黎明產(chǎn)業(yè)園區(qū)空壓系統(tǒng)綜合節(jié)能技術(shù)優(yōu)化

樂亮亮

上海黎明資源再利用有限公司

0 引言

空壓機(jī)是一種用電動(dòng)機(jī)將氣體進(jìn)行壓縮的設(shè)備，在日常工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛，但同時(shí)也是能耗大戶。空壓機(jī)組為生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供特定的壓力源或空氣流量。已建焚燒廠在無法大規(guī)模地改變現(xiàn)有主設(shè)備的情況下，通過節(jié)流方式提升企業(yè)整體的經(jīng)濟(jì)效益，而空壓機(jī)是較好的切入點(diǎn)，因其日常運(yùn)行中能耗成本占全壽命周期成本比例較大，企業(yè)通過對(duì)空壓機(jī)變頻改造、熱能利用、集中供氣等措施，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造［1］。

1 背景概述

黎明產(chǎn)業(yè)園區(qū)下設(shè)有焚燒廠、沼氣發(fā)電廠、有機(jī)質(zhì)處理廠、建筑垃圾處理廠及填埋場滲瀝液處理站。初期設(shè)計(jì)時(shí)未統(tǒng)籌規(guī)劃，各自為政，獨(dú)立供氣。其中焚燒廠設(shè)計(jì)壓縮空氣用量為70 Nm3/ min，選用單螺桿式壓縮機(jī)組，三用兩備，額定流量32.8 Nm3/min，額定壓力 0.8 MPa，型號(hào)為阿特拉斯 G200。近年來，空壓機(jī)排氣溫度頻繁上升，換熱器清理工作量大，后端帶水現(xiàn)象嚴(yán)重。沼氣發(fā)電廠和有機(jī)質(zhì)處理廠分別配有一臺(tái)額定流量22 Nm3/min 和 16 Nm3/min 的機(jī)組。

整體優(yōu)化前數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，正常運(yùn)行時(shí)焚燒廠兩臺(tái)空壓機(jī)加載運(yùn)行，在系統(tǒng)用氣量突增時(shí)第三臺(tái)空壓機(jī)間斷運(yùn)行，日平均加載率約為50%，頻繁啟停造成電能的浪費(fèi)。空壓機(jī)冷卻系統(tǒng)采用水冷方式，利用廠內(nèi)閉式循環(huán)水作為冷源吸收空壓機(jī)轉(zhuǎn)子、潤滑油及壓縮空氣釋放出的熱能。換熱后此部分能量未合理利用，且換熱后排氣溫度依舊較高，溫度維持在80～95 ℃。沼氣站空壓機(jī)累計(jì)一日加載0.5 h，有機(jī)質(zhì)站空壓機(jī)累計(jì)一日加載1 h。為確保機(jī)組的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，同時(shí)節(jié)約廠用電、提高整體經(jīng)濟(jì)效益，有必要對(duì)原空壓系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。

2 系統(tǒng)優(yōu)化方案

本次系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化分別通過對(duì)原分散系統(tǒng)進(jìn)行整合、機(jī)組工頻電機(jī)及空壓機(jī)組熱能利用三個(gè)方向進(jìn)行。

2.1 園區(qū)一體化供氣改造方案

1)改造前運(yùn)行情況

由于項(xiàng)目分批建設(shè)，未統(tǒng)一規(guī)劃園區(qū)壓縮空氣供應(yīng)方式，在設(shè)備選型時(shí)都按照最大用氣量計(jì)算，局部瞬時(shí)性負(fù)荷是間歇性用氣，系統(tǒng)實(shí)際的耗氣量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。空氣壓縮機(jī)運(yùn)行中頻繁發(fā)生加/卸載，焚燒廠正常運(yùn)行中機(jī)組的加載率約為55%，沼氣、有機(jī)質(zhì)廠加載率僅為30%。頻繁的加/卸載造成能源的浪費(fèi)，存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，未運(yùn)行在最佳效率區(qū)段。同時(shí)，對(duì)空壓機(jī)內(nèi)部元件造成額外的沖擊，產(chǎn)生使用壽命縮短、油氣分離器滲油等問題。

2）改造后運(yùn)行情況

鑒于焚燒廠位于整個(gè)園區(qū)中心地帶，沼氣發(fā)電廠、有機(jī)質(zhì)處理廠及其擴(kuò)建項(xiàng)目都分散在焚燒廠的東南西北，呈環(huán)形布置。由焚燒廠空壓站向園區(qū)各分廠統(tǒng)一供氣，提高空壓機(jī)組的利用率，減少不必要的卸載待機(jī)耗電，見圖1。同時(shí)結(jié)合變頻改造工程，通過增加一套變頻控制裝置，確保輸出穩(wěn)定的氣源壓力，降低機(jī)組的卸載時(shí)間，減少電機(jī)的空轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)省能源，見圖2。變頻調(diào)整單元具有精確的壓力控制能力［2］，使壓縮空氣輸出與末端用戶所需要的氣量相匹配。變頻改造后的機(jī)組通過PLC 控制單元、人機(jī)界面、變頻器、壓力傳送單元、電動(dòng)機(jī)、螺桿轉(zhuǎn)子構(gòu)成的閉環(huán)偏差調(diào)整回路，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)得以實(shí)現(xiàn)。

圖1 園區(qū)一體化供氣示意圖

3）節(jié)能控制原理

變頻器依據(jù)中間儲(chǔ)罐壓力信號(hào)，將其與設(shè)定的目標(biāo)壓力進(jìn)行比較，PID 自動(dòng)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)中間儲(chǔ)罐壓力與目標(biāo)壓力相一致［3］。當(dāng)園區(qū)壓縮空氣耗氣量增加時(shí)，實(shí)際壓力低于目標(biāo)壓力，變頻器自動(dòng)發(fā)出調(diào)增信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，反之降低。周而復(fù)始，實(shí)時(shí)根據(jù)儲(chǔ)罐壓力變化調(diào)整，變頻改造前后壓力波動(dòng)情況見圖2。壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)圖見圖3。

圖2 變頻改造前后壓力波動(dòng)情況

圖3 壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)圖

2.2 熱能利用方案

1)改造前運(yùn)行情況

黎明產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)使用的空壓機(jī)均采用水冷式機(jī)組，水源采用閉式循環(huán)水，水冷系統(tǒng)在使用過程中經(jīng)常發(fā)生換熱器結(jié)垢，導(dǎo)致設(shè)備換熱效果不佳。排氣溫度明顯上升，夏季期間時(shí)常超過95 ℃。而螺桿式空氣壓縮機(jī)的額定產(chǎn)氣量會(huì)隨溫度的上升而減少，空氣壓縮機(jī)的額定產(chǎn)氣量是在81 ℃標(biāo)定時(shí)的產(chǎn)氣量。但排氣溫度每提高1 ℃，產(chǎn)氣量就會(huì)減少0.3%。大幅影響空壓機(jī)組的整體效能。原空氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)組成較為簡單，采用閉式循環(huán)水作為油氣分離器的冷卻水源，水質(zhì)、水量、水溫的變化對(duì)冷卻器的效果都會(huì)帶來巨大的影響［4］。

2)改造方案

通過對(duì)系統(tǒng)的梳理，決定在原油氣分離器冷卻裝置前布置一套熱能回收裝置，既減少了后端閉式冷卻水負(fù)荷，減少熱污染，同時(shí)可以在前段將高品位的熱能優(yōu)先利用，加熱生活水，用于員工日常洗浴。改造前后空壓機(jī)的油冷卻器示意圖見圖4。

圖4 改造前后空壓機(jī)的油冷卻器示意圖

3)改造后運(yùn)行情況

本次對(duì)空壓機(jī)油氣分離器冷卻裝置進(jìn)行改造升級(jí)，增加了冷卻系統(tǒng)總體的換熱面積，降低了機(jī)組排氣溫度。經(jīng)過半年運(yùn)行，排氣溫度控制在80 ℃以下，空壓機(jī)組的運(yùn)行效率有所提升。同時(shí)運(yùn)行機(jī)組絕大部分熱能被有效收集利用。

3 使用效果及經(jīng)濟(jì)性

3.1 變頻節(jié)能效果

此次改造增加的變頻設(shè)備參數(shù)如下：變頻器型號(hào)VFD-200，空壓機(jī)電機(jī)功率200 kW，建議變頻范圍35～50 Hz。

園區(qū)一體化供氣工程完成后，焚燒廠空壓機(jī)加載率由50%上升至63%。仍有余量為后續(xù)有機(jī)質(zhì)擴(kuò)建項(xiàng)目供氣。同時(shí)，原沼氣發(fā)電廠和有機(jī)質(zhì)廠獨(dú)立空壓機(jī)均已停用。

原沼氣發(fā)電廠空壓機(jī)組的耗電量：

132×5+53.8×55=3 619（kW·min）=60 kWh

原有機(jī)質(zhì)廠空壓機(jī)組的耗電量：

90×10+36×50=2 700（kW·min）=45 kWh

空氣壓縮機(jī)的實(shí)際輸出功率計(jì)算式見式（1）。

式中：Pw——功率；

k——常數(shù)；

P——輸出壓力；

Q——輸出流量。

通過改變供電頻率，從而調(diào)節(jié)負(fù)載，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)氣量Q也隨之改變，見式（2）。

式中：F——電機(jī)運(yùn)行頻率。

200 kW 的空氣壓縮機(jī)額定輸出（即加載狀態(tài)）功率為Pw=200 kW，母管壓力為0.7 MPa，可以計(jì)算出：k×Q=200/0.7=285。卸載時(shí)的功率為加載時(shí)的40%，則PW=200×40%=80 kW。

因電機(jī)出廠時(shí)有最低轉(zhuǎn)速要求，即滿足電機(jī)自有的散熱要求，因此，設(shè)定的最低頻率為35 Hz。此時(shí)，空壓機(jī)輸出流量為：

所對(duì)應(yīng)的輸出功率為：

Pw=0.7 k×P×Q=0.7×285×0.7=140 kW。

對(duì)應(yīng)卸載時(shí)的功率：Pw=140×40%=56 kW。

依據(jù)廠內(nèi)實(shí)際情況，目前加載率在63%，等于額定產(chǎn)氣量的63%，因此，所需功率為：

Pw=63%×200=126 kW。

當(dāng)頻率為35 Hz 的輸出功率在140 kW，因此定/變頻改造后的加載率約90%，每分鐘加載53 s，卸載7 s。

焚燒廠在定頻運(yùn)行時(shí)的電能消耗量為：

200×30+80×30=8 400（kW·min）=140 kWh

變頻運(yùn)行后的耗電量：

140×53+56×7=7 812（kW·min）=130 kWh

通過上述節(jié)能改造，園區(qū)一體化供氣+變頻控制，每小時(shí)節(jié)省140-130+45+60=115 kWh。

按照每年運(yùn)行8 300 h，新能源上網(wǎng)電價(jià)0.65元計(jì)算，每年可以節(jié)約電費(fèi)

115 kWh×8 300×0.65元=620 425元。

此次改造新增變頻設(shè)備、材料費(fèi)及人工費(fèi)約52萬元，按照目前的運(yùn)行方式，預(yù)計(jì)12個(gè)月內(nèi)可回本。

3.2 熱能利用改造

熱能利用改造后，為計(jì)算其經(jīng)濟(jì)效益，在2018年10月對(duì)空壓機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測定，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 空氣壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)水源溫度

夏季生活水溫度25 ℃，冬季8 ℃，春秋15 ℃，產(chǎn)生的熱水溫度在60 ℃左右，因夏季生活水溫較高，產(chǎn)水量較大，機(jī)組熱回收率60%。

空壓機(jī)回收熱功率：

P1=200 kW×60%=120 kW

夏季生活水溫在25 ℃左右，水的比熱4 200 kJ/(kg·℃）。

熱水產(chǎn)量：

Q=120×3 600÷4 200÷（60-25）=2.9 t/h

基本可以滿足廠內(nèi)員工的洗浴用水，在極端情況下，如下班高峰階段會(huì)有1-2 h需要電加熱輔助。

而用電加熱制1 t洗浴水（50 ℃），Q=C×M×T每升高1 ℃，Q=4 200×1 000×1=4 200 000 J，損耗記為13%，每度電等于3 600 000 J，每噸水升高1 ℃需1.36 kWh電能，假設(shè)自來水的水溫18 ℃，則需要32×0.87=27.8元，如每天需用25 t水，則全年費(fèi)用為25×27.8×365=253 675元。

整體熱能利用項(xiàng)目需花費(fèi)35萬元，參照目前的運(yùn)行方式，預(yù)計(jì)20個(gè)月即可回本。

4 結(jié)論

黎明園區(qū)一體化供氣改造及焚燒廠空壓站新增變頻裝置解決了原空壓機(jī)組頻繁加/卸載的現(xiàn)象，不但起到節(jié)能降耗的效果，而且對(duì)設(shè)備的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了較好的外部環(huán)境。對(duì)空壓機(jī)組冷卻系統(tǒng)升級(jí)及熱能利用方面，不但解決了夏季排氣溫度持續(xù)偏高的問題，而且“變廢為寶”廢熱回收利用，提高了園區(qū)整體的經(jīng)濟(jì)性，投運(yùn)至今近一年時(shí)間，運(yùn)行情況穩(wěn)定，兩項(xiàng)優(yōu)化工程的投資回收期都在2年以內(nèi)，效益顯著，值得推廣。