揚州市重點用能企業(yè)空壓機能源利用狀況及對策研究

馬繼松，嚴樂榮，趙魯蘇

(1.揚州市工業(yè)和信息化局，江蘇 揚州 225000；2.中國石化集團江蘇石油勘探局有限公司節(jié)能監(jiān)測站，江蘇 揚州 225000)

空壓機作為重點用能企業(yè)廣泛使用的終端用能設備，占企業(yè)用電量的比重較高，提升空壓機能效水平對促進重點用能企業(yè)節(jié)能降耗和綠色發(fā)展具有重要意義。為全面了解揚州市工業(yè)企業(yè)對空壓機的運行管理、能源消耗狀況和能源利用水平，揚州市工業(yè)和信息化局對全市121家年綜合能耗3 000 t標煤以上的重點用能企業(yè)的空壓機進行了調(diào)研，并組織專業(yè)機構從中抽取46家企業(yè)的122臺空壓機進行了能效監(jiān)測，討論了設備經(jīng)濟運行的諸多可能，提出優(yōu)化選型、余熱回收、強化管理和政策激勵等對策建議。

1 揚州重點用能企業(yè)空壓機基本現(xiàn)狀

1.1 能耗情況

空壓機是壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置，是將電動機產(chǎn)生的機械能轉換為氣體壓力能，廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個行業(yè)。據(jù)調(diào)查揚州市121家重點用能企業(yè)2019年總耗電量為1 064 106萬kW·h，其中空壓機年用電量為130 897萬kW·h，占企業(yè)總耗電量的12.3%，降低空壓機電能消耗對節(jié)能工作至關重要。

1.2 類型分布

目前揚州的重點用能企業(yè)使用的空壓機主要有螺桿、離心和活塞式三種，空壓機類型數(shù)量見表1。往復式空壓機是使用起步最早的機型，其效率已明顯處于弱勢，現(xiàn)逐漸被螺桿式和離心式空壓機取代。揚州市重點用能企業(yè)現(xiàn)有各類空壓機為825 臺，總容量為207 116 kW，其中離心式空壓機為71臺，容量為120 686 kW，占比為58.3%；螺桿式空壓機為692臺，容量為857 212 kW，占比為41.4%；活塞式空壓機為62臺、容量為708 kW，占比為0.3%。

1.3 能效水平

對照《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》(GB19153—2019)，揚州市重點用能企業(yè)在用的825臺空壓機中，一級能效的有75臺，占比為9.1%；二級能效的有382臺，占比為46.3%；三級能效的有328臺，占比為39.8%。2003年前生產(chǎn)的在用空壓機有40臺，由于當時無相關能效標準，按低效產(chǎn)品歸類，占比為4.8%，空壓機能效等級構成見圖1。從圖1中可以看出，目前揚州市重點用能企業(yè)在用空壓機配置能效等級處于偏低水平，節(jié)能空間很大。

1.4 余熱利用情況

空壓機將電動機的部分機械能轉化為空氣的壓力能，在此過程中會產(chǎn)生大量的熱能。據(jù)統(tǒng)計壓縮機運行過程中真正用于增加空氣勢能而消耗的電量

圖1 空壓機能效等級構成

僅占其總電耗的15%，其余的幾乎都轉化為熱量，為了保證空壓機的正常運行，這部分熱量主要通過空氣冷卻或水冷卻排放到大氣中，這種現(xiàn)象既造成了能源的浪費，產(chǎn)生的廢熱還會污染環(huán)境，這就有了余熱回收的要求。通過統(tǒng)計，121家企業(yè)在用空壓機加裝余熱回收裝置的只有47家，占比為39%。

1.5 計量器具配備

空壓機計量器具的配備主要包括：電表、氣體流量表、壓力表、溫度表、壓力變送器和溫度變送器等。只有表計的配備率及精度符合要求，計量器具才能發(fā)揮應有的效用。從調(diào)研數(shù)據(jù)看，我市重點用能企業(yè)空壓機電能消耗電表配備率為86.6%，壓力表和溫度表配備率在80%左右，氣體流量計配備率不足10%。

2 空壓機使用過程中的主要問題

2.1 能效水平偏低

揚州市重點用能企業(yè)在用的825臺空壓機中，一級和二級能效的占比為55.4%。通過抽取46家企業(yè)的122臺空壓機進行能效監(jiān)測，實測輸入比功率達到節(jié)能標準的只有34臺，占比為27.9%，72.1%的空壓機達不到高效節(jié)能標準，總體能效水平偏低。

2.2 機組與負荷不匹配

在空壓機設備選型時，保持額定壓力和運行壓力之間的匹配，能源利用效率就高，反之能源利用效率就低。一般而言，空壓機額定壓力與運行壓力之差不宜超過0.05 MPa。在測試的122臺空壓機中，額定壓力與運行壓力不匹配的有27臺，占比為22.1%。

2.3 余熱利用水平不高

空壓機的電能消耗有近85%的能量通過熱風、冷卻水和冷卻油散失了，做好余熱回收利用是空壓機系統(tǒng)經(jīng)濟運行的關鍵。揚州全市121家重點用能企業(yè)中，61%的企業(yè)未實施空壓機余熱回收利用。在測試的122臺空壓機中，僅有37臺實施了余熱回收利用，占比為30.3%，大量的空壓機余熱白白浪費了。

2.4 管理操作水平不專業(yè)

空壓機管理操作水平總體比較粗放，專業(yè)化、精細化水平有待提高，主要體現(xiàn)為計量器具配置率較低、操作人員技能水平不高、設備使用不當、供氣系統(tǒng)設計不合理以及設備維護保養(yǎng)不徹底。全市121家重點用能企業(yè)，對空壓機管路壓降進行管理控制的不到10家，在空氣管道首末端安裝壓力表進行壓差監(jiān)控的幾乎沒有，90%的企業(yè)自空氣管路建成后沒有進行過漏氣檢測，氣體流量計配備率不足10%。

3 節(jié)能潛力分析

3.1 能效提升節(jié)能潛力

對照《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》(GB19153-2019)，一級能效比三級能效空壓機效率提升19.5%，二級能效比三級能效空壓機效率提升9%左右。目前揚州市重點用能企業(yè)在用空壓機有44.6%在三級能效(包含)以下，如果這些空壓機都能配備到二級能效，則年可節(jié)約電量為：130 897萬kW·h×44.60%×9%=5 254.2萬kW·h；若全部換成一級能效空壓機年可節(jié)約電量為130 897萬kW·h×44.6%×19.5%=11 384.11萬kW·h，折合標準煤37 567 t。

3.2 余熱回收節(jié)能潛力

目前，揚州市有61%的企業(yè)未實施余熱回收，保守估計余熱回收率按60%計算，空壓機年耗電量按130 897萬kW·h計算，電的熱值按36 GJ/萬kW·h測算，可以回收130 897萬kW·h×36×0.61×0.6=172.47萬GJ熱量，折合標準煤58 847 t。

3.3 優(yōu)化控制節(jié)能潛力

為生產(chǎn)壓縮空氣，需消耗大量的電力，實際生產(chǎn)現(xiàn)場壓縮空氣的泄漏量比較大，而企業(yè)往往低估了泄漏而引起的損失，導致現(xiàn)場泄漏率比較高。據(jù)測算，如果壓縮空氣壓力為0.7 MPa，而氣管上有1 mm的小孔就會造成一年約3 525 kW·h的電能損失，空氣泄漏導致的用電損失見表2。通常情況下，運行5 a以上的管網(wǎng)，管道泄漏率在60%～70%；運行1～4 a的管網(wǎng)，管道泄漏率在10%～30%；管道泄漏率在5%～10%則是由安裝等原因引起。總體而言，企業(yè)平均管道泄漏率一般在10%，如果按年耗電130 897萬kW·h計算，則每年浪費的電量為130 897萬kW·h×0.1=13 090萬kW·h，折合標準煤43 197 t。

表2 空氣泄漏導致的用電損失

以上三項合計，可節(jié)約電量24 476.7萬kW·h，回收熱量172.47萬GJ，折合標準煤為139 620 t。

4 空壓機能效提升對策

4.1 優(yōu)先選用高效節(jié)能設備

空壓機的成本主要包括設備的初次購置費、設備維護費和后期使用電費三個部分。從空壓機多年的使用成本研究來看，設備的初次購置費僅占8.3%，設備維護費占13.8%，后期運行電費則占到了77.9%。因此，降低空壓機運行電費是節(jié)能成本的關鍵。以工信部《國家工業(yè)節(jié)能技術裝備推薦目錄(2018)》中推薦的某企業(yè)生產(chǎn)的一般用噴油螺桿空氣壓縮機為例：功率為250 kW，容積流量為53 m3/min，風冷，輸入比功為5.76 kW/(m3/min)，一級能效。如果企業(yè)在選型時選擇二、三級能效，后期使用費用也會有很大差異，依據(jù)《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》(GB19153—2019)，250 kW一般噴油螺桿空壓機(0.8 MPa、風冷)一至三級能效比功率分別為5.9 kW/(m3/min)、6.4 kW/(m3/min)和7.1 kW/(m3/min)，即每小時產(chǎn)單位立方壓縮空氣耗電量分別差0.5 kW·h、1.2 kW·h，按年運行時間5 300 h，電費為0.8元/kW·h計算，一級能效比二級能效空壓機年可節(jié)約電費11.23萬元，比三級能效空壓機年節(jié)約電費26.96萬元，空壓機選型經(jīng)濟性對比表見表3。一級能效空壓機(250 kW，53 m3/min)市場購買價在56萬元左右，如果替代三級能效改造，則兩年左右即可收回成本；若是新上空壓機則比選擇低能效空壓機大大節(jié)約使用成本，經(jīng)濟性非常優(yōu)越。因此企業(yè)在空壓機選型時，不能片面考慮初始投資，而應考量全生命周期的綜合成本，優(yōu)先選用一級能效空壓機。同時，在設計空壓機時，應充分考慮公司對壓縮空氣的工藝需求情況(包括壓力、流量和峰谷值等)，合理選擇空壓機(壓力、流量及波動情況)，合理安排機組的富余量和配套輔機，從而實現(xiàn)節(jié)能性和經(jīng)濟性的完美統(tǒng)一，空壓機選型經(jīng)濟性對比見表3。

表3 空壓機選型經(jīng)濟性對比表

4.2 優(yōu)化空壓機運行控制

空壓機常規(guī)控制方法是卸負載控制方式，但在實際運行中，用氣端需求一直處于不斷變化之中，當用氣量減少時，空壓機就處于卸載狀態(tài)，不對外供氣，此時會關閉進氣門，電動機運行功率在額定功率的20%～40%之間，綜合計算卸載能耗占總能耗的9%～18%。隨著變頻技術的普及，對空壓機可以采用變頻控制，在電網(wǎng)和電機之間安裝變頻器，當供氣壓力有波動時系統(tǒng)輸出端通過壓力變送器給變頻器信號，改變轉速從而調(diào)節(jié)供氣量，滿足生產(chǎn)需要。相比于傳統(tǒng)運行方式，節(jié)約了卸載時的能源損失，同時也保證了壓力的穩(wěn)定。另外可以采用多聯(lián)控制，就是使用多臺普通空壓機加一臺變頻空壓機通過PLC控制，根據(jù)用氣量需求自動調(diào)節(jié)空壓機運行臺數(shù)及變頻空壓機負載，以滿足更大的壓力波動。如當三臺普通空壓機與一臺變頻空壓機聯(lián)機運行時，通過變頻空壓機調(diào)節(jié)負載，當用氣量高于變頻調(diào)節(jié)最大值時，可以自動投運一臺空壓機，變頻空壓機仍可調(diào)節(jié)波動。同理，當用氣量低于變頻調(diào)節(jié)最低值時，可以停運一臺空壓機，在空壓機多機運用中，多機組聯(lián)控技術節(jié)能效果可達20%～40%。

4.3 加強空壓機余熱利用

空壓機在做功的過程中會產(chǎn)生大量的熱能，為了保證空壓機正常運轉，要對機組降溫，通常采用空冷、水冷或油冷的方式，這就造成了能源的浪費。以螺桿有油空壓機為例，冷卻潤滑油在冷卻過程中帶走了大部分熱量，這部分油又需要冷卻，在這個冷卻環(huán)節(jié)加裝熱交換器，冷卻油通過熱交換器后產(chǎn)生的熱水可以供生活與生產(chǎn)使用，這就達到了余熱回收利用的目的。此環(huán)節(jié)一方面是要做好余熱回收設備維護，達到高效率回收，另一方面也要做好余熱的充分利用。現(xiàn)階段大部分企業(yè)對余熱回收量沒有計量和統(tǒng)計，需加大這方面的管理，同時要多挖潛尋找余熱資源的可用之處。

4.4 強化空壓機的管理節(jié)能

加強計量器具的配置，特別是大幅度提高空壓站電力表計及空氣流量計的配備率，這對空壓機能耗控制、節(jié)能診斷、管路損耗控制以及單耗考核都有很大幫助。加強供氣壓力管控，指導企業(yè)對供氣壓力實施精細化管理，按照供需匹配原則，定期對供氣需求進行測試，將供氣壓力調(diào)整在合理值，從而節(jié)約能耗。加強壓縮空氣泄漏管理，定期對管道檢測，特別是對終端接頭和連接軟管等泄漏重點部位，應定期檢測，減少泄漏損失。加強人員培訓，實施空壓機技師培養(yǎng)計劃，提高操作人員的技能水準。加強能效對標，定期對空壓機的運行情況實施現(xiàn)場考核，對于有多臺機組的企業(yè)，可以樹立標桿，也可以與兄弟企業(yè)進行橫向比較。

4.5 積極引進節(jié)能新機制

國家新修訂的《合同能源管理技術通則》(GB/T 24915-2020)增加了合同能源管理的新模式——能源費用托管機制，空壓站托管模式，即將企業(yè)空壓站整體托管給專業(yè)公司，讓專業(yè)的人做專業(yè)的事。由于傳統(tǒng)企業(yè)對工廠空壓機配置、空壓管網(wǎng)管控等缺乏專業(yè)人才及技術，同時缺乏技改資金，可由第三方專業(yè)公司對企業(yè)空壓站系統(tǒng)進行節(jié)能改造，提供壓縮空氣系統(tǒng)從動力源頭到末端用氣設備的整體節(jié)能解決方案，既可解決企業(yè)的技術難題，也可解決資金困難的問題。企業(yè)只需根據(jù)用氣量付費給托管公司，技改投資、運行、維護等費用均由托管公司負責。企業(yè)用氣費用比原有成本低，運行過程中企業(yè)人員也會不斷掌握空壓機節(jié)能技術，幾年后托管公司可將設備移交企業(yè)，達到雙贏的目的。

4.6 激勵倒逼雙管齊下

一方面，借鑒以往對變壓器、電動機能效提升扶持政策，針對空壓機能效提升制定專項扶持政策，加強對空壓機節(jié)能改造、合同能源管理、空壓站托管的支持，利用三年左右的時間，推動全市空壓機能效整體大幅提升。另一方面，加大對使用淘汰落后設備的執(zhí)法力度。加強對列入工信部高耗能落后機電設備(產(chǎn)品)淘汰目錄設備的監(jiān)督檢查，對低效落后的空壓機嚴格篩查，發(fā)現(xiàn)使用淘汰設備的責令立即整改；對節(jié)能監(jiān)測、節(jié)能診斷中發(fā)現(xiàn)空壓機能效水平偏低的企業(yè)，提出監(jiān)察建議，指導企業(yè)制定改造計劃。