智能調(diào)峰e(cuò)型零氣耗鼓風(fēng)熱干燥器系統(tǒng)的研究

許鵬程，董鵬舉

(貝克歐凈化科技南通有限公司，江蘇 南通 226010)

1 國(guó)家電網(wǎng)的峰谷平供電特征

1.1 國(guó)家電網(wǎng)的電價(jià)特征

國(guó)家電網(wǎng)工業(yè)用電大都采用峰谷平不同電價(jià)供電，其主要原因是國(guó)家電網(wǎng)日間用電需求高，電力供應(yīng)不足，夜間用電需求低，電力供應(yīng)過(guò)剩。峰谷平電價(jià)可以促使人們合理調(diào)節(jié)用電負(fù)荷，平衡電力供需，促進(jìn)節(jié)能減排，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

峰谷平電價(jià)是指在不同時(shí)間段內(nèi)采用不同的電價(jià)，即在用電峰期電價(jià)較高，谷期電價(jià)較低，平期電價(jià)適中。這樣，能夠引導(dǎo)用戶在峰期減少用電，同時(shí)鼓勵(lì)在谷期增加用電。這種差異化的電價(jià)政策可以促進(jìn)用戶采取合理用電方式，平衡用電負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

此外，采用峰谷平電價(jià)政策還可以調(diào)節(jié)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。由于峰期電價(jià)高，谷期電價(jià)低，這樣就刺激了清潔能源的發(fā)展，如水能，風(fēng)能和太陽(yáng)能等，更加經(jīng)濟(jì)和環(huán)保，降低了總體碳排量。

1.2 國(guó)家電網(wǎng)的峰谷平電價(jià)與碳中和的關(guān)系

峰谷平電價(jià)與碳中和有密切的關(guān)系。碳中和是指機(jī)構(gòu)或個(gè)人通過(guò)采取減排和匯存來(lái)抵消自身碳排放的過(guò)程。在能源消費(fèi)中，采用清潔能源和節(jié)能減排可以減少碳排放，是實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵。

采用峰谷平電價(jià)政策可以促進(jìn)用戶在谷期使用電網(wǎng)的過(guò)剩能源，從而實(shí)現(xiàn)碳中和。由于谷期電價(jià)相對(duì)較低，使用過(guò)剩能源供電成本也較低，從而鼓勵(lì)用戶更多使用過(guò)剩能源。峰期電網(wǎng)電力需求大大高于谷期，電價(jià)較高，減少峰期電能消耗就降低了碳排放總量。

綜上所述，采用峰谷平電價(jià)政策有助于促進(jìn)使用過(guò)剩能源和節(jié)能減排，從而實(shí)現(xiàn)碳中和。

2 普通零氣耗鼓風(fēng)熱壓縮空氣干燥器的運(yùn)行特征

2.1 不規(guī)律周期性耗電

鼓風(fēng)熱干燥器的工作原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是采用雙吸附塔設(shè)計(jì)，一塔的吸附劑在吸附壓縮空氣中的水分同時(shí)，另一個(gè)吸附塔對(duì)已經(jīng)吸附飽和的干燥劑進(jìn)行再生。當(dāng)吸附塔出口的壓力露點(diǎn)升高到設(shè)定值時(shí)，雙塔功能切換。由于再生過(guò)程不使用干燥的成品氣，所以是一種節(jié)能型的零氣耗壓縮空氣干燥器。

在加熱再生階段，干燥器使用鼓風(fēng)機(jī)將環(huán)境空氣通過(guò)加熱器加熱到接近170～200 ℃后，送入濕的吸附塔對(duì)吸附劑進(jìn)行再生，再生完成后，通過(guò)閉環(huán)循環(huán)，輔以冷卻器降溫，把吸附劑冷卻到接近環(huán)境溫度。

干燥器的整個(gè)工作過(guò)程根據(jù)壓縮空氣含水量的不同，呈不規(guī)律的周期性變化，如圖1所示。橙色溫度曲線處于高位時(shí)代表干燥器主要耗電設(shè)備加熱器在工作，圖中2次加熱再生時(shí)間都落在了日間進(jìn)行，這不但要付出用電高峰時(shí)的高價(jià)電費(fèi)，增加了生產(chǎn)成本，而且也增加了國(guó)家電網(wǎng)的碳排放量。

圖1 鼓風(fēng)熱干燥器不規(guī)律周期耗電圖

2.2 裝機(jī)功率大，節(jié)約潛力大

鼓風(fēng)熱干燥器一般用于大流量的壓縮空氣處理，以干燥150 m3/min壓縮空氣干燥器為例，裝機(jī)容量大約在130 kW，年平均功率約為80 kW，年運(yùn)行時(shí)間一般為8000 h，僅一臺(tái)干燥器一年的耗電量就約為640000 kW·h。

3 智能調(diào)峰e(cuò)型壓縮空氣干燥器的設(shè)計(jì)原理

3.1 智慧運(yùn)行

智能調(diào)峰e(cuò)型干燥器利用現(xiàn)代智能科技對(duì)傳統(tǒng)的通用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)的運(yùn)行控制，使干燥器在日間電力波峰和平峰期，僅對(duì)壓縮空氣進(jìn)行吸附工作，把耗電的再生階段自動(dòng)推遲或提前到電力波谷時(shí)期，使得整體設(shè)備在保持連續(xù)工作的前提下，智慧運(yùn)行在電力過(guò)剩的夜間，最大可能的幫助電網(wǎng)減少日間碳排放，僅用夜間過(guò)剩的電力就可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，為企業(yè)大幅度的降低了生產(chǎn)用電成本。

3.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)技術(shù)

爬蟲(chóng)(spider)是一種在互聯(lián)網(wǎng)上自動(dòng)獲取信息的程序，通過(guò)對(duì)國(guó)家電網(wǎng)每月電價(jià)信息的實(shí)時(shí)跟蹤和解析，能自動(dòng)獲取全國(guó)所有省份峰谷平以及尖峰的準(zhǔn)確分時(shí)規(guī)則及對(duì)應(yīng)電價(jià)，形成e型干燥器的云上參考數(shù)據(jù)庫(kù)，并隨時(shí)對(duì)該數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行自動(dòng)更新。

3.2.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)IIoT 與云計(jì)算技術(shù)

利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(Industrial Internet of Things)技術(shù)將云端專(zhuān)用服務(wù)器與本地運(yùn)行的e型干燥器結(jié)合起來(lái)，將干燥器所有的本地設(shè)備參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)上傳到云端服務(wù)器，云端服務(wù)器通過(guò)強(qiáng)大的云計(jì)算功能，對(duì)比爬蟲(chóng)先前所獲取的全國(guó)電力規(guī)則和分時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)實(shí)時(shí)采集到的干燥器大數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析，通過(guò)IIoT向干燥器下達(dá)工作指令，對(duì)每個(gè)工作流程進(jìn)行優(yōu)化，系統(tǒng)可以同時(shí)精準(zhǔn)控制萬(wàn)余臺(tái)干燥器的工作流程，結(jié)合人工智能進(jìn)行智能化決策，保證干燥器在供電波谷開(kāi)始時(shí)啟動(dòng)設(shè)備耗電流程，例如加熱再生流程，在供電波峰到達(dá)之前，結(jié)束一切耗電流程，使干燥器進(jìn)入靜默待機(jī)狀態(tài)。這就進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率的同時(shí)也降低了生產(chǎn)成本。

3.2.3 智聯(lián)云管家

保證云端服務(wù)器與本地運(yùn)行的干燥器通訊順暢是干燥器可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，貝克歐科技與上海交通大學(xué)共同研制的智聯(lián)云管家為上述設(shè)備云地之間數(shù)據(jù)互傳提供了可靠的保障。智聯(lián)云管家采用OTA技術(shù)，底層固件與上層運(yùn)行軟件均可以通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的4G或5G技術(shù)進(jìn)行在線更新，還可以對(duì)干燥器執(zhí)行大腦中心PLC進(jìn)行在線程序更新。在客戶的設(shè)備日常使用中，設(shè)備的系統(tǒng)也在客戶的不知不覺(jué)中不斷的完善和進(jìn)化。

3.3 吸附冗余量設(shè)計(jì)

一般情況下，國(guó)家電網(wǎng)供電低谷時(shí)段每日不超過(guò)三分之一的時(shí)間，也就是每天不超過(guò)8個(gè)小時(shí)，這樣，為保證極致的干燥器節(jié)能效果，干燥器本身在任何條件下，都要保證吸附流程連續(xù)24小時(shí)工作，這可以根據(jù)壓縮空氣的含水量以及設(shè)備配置，利用熱平衡計(jì)算出吸附劑的需求量，為了保證濕壓縮空氣的空塔流速以及和吸附劑的接觸時(shí)間，適應(yīng)負(fù)載波動(dòng)，這就需要對(duì)干燥器進(jìn)行冗余量設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，我們最后確定干燥器采用三塔設(shè)計(jì)方案。由三塔輪值吸附工作，保證在最?lèi)毫拥臈l件下，也能保證用戶的壓縮空氣品質(zhì)。另外兩塔在供電低谷時(shí)段完成再生流程，進(jìn)入到靜默待機(jī)狀態(tài)。

3.4 全自動(dòng)智能運(yùn)行

綜上所述，完整的e型干燥器系統(tǒng)由用戶本地運(yùn)行的干燥器、干燥器內(nèi)置的智聯(lián)云管家以及云端強(qiáng)大的服務(wù)器和云數(shù)據(jù)庫(kù)共同構(gòu)成。當(dāng)設(shè)備安裝就位后，智聯(lián)云管家根據(jù)所接入的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)判斷出自己的地理位置并將此信息發(fā)送到云端服務(wù)器。云端服務(wù)器中，一直后臺(tái)運(yùn)行的爬蟲(chóng)已經(jīng)建立并實(shí)時(shí)更新了基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)包括供電尖峰、峰、平、谷在每個(gè)省的時(shí)段劃分規(guī)則和對(duì)應(yīng)的電價(jià)。云端服務(wù)器中運(yùn)行的干燥器智能管家根據(jù)收到的干燥器的地理位置，自動(dòng)匹配對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，并建立運(yùn)行模型。隨著干燥器運(yùn)行數(shù)據(jù)源源不斷上傳到云服務(wù)器，干燥器的運(yùn)行趨勢(shì)分析也越來(lái)越精準(zhǔn)。運(yùn)行模型經(jīng)過(guò)短期的自學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)積累，干燥器就精準(zhǔn)的避開(kāi)尖峰、高峰和平峰供電時(shí)段，自動(dòng)控制耗電流程運(yùn)行在供電波谷時(shí)段，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和節(jié)約生產(chǎn)成本的目的。同時(shí)，云端服務(wù)器會(huì)自動(dòng)同步信息到移動(dòng)客戶端的APP界面，使干燥器操作者能達(dá)到“手機(jī)在手，掌控所有”的先進(jìn)設(shè)備管理水平。干燥器手機(jī)管理界面如圖2所示。

圖2 干燥器移動(dòng)客戶端界面

4 智能調(diào)峰e(cuò)型壓縮空氣干燥器對(duì)碳中和的貢獻(xiàn)

根據(jù)智能調(diào)峰e(cuò)型干燥器的設(shè)計(jì)原理，我們可以看出，該型干燥器耗電流程只運(yùn)行在國(guó)家電網(wǎng)供電低谷時(shí)段，而電網(wǎng)低谷時(shí)段電能多為過(guò)剩能源和清潔能源。干燥器系統(tǒng)通過(guò)智慧型運(yùn)行模式，把本來(lái)在日間的用電時(shí)段智能的調(diào)節(jié)到了夜間低谷時(shí)段用電，降低了日間國(guó)家電網(wǎng)的碳排放量，使用了夜間電網(wǎng)的過(guò)剩電能并減少了電網(wǎng)的無(wú)功損耗，從而對(duì)碳中和做出了貢獻(xiàn)。

5 智能調(diào)峰e(cuò)型壓縮空氣干燥器對(duì)運(yùn)行成本的節(jié)約計(jì)算

5.1 江蘇省峰谷平時(shí)段與電價(jià)

根據(jù)《江蘇省發(fā)展改革委轉(zhuǎn)發(fā)<國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于第三監(jiān)管周期省級(jí)電網(wǎng)輸配電價(jià)及有關(guān)事項(xiàng)的通知>的通知》(蘇發(fā)改價(jià)格發(fā)[2023]552號(hào))文件要求，繼續(xù)對(duì)100 kV安及以上的工業(yè)用戶執(zhí)行峰谷分時(shí)電價(jià)。

時(shí)段劃分：

高峰時(shí)段8：00～11：00、17：00～22：00

平時(shí)段11：00～17：00、22：00～24：00

低谷時(shí)段0：00～8：00

執(zhí)行單一電價(jià)高峰段電價(jià)上浮67.19%，低谷電價(jià)下浮54.82%。

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)發(fā)布的《國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司關(guān)于2023年6月代理購(gòu)電工商業(yè)用戶電價(jià)的公告》內(nèi)容獲悉，江蘇省工商業(yè)用戶電價(jià)表如下表所示，框中標(biāo)出的是適用于大多數(shù)工業(yè)企業(yè)的用電單價(jià)。

5.2 普通干燥器與e型干燥器運(yùn)行電費(fèi)對(duì)比

干燥器運(yùn)行年耗電費(fèi)用(元)=年耗電量(kW·h)×電價(jià)(元/kW·h)

普通干燥器呈不規(guī)律周期性再生流程耗電，雖然每個(gè)周期具有隨機(jī)性，從一整年的時(shí)間跨度來(lái)看，再生流程耗電周期落在供電峰谷平時(shí)段的概率是均等的。因此，可根據(jù)峰谷平各時(shí)段的時(shí)長(zhǎng)占比和對(duì)應(yīng)電價(jià)，計(jì)算得到當(dāng)?shù)氐募訖?quán)平均電價(jià)，作為普通干燥器的電費(fèi)計(jì)算用電價(jià)。

以江蘇省公布的電價(jià)表為例，高峰時(shí)段電價(jià)1.2115元/kW·h，歷時(shí)8 h；平時(shí)段電價(jià)0.7246元/kW·h，歷時(shí)8 h；低谷時(shí)段電價(jià)0.3274元/kW·h，歷時(shí)8 h。計(jì)算得到加權(quán)平均電價(jià)為0.7545元/kW·h。

而智能調(diào)峰e(cuò)型干燥器的再生流程耗電階段發(fā)生在供電低谷時(shí)段，如圖3所示。故取低谷電價(jià)作為其電費(fèi)計(jì)算用電價(jià)。查電價(jià)表得出，江蘇省低谷時(shí)段電價(jià)為0.3274元/kW·h。

圖3 智能調(diào)峰e(cuò)型鼓風(fēng)熱干燥器工作時(shí)序圖

在設(shè)備耗電量一樣的情況下，峰谷平時(shí)段的電價(jià)差即決定了運(yùn)行費(fèi)用差。仍以江蘇省為例：

每千瓦時(shí)節(jié)約電費(fèi)=加權(quán)平均電價(jià)0.7545元/kW·h-低谷時(shí)段電價(jià)0.3274元/kW·h=0.4271元/kW·h

智能調(diào)峰e(cuò)型干燥器節(jié)約電費(fèi)比率=每千瓦時(shí)節(jié)約電費(fèi)0.4271元/kW·h÷加權(quán)平均電價(jià)0.7545元/kW·h=56.6%

同樣以干燥流量為150m3/min的壓縮空氣，年耗電量約為640，000 kW·h的干燥器為例，如選用一臺(tái)普通干燥器，計(jì)算得出年電費(fèi)成本約在48.288萬(wàn)元；如采用智能調(diào)峰e(cuò)型干燥器，計(jì)算可得年電費(fèi)成本約在20.9536萬(wàn)元，可節(jié)約運(yùn)行電費(fèi)支出27.3344萬(wàn)元，其節(jié)約運(yùn)行成本比率高達(dá)56.6%。兩種干燥器全年按月份列出的實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比圖見(jiàn)圖4所示。

圖4 智能調(diào)峰e(cuò)型鼓風(fēng)熱干燥器節(jié)約效果

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合強(qiáng)大的云計(jì)算功能，輔以IIoT工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工控技術(shù)，結(jié)合國(guó)家對(duì)電網(wǎng)的現(xiàn)行政策，智能調(diào)峰e(cuò)型零氣耗干燥器為傳統(tǒng)的通用機(jī)械行業(yè)帶來(lái)了巨大的節(jié)能潛力，通過(guò)錯(cuò)峰填谷，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)碳中和做出了貢獻(xiàn)。同時(shí)為企業(yè)用戶帶來(lái)約60%的電費(fèi)節(jié)約收益。