壓縮空氣系統(tǒng)能效檢測(cè)與績(jī)效參數(shù)設(shè)定

吳鵬鎧

上海白玉蘭煙草材料有限公司設(shè)備動(dòng)力部

0 引言

壓縮空氣是僅次于電力的第二大動(dòng)力能源，是具有多種用途的工藝氣源，其應(yīng)用范圍遍及多行業(yè)、多部門。由于壓縮空氣是將電能轉(zhuǎn)化為空氣勢(shì)能，并借助壓縮空氣的膨脹對(duì)外做功的一種清潔動(dòng)力，越來(lái)越多的人意識(shí)到它是消耗“高品位”電能所得的“二次能源”，應(yīng)該對(duì)其轉(zhuǎn)換能效給予更多關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，空壓站對(duì)電能的消耗約占整個(gè)企業(yè)電能總消耗的10%～50%。這意味著節(jié)約壓縮空氣并合理利用它將節(jié)約能源、降低成本、改善環(huán)境。壓縮空氣含有潤(rùn)滑油、固體顆粒及水份，未經(jīng)凈化處理直接使用的氣體，會(huì)帶來(lái)故障，降低生產(chǎn)效率。后處理裝置凈化壓縮氣體是氣壓系統(tǒng)中必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。然而，在儲(chǔ)氣、過(guò)濾、干燥、輸氣的后處理過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)選配與實(shí)際使用的需求可能存在的差異，使后處理的能源消耗較高。本文從某企業(yè)能源管理實(shí)施方案——減少壓縮空氣系統(tǒng)后處理耗氣量的實(shí)施入手，簡(jiǎn)介方案原理，討論不同的壓縮空氣干燥處理方式對(duì)能源績(jī)效的影響，運(yùn)用能效檢測(cè)評(píng)估能源績(jī)效，導(dǎo)出能源績(jī)效參數(shù)運(yùn)用于運(yùn)行檢測(cè)。

1 系統(tǒng)概況

某企業(yè)的空氣壓縮系統(tǒng)用于生產(chǎn)動(dòng)力，空壓站配置三臺(tái)螺桿式空氣壓縮機(jī)，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。空壓機(jī)均設(shè)定壓力帶運(yùn)行，通過(guò)壓力下限來(lái)調(diào)節(jié)空壓機(jī)的啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)別。根據(jù)用氣量需求，單機(jī)或聯(lián)機(jī)組合運(yùn)行。通常情況下，1#、2#變頻調(diào)速螺桿，單機(jī)運(yùn)行，一開(kāi)一備；若用氣量需求增加，增開(kāi)3#工頻機(jī)組，即開(kāi)啟一臺(tái)工頻一臺(tái)變頻設(shè)備。

壓縮空氣的干燥是相對(duì)的概念。壓縮空氣在使用過(guò)程中如果有溫度的變化會(huì)有水份的析出。干燥機(jī)的使用相對(duì)純凈空氣，使壓縮空氣達(dá)到使用的要求。干燥機(jī)的類別有冷凍式、吸附式、溶解式等。本系統(tǒng)配置冷凍干燥機(jī)兩臺(tái)，無(wú)熱再生干燥機(jī)兩臺(tái)，聯(lián)機(jī)運(yùn)行。

無(wú)熱再生干燥機(jī)通過(guò)再生氣來(lái)達(dá)到干燥效果。由于空氣含濕量能力與壓力呈反比，經(jīng)過(guò)干燥的部分再生氣減壓膨脹至大氣壓，使膨脹氣體變得更加干燥，隨之通過(guò)需再生的干燥劑層，析出水分，帶出系統(tǒng)，達(dá)到干燥目的，再生需要消耗的壓縮空氣量在15%左右。

表1 空壓機(jī)參數(shù)一覽表

2 能源績(jī)效改進(jìn)

減少壓縮空氣系統(tǒng)后處理耗氣量。針對(duì)空氣壓縮系統(tǒng)的主要能源使用，減少供氣損失的能源績(jī)效改進(jìn)機(jī)會(huì)，進(jìn)行壓力、流量損失分析的同時(shí)，評(píng)估用冷凍干燥機(jī)（原有）替代吸干機(jī)的可行性。在低濕度季節(jié)，適時(shí)關(guān)停吸干機(jī)，減少系統(tǒng)流量損失的同時(shí)，下調(diào)設(shè)定壓力帶。預(yù)計(jì)節(jié)能量能夠達(dá)到15%，工藝管理節(jié)能，立即產(chǎn)生效益，年節(jié)約電費(fèi)約8萬(wàn)元，年節(jié)能量約10 tce。

壓縮空氣在經(jīng)過(guò)緩沖、干燥、除味、貯存后處理流程，再向各供氣點(diǎn)輸送。其中干燥流程使用了自熱再生設(shè)備，該類設(shè)備通過(guò)填料（干燥劑）來(lái)吸附壓縮空氣中的水份，吸水能力飽和以后，需要利用熱的壓縮空氣反沖，再生還原填料，并直接向外排水排氣，需要消耗大量壓縮空氣，耗氣量約15%。另一種設(shè)備，冷凍干燥機(jī)利用低溫析出空氣中的水份，優(yōu)勢(shì)是不直接向外排放，不消耗壓縮空氣，相較自熱再生設(shè)備，更加節(jié)能。

本案例使用冷凍干燥機(jī)代替自熱再生吸干機(jī)，取得了較好的節(jié)能效果。通過(guò)“電力監(jiān)控系統(tǒng)”觀察空壓機(jī)的功耗水平，從而可了解該項(xiàng)目的節(jié)能水平。

圖1是2018年11月3日，空壓站的3臺(tái)空壓機(jī)實(shí)時(shí)功率的曲線圖，橫坐標(biāo)為時(shí)間，每三分鐘記錄一次，縱坐標(biāo)為實(shí)時(shí)功率，單位為kW。藍(lán)色曲線為1號(hào)空壓機(jī)，紫色曲線為3號(hào)空壓機(jī)，紅色豎線之間的區(qū)域內(nèi)8:45-14:15使用吸干機(jī)，其他時(shí)間段關(guān)閉吸干機(jī)，開(kāi)啟冷干機(jī)。

當(dāng)天，早晨6:10 開(kāi)機(jī)運(yùn)行1 號(hào)空壓機(jī)，后處理開(kāi)啟冷干機(jī)，系統(tǒng)用電量對(duì)應(yīng)車間機(jī)臺(tái)運(yùn)行逐漸增加，6:30左右進(jìn)入持續(xù)負(fù)荷供氣。7:30后基本穩(wěn)定在150 kW左右。

8:15 到14:15 開(kāi)啟自熱再生吸干機(jī)，隨著吸干機(jī)加入運(yùn)行，壓縮空氣損耗增大，供氣量減少，供氣壓力驟降，僅開(kāi)啟1 臺(tái)（20 m3）空壓機(jī)已無(wú)法正常供應(yīng)；必須同時(shí)開(kāi)啟3 號(hào)空壓機(jī)（10 m3），才能滿足供應(yīng)。這段時(shí)間的耗電水平基本為1 號(hào)空壓機(jī)120 kW，3號(hào)空壓機(jī)95 kW，總實(shí)時(shí)功率215 kW。

14:15 以后關(guān)停吸干機(jī)，恢復(fù)運(yùn)行為早晨第一種的運(yùn)行模式。1 號(hào)空壓機(jī)單臺(tái)已經(jīng)能夠滿足運(yùn)行，關(guān)閉3號(hào)空壓機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)功率也恢復(fù)到150 kW左右。初步分析，不開(kāi)啟吸干機(jī)的模式，相較開(kāi)啟吸干機(jī)，功率絕對(duì)量減少65 kW，節(jié)能約30%。

圖1 啟停吸干機(jī)的功率比較

3 能效檢測(cè)

“氣平衡”測(cè)試，是一種檢測(cè)空氣壓縮機(jī)（系統(tǒng)）能效水平的技術(shù)手段，但相較“熱平衡”、“水平衡”等測(cè)試，并不常見(jiàn)于在用系統(tǒng)的檢測(cè)，更常見(jiàn)的如壓縮機(jī)效率測(cè)試多用于空氣壓縮機(jī)的型式試驗(yàn)、產(chǎn)品能效等級(jí)測(cè)試等。本文討論參考空氣壓縮機(jī)能效等級(jí)測(cè)試的方法，轉(zhuǎn)化應(yīng)用到在用系統(tǒng)中，作參考評(píng)估。

測(cè)點(diǎn)布置時(shí)，應(yīng)選擇在較長(zhǎng)的橫平直管段的中段，流量、壓力的檢信采用插入式流量計(jì)、壓力傳感器，電力檢信的采樣點(diǎn)應(yīng)該盡可能靠近設(shè)備，必須在不經(jīng)過(guò)斷路器直接向空氣壓縮機(jī)供電的電纜上用鉗形電力計(jì)或電力質(zhì)量分析儀檢測(cè)三相電壓、電流，以獲取最準(zhǔn)確的功率數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析匯總時(shí)，空壓機(jī)能效分析儀較傳統(tǒng)的流量記錄儀加電量分析儀的組合，在計(jì)算匯總、統(tǒng)計(jì)分析上更加具有優(yōu)勢(shì)，流量、壓力、電量信號(hào)一并接入的，在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)能獲得實(shí)時(shí)的能效比，對(duì)于小系統(tǒng)、單機(jī)臺(tái)、多工況、測(cè)點(diǎn)少的測(cè)試對(duì)象，在短時(shí)間內(nèi)即可給出測(cè)試結(jié)果，有利于現(xiàn)場(chǎng)排查能源績(jī)效改進(jìn)的機(jī)會(huì)。

不同于穩(wěn)定工況的空壓機(jī)型式試驗(yàn)，實(shí)際運(yùn)行中由于用氣量隨著生產(chǎn)負(fù)荷的變化而增減，高精度的流量計(jì)對(duì)于測(cè)量范圍的要求往往是穩(wěn)定的流量區(qū)間，要求測(cè)試能先掌握典型的工況，即穩(wěn)定的壓力帶、供氣流量和機(jī)組啟停次數(shù)。可以向現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員獲取設(shè)備的啟停歷史、操作習(xí)慣、作息制度，來(lái)判定典型工況出現(xiàn)的時(shí)段。更可靠的方法是采用兩次測(cè)量的方法，即在正式檢測(cè)前進(jìn)行工況分類粗測(cè)，用普通氣體流量計(jì)（非測(cè)試用），進(jìn)行一個(gè)全天候的測(cè)試（粗測(cè)），分析剔除小流量的斷續(xù)的易產(chǎn)生干擾的工況，篩選出典型工況的時(shí)段、壓力、流量，作為制定正式檢測(cè)計(jì)劃的依據(jù)。本例中所實(shí)施的粗測(cè)已超過(guò)350 h，不僅為確定典型“流量”，還要考慮不同后處理設(shè)備的典型“組合”。上文中提及用關(guān)停吸干機(jī)來(lái)減少后處理耗氣量正是檢測(cè)需要驗(yàn)證的。實(shí)際測(cè)試中，選擇了8 個(gè)典型工況（詳見(jiàn)表2）。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，冷干機(jī)啟停對(duì)能耗影響為6%，吸干機(jī)啟停對(duì)能耗的影響為35%。

另外，需要注意由于現(xiàn)場(chǎng)往往不具備單機(jī)測(cè)試的必要條件，單耗對(duì)標(biāo)應(yīng)該采用GB 19153-2009中的能效等級(jí)來(lái)參考評(píng)定；設(shè)備銘牌標(biāo)注的是“額定功率”，即輸出功率。而評(píng)定應(yīng)該采用輸入功率，即相應(yīng)考慮電機(jī)效率和服務(wù)系數(shù)。

表2 系統(tǒng)各工況下電耗、產(chǎn)氣量等數(shù)據(jù)

4 能源績(jī)效參數(shù)設(shè)定

空壓機(jī)日常不可能長(zhǎng)期掛載精密的能效檢測(cè)設(shè)備，是否就無(wú)法直觀地獲得能效數(shù)據(jù)？能源績(jī)效參數(shù)和相關(guān)變量的設(shè)定是轉(zhuǎn)化檢測(cè)結(jié)果的重要輸出，有利于形成節(jié)能運(yùn)行的長(zhǎng)效機(jī)制。

本文討論的能源績(jī)效參數(shù)與空壓機(jī)（系統(tǒng)）的能耗水平有直接關(guān)系。如：空壓機(jī)設(shè)定壓力帶、后處理系統(tǒng)壓力降，在典型工況下，壓力帶和壓力降應(yīng)該是趨于穩(wěn)定的，通過(guò)設(shè)置參考值可持續(xù)對(duì)比，一旦出現(xiàn)壓力帶上升或壓力降增加的情況，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)后處理耗氣量和壓力損失做出評(píng)估，注意觀察定時(shí)排水裝置、過(guò)濾裝置的有效性。

而相關(guān)變量與空壓機(jī)（系統(tǒng)）的能耗水平有間接關(guān)系，比如空壓機(jī)的油溫，冷卻系統(tǒng)的水溫，這些變量大多受到環(huán)境散熱條件的影響，處于有規(guī)律的變化之中，通過(guò)設(shè)置參考值持續(xù)比對(duì)分析，出現(xiàn)異常的持續(xù)升溫情況，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的散熱系統(tǒng)進(jìn)行有效性評(píng)估，對(duì)油質(zhì)、水質(zhì)進(jìn)行檢查。

5 結(jié)語(yǔ)

壓縮空氣系統(tǒng)能效檢測(cè)是必要的評(píng)估手段，實(shí)施中應(yīng)該選擇適用于現(xiàn)場(chǎng)條件的方法和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，注意測(cè)點(diǎn)布置、儀表選用，粗測(cè)必須以確定典型工況在實(shí)際變工況系統(tǒng)中。檢測(cè)可以用于系統(tǒng)能效評(píng)估，也可用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作，尋找能源績(jī)效改進(jìn)機(jī)會(huì)。本文提及能源管理實(shí)施方案在實(shí)測(cè)中得到驗(yàn)證，冷干機(jī)啟停對(duì)能耗影響為6%，吸干機(jī)啟停對(duì)能耗的影響為35%。能源績(jī)效參數(shù)應(yīng)該選擇與系統(tǒng)運(yùn)行強(qiáng)相關(guān)的參數(shù)，較相關(guān)變量，能源績(jī)效參數(shù)應(yīng)該被優(yōu)先考慮，對(duì)于空壓機(jī)（系統(tǒng)），設(shè)定壓力帶和后處理壓力降是較好的選擇。