基于能源梯級利用的分級增壓供氣系統(tǒng)

無錫杰爾壓縮機(jī)有限公司 馮晨遠(yuǎn) 龔一方 王 青

上海置本節(jié)能服務(wù)有限公司 錢美榮

0 引言

空壓機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛地應(yīng)用。它擔(dān)負(fù)著為所有氣動元件，包括各種氣動閥門，提供氣源的職責(zé)。因此它運(yùn)行的好壞直接影響生產(chǎn)工藝。空壓機(jī)的種類主要有活塞式、螺桿式，離心式等。一般的空壓站的供氣均采用恒壓供氣，然后通過減壓閥降壓，使壓力下降至各種氣動元件所需的壓力。事實(shí)上，這種降壓供氣的方式，意味著巨大的能源浪費(fèi)。而從供氣的控制方面，幾乎都是采用加、卸載控制方式。該控制方式雖然原理簡單、操作簡便，但存在能耗高，進(jìn)氣閥易損壞、供氣壓力不穩(wěn)定等諸多問題。

本文簡單分析了一種常用的供氣系統(tǒng)，分別根據(jù)壓力和流量要求，分析了供氣流程內(nèi)的能源損失。壓力方面，基于可用能的分析，發(fā)現(xiàn)減壓閥是整個(gè)系統(tǒng)損失最大的原件。流量方面，壓縮機(jī)本身調(diào)節(jié)性能有限，無法充分滿足工況的變化要求。針對上述缺點(diǎn)，根據(jù)能源梯級利用原理，重新設(shè)計(jì)了一個(gè)新的分級增壓供氣系統(tǒng)，針對不同壓力進(jìn)行精細(xì)化供氣，并采用了流量調(diào)節(jié)性能突出的G L系列壓縮機(jī)。與原有系統(tǒng)作節(jié)能對比，結(jié)果顯示，分級增壓系統(tǒng)可節(jié)能60%以上。

1 供氣需求

以某化纖廠為例，整個(gè)空壓機(jī)房對生產(chǎn)過程中各個(gè)工藝環(huán)節(jié)負(fù)責(zé)供氣。各個(gè)環(huán)節(jié)的使用需求各不相同。用氣量和用氣壓力都有很大差別。具體的用氣量如表1所示：

表1 用氣狀況統(tǒng)計(jì)

由表1可知，化纖廠在預(yù)網(wǎng)和主網(wǎng)環(huán)節(jié)用氣量最大，分別占總氣量的30%和51%。用氣量的變化也比較大，預(yù)網(wǎng)和主網(wǎng)環(huán)節(jié)常規(guī)用氣量僅為其最大用氣量的50%～60%。另一方面，從所需壓力來看，各個(gè)環(huán)節(jié)差異也較大。后面的分析將只針對預(yù)網(wǎng)和主網(wǎng)的用氣需求。

2 系統(tǒng)能源使用效率的分析

對現(xiàn)有系統(tǒng)的能源利用效率進(jìn)行分析，找出主要的損失環(huán)節(jié)。首先引入兩個(gè)概念：能源的梯級利用和可用能（exergy）。然后，對最大用氣量和常規(guī)用氣量這兩種工況作可用能分析。根據(jù)分析結(jié)果，能夠發(fā)現(xiàn)幾個(gè)重要的損失環(huán)節(jié)。

（1）能源的梯級利用和可用能的概念

1980年，著名科學(xué)家吳仲華在《中國的能源問題及其依靠科學(xué)技術(shù)解決的途徑》報(bào)告中，從科學(xué)技術(shù)角度，提出解決中國能源問題的戰(zhàn)略構(gòu)思。提倡各種不同品質(zhì)的能源要合理分配，對口供應(yīng)，做到各得其所，按照“溫度對口、梯級利用”原則，大力發(fā)展各種聯(lián)合循環(huán)與熱電聯(lián)供、余能利用等總能系統(tǒng)。

能源梯級利用的主要原則有以下兩點(diǎn)：

一是按質(zhì)用能：不使高品質(zhì)能源去做低品質(zhì)能源可完成的工作。

二是逐級多次利用：高品質(zhì)能源使用過后轉(zhuǎn)為低品質(zhì)能源，低品質(zhì)能源可繼續(xù)使用。

能源梯級利用中使用了能源的品質(zhì)。能源的品質(zhì)可以用熱力學(xué)中的可用能（exergy）來定量計(jì)算。對于一個(gè)流動系統(tǒng)，可用能的物理意義是工質(zhì)中的那部分可以轉(zhuǎn)化為功的能量。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，這時(shí)工質(zhì)與環(huán)境的總的熵增為零。我們由此可以推得可用能的表達(dá)式為

對于空氣這樣的理想氣體，可用能的表達(dá)式為

對于一個(gè)穩(wěn)定的流動，工質(zhì)的流量為，那么可用功率為

式中：

ex為單位質(zhì)量的可用能，單位為J/k g。

h為比焓，單位為J/k g。

T為絕對溫度，單位為K。

p為絕對壓力，單位為P a。

S為比熵，單位J/K/k g。

Cp為定壓比熱容，單位為J/(k g·K）。為工質(zhì)的質(zhì)量流量，單位為k g/s。

wmax為可用功率，單位為W。

下標(biāo)0表示氣體在環(huán)境狀態(tài)下的參數(shù)。

根據(jù)可用能的物理意義，我們可以得到下面的一些有用的結(jié)果：

1）可用能不會小于零；

2）如果工質(zhì)的壓力和溫度與環(huán)境相同，那么其可用能為零；

3）高溫高壓流體中包含比例較高的可用能；

4）全部的電能和機(jī)械能都可以當(dāng)做可用能。

從上面的一些結(jié)果中，我可以看到能量的品質(zhì)可以通過可用能來定量描述。可用能分析正是實(shí)現(xiàn)能源梯級利用的必不可少的分析方法。可用能的分析可以揭示系統(tǒng)中損失產(chǎn)生的具體位置和大小，這為我們節(jié)能改造提供了強(qiáng)有力的依據(jù)。

（2）原有供氣方案的能耗分析

原供氣系統(tǒng)如圖1所示，多臺多級離心壓縮機(jī)構(gòu)成空壓機(jī)組，將空氣增壓至7.5bar，然后并入氣罐。氣罐中的氣源再通過減壓閥降低至不同的壓力，以用作不同的用途。

圖1 原有供氣系統(tǒng)示意圖

1）最大用氣量時(shí)的能耗及其損失的分析

空壓機(jī)組的供氣壓力為7.5Bar，屬于高品質(zhì)能源；預(yù)網(wǎng)和主網(wǎng)其實(shí)僅需2Bar和5Bar的低品質(zhì)能源，這就違背了能源梯級利用中按質(zhì)用能的原則。通過計(jì)算整個(gè)供氣流程中可用能的變化，可以揭示各個(gè)能源浪費(fèi)的環(huán)節(jié)。

可用能的分析能夠揭示能量在傳遞和轉(zhuǎn)換過程中能源品質(zhì)下降的本質(zhì)，為合理用能、節(jié)約用能指明了方向。

作為基態(tài)（其可用能為零）的環(huán)境狀態(tài)參數(shù)為,標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，293K。

圖2顯示了可用能分析的結(jié)果。

圖2 原供氣系統(tǒng)的可用能分析結(jié)果

可用能分析告訴我們，系統(tǒng)的能量損失主要分三大部分：壓氣機(jī)的氣動和機(jī)械損失，換熱器損失和減壓閥損失。這三者損失占總損失的比例分別為：壓氣機(jī)損失28%，換熱器損失34%，和閥門損失38%。此時(shí)，系統(tǒng)的總效只有49%。壓氣機(jī)上的損失很難有大的改善，而換熱器上的能量由于溫度比較低，一般只能產(chǎn)生熱水和蒸汽。出人意料的是，閥門這個(gè)最簡單的流體元件上導(dǎo)致了最大的一部分損失。

2）常規(guī)用氣量時(shí)的能耗及其損失分析

空壓機(jī)流量都按空壓機(jī)最大流量來配置，而實(shí)際使用時(shí)，往往不會滿負(fù)荷運(yùn)行，如表2所示，常規(guī)使用的氣量僅為最大氣量的50%至60%。而現(xiàn)有的多級離心壓縮機(jī)只有進(jìn)口導(dǎo)葉可調(diào)，流量最低調(diào)節(jié)到70%左右，同時(shí)效率下降至少5%。如果實(shí)際需求的流量小于最小流量，那么只能將多余的氣體放空。雖然壓縮后的氣體通過放空閥排出，但壓縮前的氣體體積不變，壓縮過程中的耗功也不會因此減小。按照表2中的常規(guī)氣量的要求，如果按照現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)運(yùn)行，那么壓縮機(jī)流量應(yīng)該在設(shè)計(jì)值的54%。這就意味著16%的壓縮空氣的能量被浪費(fèi)掉了。

表2 空壓機(jī)常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)

圖3顯示了在常規(guī)氣量下的可用能分析結(jié)果。由于額外的放空而帶來的損失，系統(tǒng)的效率下降到了35%。從損失的數(shù)值來看，放空一項(xiàng)帶來的損失與兩個(gè)減壓閥損失的總和相當(dāng)。

從原理來講，采用可調(diào)的進(jìn)出口導(dǎo)葉可以實(shí)現(xiàn)效率不下降的條件下調(diào)節(jié)壓縮機(jī)流量。但是由于機(jī)械控制等方面的復(fù)雜性，現(xiàn)有的多級離心壓縮機(jī)，僅通過旋轉(zhuǎn)第一級葉輪前的進(jìn)口導(dǎo)葉角度，來調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量。這種調(diào)節(jié)方法，卻不僅使擴(kuò)壓器內(nèi)的損失增大，后續(xù)幾級的葉輪也會因?yàn)槠x流量設(shè)計(jì)值而產(chǎn)生較大的損失。因而對于多級離心壓縮機(jī)，僅通過調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉角度，最小僅可調(diào)節(jié)至額定流量的70%。且由于流量偏離設(shè)計(jì)值，所帶來的效率的降低，使得整體效率有5%以上的損失。因此可以說，現(xiàn)有的多級離心壓縮機(jī)在流量調(diào)節(jié)方面的性能比較有限，無法切實(shí)滿足工況的流量變化，因此造成大量的能量損失。

圖3 原供氣系統(tǒng)常規(guī)用氣量時(shí)的可用能分析

3）損失來源及其節(jié)能潛力

從上面的分析中，可以看到原有系統(tǒng)中的損失占比超過輸入功的50%以上。在常規(guī)用氣量時(shí)，系統(tǒng)效率只有35%，也就是三分之二的電能損失掉了。

圖4 兩種工況下的損失分布

可用能分析進(jìn)一步揭示了損失主要來自四個(gè)方面：①壓氣機(jī)本身的氣動（包括機(jī)械）損失，②換熱器帶走的熱量③出口減壓閥上的損失④在常規(guī)用氣量時(shí)的放空損失。圖4顯示了各項(xiàng)損失占的比例。壓縮機(jī)是一個(gè)相對成熟的技術(shù)，進(jìn)一步提高其效率的空間很小。換熱器帶走的熱量，總量比較大。但是由于溫度低，品質(zhì)不高，合理的使用是供熱。減壓閥上的損失和放空造成的損失則是完全可以避免的。這兩部分的損失占總損失的三分之一到二分之一。減小或者避免這兩部分損失應(yīng)該是我們系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮的方向。我們基于對現(xiàn)有系統(tǒng)的可用能分析的結(jié)果，提出了分級增壓，以及選用有著較大流量調(diào)節(jié)范圍的壓縮機(jī)，基本避免了減壓閥和放空損失。

3 分級增壓系統(tǒng)

基于上述的節(jié)能分析，為了最大化降低能耗，針對主網(wǎng)和預(yù)網(wǎng)的壓縮空氣的需求，提出如下分級增壓方案（如圖5所示）：一級增壓將主網(wǎng)和預(yù)網(wǎng)的空氣都壓縮到預(yù)網(wǎng)的壓力。一部分的一級壓縮空氣供預(yù)網(wǎng)使用，而另一部分一級壓縮空氣則經(jīng)過進(jìn)一步壓縮，達(dá)到主網(wǎng)需求的二級壓力。

圖5 分級增壓方案示意圖

分級供氣方案有如下特點(diǎn)：

（1）能夠同時(shí)提供不同壓力的壓縮空氣

整個(gè)系統(tǒng)分兩級增壓，第一級增壓系統(tǒng)將空氣加壓至2Bar,流量為430N m3/mi n。第一級加壓之后，其中一部分氣體（160N m3/mi n）進(jìn)入預(yù)網(wǎng)的氣罐。剩余氣體（270N m3/mi n）全部進(jìn)入第二級增壓系統(tǒng)。增壓后壓力上升為5Bar，然后進(jìn)入主網(wǎng)的氣罐。與原來系統(tǒng)相比，省去了減壓閥，因而消除了減壓閥上的損失。

（2）能夠提供50%以上的流量調(diào)節(jié)范圍

選擇的壓縮機(jī)采用進(jìn)口導(dǎo)葉和出口導(dǎo)葉聯(lián)動調(diào)節(jié)。單臺風(fēng)機(jī)流量可以在45%至最大流量之間無極調(diào)節(jié)。這樣在流量調(diào)節(jié)時(shí)，兩級的葉輪和出口擴(kuò)壓器都不會流量偏離設(shè)計(jì)值。這樣的調(diào)節(jié)方式既能夠擴(kuò)大流量調(diào)節(jié)范圍，同時(shí)效率又不會發(fā)生明顯的下降。如果需要使用的流量為最大流量的50%時(shí)，所需的軸功率也基本只有滿負(fù)載的50%。

由于系統(tǒng)是由幾臺壓縮機(jī)串并聯(lián)組成的，其系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性會更進(jìn)一步的擴(kuò)大。以目前的系統(tǒng)為例：2Bar出口的流量調(diào)節(jié)范圍最大可以達(dá)到0到430N m3/mi n，而5Bar出口的流量調(diào)節(jié)范圍為120到270N m3/mi n。這樣的調(diào)節(jié)范圍為工廠的運(yùn)行提供了極大地靈活性和效率。

（3）加強(qiáng)了整個(gè)供氣系統(tǒng)的可靠性：

由于系統(tǒng)采用了串并聯(lián)的布置，系統(tǒng)的容錯(cuò)能力也有相應(yīng)的提高。整個(gè)增壓系統(tǒng)包含3臺壓縮機(jī)，其中任何一臺出現(xiàn)故障，可根據(jù)實(shí)際的需求，選擇優(yōu)先滿足主網(wǎng)或者預(yù)網(wǎng)的用氣量，即可調(diào)整閥門。同時(shí)啟動備機(jī)，恢復(fù)整個(gè)供氣系統(tǒng)正常動行。

可用能分析的結(jié)果，分級增壓的系統(tǒng)可用能效率達(dá)到了69%。而且這個(gè)效率并不隨工況的變化而發(fā)生改變。對比原系統(tǒng)的效率，在最大用氣量的情況下，效率增加40%，在常規(guī)用氣量的情況下，效率增加了一倍。

表4 分級增壓系統(tǒng)方案工況及節(jié)能效果

4 節(jié)能效果

在實(shí)際生產(chǎn)中，原方案主網(wǎng)絡(luò)和預(yù)網(wǎng)絡(luò)的供氣功率為2455k W。電價(jià)以0.7元計(jì)算，年工作時(shí)間為8000h。原方案每年電費(fèi)為1375萬元。

若采用分級增壓系統(tǒng)方案，該方案的工況與節(jié)能效果見表4。

若按最大用氣量使用，每年可節(jié)約440萬元電費(fèi)，即電費(fèi)節(jié)省了32%。這一部分的節(jié)能效果主要通過壓力的精細(xì)化供應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。

若按常規(guī)用氣量使用，每年則可節(jié)約881萬元電費(fèi)，即電費(fèi)節(jié)省了64%。這進(jìn)一部分的節(jié)能效果則是通過流量調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。

目前的分級增壓方案的目標(biāo)在節(jié)電。可用能分析告訴我們，另一個(gè)可用能損失環(huán)節(jié)在冷卻器上。如果能夠?qū)崿F(xiàn)壓縮空氣與供熱并行，那么系統(tǒng)的效率將會有進(jìn)一步的提高。

5 總結(jié)

基于能的梯級利用的概念，提出了一個(gè)能夠應(yīng)用于壓縮空氣站的分級增壓系統(tǒng)方案。通過精細(xì)化的壓力供應(yīng)和寬闊的流量調(diào)節(jié)范圍，能量利用效率大幅度提高，能源消耗相應(yīng)減小。與原有的粗放式的供氣系統(tǒng)相比，新的系統(tǒng)可節(jié)能60%以上。

致謝：首先感謝無錫杰爾壓縮機(jī)公司同意發(fā)表這篇文章。工作中，李培良、葛文明、姚建新分別在空壓機(jī)應(yīng)用、電氣數(shù)據(jù)、方案分析上提供了有益的建議和幫助，特致感謝。

[1]童鈞耕，工程熱力學(xué)（第四版），高等教育出版社，2007；

[2]Atlas Copco Compressor Air Manual 7th edition，2010；

[3]吳仲華，能的梯級利用與燃?xì)廨啓C(jī)總能系統(tǒng)，機(jī)械工業(yè)出版社，1988；

[4]金紅光，林汝謀，能的綜合梯級利用與燃?xì)廨啓C(jī)總能系統(tǒng)，科學(xué)出版社，2008