壓站，配置了近200臺空壓機，其中螺桿式空壓機組占大多數(shù)。這就造成了機型分散多樣、接口不互通、運維費用高等諸多問題。增加了壓縮空氣系統(tǒng)中空濾、油分、油過濾器、冷卻器等運維備件費用，也使空壓站房集群化升級建設(shè)困難重重。另外，由于鋼企壓縮空氣用戶存在大量間斷用戶，當間斷用戶介入或者退出生產(chǎn)時，會導(dǎo)致管網(wǎng)壓力波動劇烈，甚至發(fā)生放散現(xiàn)象，從而導(dǎo)致空壓機設(shè)備頻繁加卸載，影響空壓機設(shè)備的使用壽命。由于螺桿式空壓機的傳統(tǒng)進氣節(jié)流調(diào)節(jié)方式特性，因此空壓機非滿負荷運行時的耗能遠大于其滿負荷運行的能耗，螺桿式空壓機變工況適應(yīng)性差，而且其存在單機最大流量小。因此，隨著鋼鐵規(guī)模的擴大及節(jié)能降耗的需求，零星的螺桿式空壓機模式已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代鋼企生產(chǎn)需求，目前大型鋼鐵聯(lián)合型鋼企正在逐步用離心空壓機替代螺桿式空壓機，本文主要針對鋼企中廣泛應(yīng)用的離心空壓機，探討其節(jié)能技術(shù)。

2 變頻技術(shù)的應(yīng)用

采用變頻技術(shù)可節(jié)能20% 左右，而且降低離心空壓機組的啟動電流，減小對電網(wǎng)的沖擊，輸出壓力穩(wěn)定，沒有反復(fù)的加載卸載過程，從而減小噪音。但是，由于目前變頻器價格較高，采用與離心空壓機電機功率相等的變頻器，變頻器的價格占離心空壓機價格的40%左右；并且離心空壓機負荷變動越小，其運行效率更好，因此全功率變頻技術(shù)并沒有在離心空壓機上廣泛運用，目前變頻技術(shù)多用于離心空壓機的變頻軟啟動。

3 進口空氣參數(shù)對離心空壓機組功耗的影響

離心空壓機組的功耗隨著進口空氣狀態(tài)的變化而變化。

3.1 離心空壓機軸功率計算

外部空氣經(jīng)過自潔式過濾器除塵處理后進入離心空壓機，但由于經(jīng)過自潔式過濾器的空氣量無法通過直接手段進行測試，因此先測出實際進氣溫度和濕度，然后根據(jù)公式（1）確定離心空壓機組的進氣量。

離心空壓機組進氣量 qa（m3/min）：

式中，P0，q0，T0為標準狀態(tài)氣體參數(shù)；Pa，qa，Ta為進氣狀態(tài)氣體參數(shù)；φ為進氣的相對濕度；Ps為進氣的飽和蒸汽壓力。

離心式空壓機的多變壓縮軸功率計算公式如下：

式中，z 為壓縮級數(shù)；qa為工況條件下體積流量，m3/min；k為絕熱指數(shù)，空氣一般取1.4；Pv為壓縮狀態(tài)下氣體絕對壓力，MPa；R為氣體常數(shù)；zaj, zvj為進氣及排氣的壓縮系數(shù)，當壓力小于2 MPa 時，可近似認為［1］；

pj為壓縮過程的平均多變效率，離心空壓機平均多變效率多為0.7～0.84；m為機械效率，m= 96%～98%；c為傳動效率，直聯(lián)c=1。

3.2 入口空氣含濕量對離心空壓機功耗的影響

為了分析入口空氣含濕量對離心空壓機耗能的影響，假設(shè)離心空壓機壓縮過程為可逆多變壓縮，當干空氣及濕空氣的壓縮初始壓力和壓縮過程相同時，由理想氣體狀態(tài)方程可知：

式中，P為干空氣和濕空氣的壓力，MPa；V1、V2為干空氣和濕空氣的比容，m3/kg；N為壓縮過程的多變指數(shù)；T為干空氣和濕空氣熱力學(xué)溫度，K；R1、R2為干空氣和濕空氣的氣體常數(shù)，J/（kg·K）。

3.2.1 在保持空氣干球溫度不變的情況下，研究相對濕度φ對離心空壓機功耗的影響

離心空壓機入口空氣的氣體常數(shù)R計算公式如下:

式中，M為入口空氣的分子量；Pv為入口空氣中水蒸氣分壓力，Pa；C為入口空氣總壓力即當?shù)卮髿鈮毫?，Pa。

由此可知，當干球溫度保持不變時，隨著相對濕度φ的增加，水蒸氣的分壓力也增加，入口空氣的分子量M減小，從而離心空壓機入口空氣的氣體常數(shù)R增大。根據(jù)公式（2），氣體常數(shù)R增大，離心空壓機的耗能增大。

3.2.2 入口空氣含濕量對離心空壓機能耗的影響

根據(jù)公式（5）推導(dǎo)出入口空氣的氣體常數(shù)R與入口空氣含濕量d之間的關(guān)系式。

入口空氣的氣體常數(shù)R計算公式如下：

根據(jù)上述入口空氣的氣體常數(shù)R與含濕量d的關(guān)系，可知當室外干球溫度保持不變的情況下，入口空氣含濕量越大，其氣體常數(shù)就越大，從而離心空壓機的功耗就越大。

因此對離心空壓機入口空氣進行降溫和干燥處理，可以有效地降低離心空壓機的功耗，帶來可觀的節(jié)能效果。

3.2.3 入口溫度對離心空壓機能耗的影響

根據(jù)公式（2），離心空壓機軸功率與空氣入口溫度成正比關(guān)系；隨著離心空壓機入口溫度升高，經(jīng)壓縮后的出口氣體溫度也會升高，而且高溫空氣進入冷卻器會加劇離心空壓機冷卻器積碳現(xiàn)象。積碳現(xiàn)象嚴重時，還會影響離心空壓機安全生產(chǎn)［2］。

3.2.4 案例分析

某公司離心空壓機主要參數(shù)如下：空壓機流量為250 Nm3/min，出口壓力為0.85 MPa（g），三級壓縮；一、二級級間壓降為 0.024 MPa，二、三級級間壓降為 0.021 MPa。

假設(shè)壓縮過程平均多變效率pj=75%；機械效率m=98%；空氣二級壓縮入口溫度為40 ℃；空氣三級壓縮入口溫度為40 ℃。

計算以下3種工況：①工況1，入口溫度為35 ℃；相對濕度從0到100%；②工況2，入口溫度為25 ℃；相對濕度從0到100%；③工況3，入口溫度為15 ℃；相對濕度從0到100%。

在工況條件下，相對濕度相差10%情況下，軸功率差與干空氣時空壓機軸功率比值 =ΔP/P1；其中ΔP為軸功率差，kW；P1為工況條件下，相對濕度為0（即干空氣）下的軸功率，kW；單元含濕量下軸功率差與干空氣時空壓機軸功率比值 =ΔPd/P1；其中ΔPd為單元含濕量下軸功率差，kW/（d/kg）；ΔPd=ΔP/Δd；Δd為含濕量差值，d/kg。

不同含濕量對離心空壓機功耗的影響如圖1所示。由圖1可知，相對濕度越大，含濕量越大，離心空壓機功耗越大；高溫下除濕帶來的節(jié)能效果比低溫好。含濕量每降低1 g/kg；離心空壓機軸功率可降低0.157%。

圖1 不同含濕量對離心空壓機功耗的影響

通過對不同進氣溫度及不同含濕量對離心空壓機功耗的影響進行分析，可知進氣溫度每升高3 ℃，離心空壓機第一級壓縮軸功率上升1%，如圖2所示。

圖2 不同進氣溫度對離心空壓機功耗影響

通過對離心空壓機的進氣進行冷卻、干燥處理，比如采用脫濕冷卻方式，可用來提高機組排氣量與效率，同時降低耗電量。比如利用制冷機組將離心空壓機進氣進行脫濕，將離心空壓機進口溫度從30 ℃、相對濕度80%工況，降低到10 ℃、脫濕量為4.36 kg/min；離心空壓機節(jié)省功率83.36 kW；需要制冷量308.19 kW，按制冷壓縮式制冷系數(shù) 4.5 考慮，耗電 68.49 kW，節(jié)省電耗 14.87 kW ；利用冷凍水將第二級、第三極進氣溫度從40 ℃降低到15 ℃，可進一步節(jié)省離心空壓機功耗86 kW；需要制冷量277.91 kW，按制冷壓縮式制冷系數(shù)4.5考慮，耗電61.76 kW，節(jié)省電耗 24.24 kW。

4 離心空壓機余熱利用

空氣被離心空壓機壓縮所需要的電能或者蒸汽能，僅少部分轉(zhuǎn)換成壓縮空氣的勢能，絕大部分均裝換為熱能，通過風冷或者水冷的方式排到大氣中，比如利用冷卻器帶走機器產(chǎn)生的熱量。目前離心空壓機大多為水冷型，因此對采用水冷的離心空壓機進行余熱回收改造應(yīng)用更加廣泛。離心空壓機余熱回收多用于鍋爐進水預(yù)熱、生活熱水、空調(diào)供熱等領(lǐng)域，可以提高企業(yè)空氣系統(tǒng)能源利用水平，減少碳排放，提高企業(yè)競爭力。

目前，離心空壓機余熱回收常用手段是利用離心出口高溫壓縮空氣進行夏季制冷或冬季采暖。但采用該種余熱回收方式受季節(jié)限制，無法全年有效回收離心空壓機的余熱。本文不考慮離心空壓機余熱回收投資成本，考慮采用夏季制冷和冬季采暖2種余熱回收模式，對離心空壓機的余熱進行利用。

夏天制冷季，利用離心空壓機余熱作為吸收式制冷系統(tǒng)的熱源，即利用離心空壓機出口高溫壓縮空氣加熱熱媒水，熱媒水作為吸收式制冷機組熱源放熱后回到熱回收器；并制取4～12 ℃的冷媒水用于制冷，制冷系數(shù)按0.75考慮。

冬天采暖季，利用離心空壓機出口高溫壓縮空氣加熱熱媒水，熱媒水進入供暖系統(tǒng)降溫后回到熱回收器，從而實現(xiàn)離心空壓機余熱回收利用。

夏季工況按進氣溫度30 ℃、相對濕度按80%、二級及三級進氣溫度為40 ℃計算；冬季工況按進氣溫度5 ℃、相對濕度按50%、二級及三級進氣溫度按30 ℃計算。

離心空壓機排氣溫度Tv計算公式如下：

式中，Tv為離心空壓機排氣溫度，K。

空氣冷卻放出的熱量：

式中，T1為離心空壓機出口壓縮空氣經(jīng)過余熱回收換熱后溫度，夏季取80℃、冬季取65℃。

通過對集中供熱/制冷熱回收量核算，冬季余熱回收率為57.7%，夏季回收率為46%，如果回收的余熱能夠全部被有效利用，效益是很可觀的。

對離心空壓機余熱回收系統(tǒng)進行經(jīng)濟與效益分析，主要計算參數(shù)如下：供熱鍋爐效率80%，供熱價格31元/GJ，電價0.512 6元/kW·h，離心空壓機滿負荷年運行時間 8 760 h，其中夏季制冷期運行 2 400 h，冬季供暖期運行 3 624 h，煤炭 CO2排放系數(shù) 2.64 t/tce，電力 CO2排放系數(shù)0.75 kg/kW·h，壓縮式制冷系數(shù)按4.5考慮。離心空壓機年總CO2減排量為1 733.8 t，年總節(jié)能經(jīng)濟效益為41+22.58=63.58 萬元。

此外，如果充分利用余熱，空壓機原有冷卻水量將大大減少，年可節(jié)約循環(huán)冷卻水量5×105t，循環(huán)冷卻水耗電量 0.148 55 kW·h/t，年節(jié)能經(jīng)濟效益 7.43 萬元?？紤]到工廠通常有多臺空壓機組，余熱回收技術(shù)無疑大大減輕了廠區(qū)冷卻塔的負荷，對我國北方一些水資源緊缺地區(qū)意義尤為重大。

5 壓縮空氣干燥系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計

在整個壓縮空氣處理流程中，壓縮空氣干燥是成本最高的工序，因此在選擇干燥器時并不是露點越低越好，應(yīng)選擇滿足工藝要求的露點溫度即可，避免造成浪費。當需要采用吸附式干燥機時，建議采用零氣耗余熱再生干燥機。

6 降低離心空壓機出口壓力

對鋼鐵企業(yè)各工序壓縮空氣用戶用氣壓力進行分析，包括原料、燒結(jié)、焦化、煉鐵、煉鋼、熱軋、冷軋、發(fā)電等各生產(chǎn)單元大部分壓縮空氣用戶壓力不低于0.5 MPa即可滿足其使用。僅全廠除塵氣力輸灰和檢化驗試樣氣體輸送等壓縮空氣用戶壓力要求在0.65 MPa以上，該部分壓縮空氣用量占總用氣量比例較小。因此，可將全廠壓縮空氣管網(wǎng)按壓力等級分為 0.65 MPa 和 0.5 MPa 兩級運行，既能滿足用戶的用氣壓力要求，又降低了全廠壓縮空氣系統(tǒng)耗電量。因此，降低離心空壓機出口壓力是可行的。

分析某廠家4種離心空壓機比功率，在進氣壓力0.998 MPa（A），進氣溫度為 35 ℃，相對濕度為 80%，冷卻水溫度為32℃情況下，比功率統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 比功率統(tǒng)計表

根據(jù)表1可知，排氣壓力越高，機組比功率越大，能效越差；相同排氣壓力下，單臺排氣量越大的機組，比功率越小，能效越好。因此，對鋼企各工序壓縮空氣進行分析，對各壓縮空氣用戶按壓力繼續(xù)分級管理輸配，降低部分離心空壓機出口壓力，可以有效降低全廠壓縮空氣系統(tǒng)的能耗。

7 降低全廠壓縮空氣系統(tǒng)輸送與使用過程能耗

降低壓縮空氣系統(tǒng)輸送與使用過程能耗是實現(xiàn)全廠壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能低耗運行的重要手段之一。其主要措施包括優(yōu)化壓縮空氣管網(wǎng)設(shè)計，對管網(wǎng)局部阻力過大段進行改造，減少輸送過程中的壓損，并在用氣負荷波動較大的用戶前加裝儲氣罐等。

此外，壓縮空氣泄漏問題及不合理用氣也會造成能源浪費。如果0.6 MPa壓縮空氣管網(wǎng)上有個 4 mm的小孔，該小孔泄漏將帶來每年3.12萬元的浪費［3-5］。除泄漏問題外，還有諸如供氣壓力與設(shè)備（例如噴嘴等）不匹配造成用氣浪費，現(xiàn)場工人存在間斷吹掃不作業(yè)時也連續(xù)供氣等違規(guī)操作造成用氣浪費等多種不合理用氣現(xiàn)象。通過對壓縮空氣系統(tǒng)進行巡檢查漏及規(guī)范用氣使用制度，可有效減少壓縮空氣泄漏及浪費現(xiàn)象，提高壓縮空氣利用率。

8 結(jié)束語

本文針對在鋼企中廣泛應(yīng)用的離心空壓機，探討其節(jié)能技術(shù)，分析了進口空氣參數(shù)對離心空壓機組功耗的影響，同時對離心空壓機余熱回收系統(tǒng)進行了研究，得到以下結(jié)論：①進氣溫度越大，相對濕度越大，含濕量越大，離心空壓機功耗越大；高溫下除濕帶來的節(jié)能效果比低溫好。含濕量每降低1 g/kg，離心空壓機軸功率可降低0.157%；氣溫每降低3 ℃，離心空壓機第一級壓縮軸功率降低1%左右。對離心空壓機的吸氣進行冷卻、干燥處理，比如采用脫濕冷卻方式，可用來提高機組排氣量與效率，同時降低耗電量。②離心空壓機各級壓縮空氣冷卻存在大量余熱，可采用余熱發(fā)電、區(qū)域供暖和余熱制冷等方式充分利用離心空壓機的余熱，從而降低能源消耗和溫室氣體排放量。③可以采用變頻器、選擇合適的干燥裝置、降低排氣壓力、優(yōu)化壓縮空氣管網(wǎng)及減少泄漏等措施對離心空壓機系統(tǒng)進行節(jié)能。