多臺螺桿式空壓機并聯(lián)系統(tǒng)的能耗改善分析

李學波，龐粟元

（1.中電神頭發(fā)電有限責任公司，山西朔州 036899；2.上海博御節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰?，上海 200233）

0 引言

空壓機在汽車、化工、能源利用等各種行業(yè)廣泛使用，也是這些行業(yè)中的耗能大戶。有資料統(tǒng)計顯示，一般空壓機系統(tǒng)所消耗的電能占企業(yè)電力消耗的20%～30%，因此降低空壓機能耗是壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能降耗的關鍵［1-4］。在學術和工程實際應用中，對其節(jié)能改造研究較多。邵慧等［5］通過對壓氣機系統(tǒng)中安裝余熱回收裝置，實現(xiàn)了整機系統(tǒng)的能耗降低和低成本運行。楊兆泉［6］則分析了造紙行業(yè)中空壓機系統(tǒng)聯(lián)網改造與節(jié)能措施，通過恒壓控制等手段實現(xiàn)了系統(tǒng)節(jié)能。焦義等［7］則從分子熱力學和流體力學的角度探究了吸氣參數(shù)和管道粗糙度對螺桿式空氣壓縮機能耗的影響規(guī)律并根據(jù)分析結果提出在工業(yè)應用中應適當降級壓氣機吸氣溫度、濕度和排氣壓力，采用表面光滑管道的節(jié)能方案。肖漢敏等［8］通過實例分析說明對空壓機實施聯(lián)控系統(tǒng)改造和進行余熱回收后，能夠很好地為企業(yè)降低空壓機運行成本，更充分地利用能源。顧天林［9］則通過對上海電機廠的第三空壓站多臺螺桿式空壓機運行情況進行分析后提出對壓縮機聯(lián)動控制系統(tǒng)進行改造并取得了實際節(jié)能效果。目前多臺螺桿式空壓機系統(tǒng)在電力行業(yè)十分常見，是一種典型的壓縮空氣生產系統(tǒng)［10-11］。對于該類系統(tǒng)，作者團隊立足應用現(xiàn)實情況，在長期分析其控制策略及能耗效率后，經過理論評估和計算驗證，確定該類系統(tǒng)存在2個弊端：能耗效率低和目標壓力控制穩(wěn)定性不高。

針對該類系統(tǒng)存在的弊端問題，本文作者及團隊將結合更加先進的空壓機及配套設施的技術，嘗試通過對系統(tǒng)的升級達到以上2個問題的解決。本文基于對真實的多臺螺桿式壓縮機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和理論計算，旨在討論在這種典型系統(tǒng)中通過改進系統(tǒng)控制方式以提升各種設備本機效率所帶來的節(jié)能潛力。

1 典型多臺螺桿式空壓機并聯(lián)系統(tǒng)分析

圖1示出了本文所研究的空壓機系統(tǒng)。系統(tǒng)具體特點為采用并聯(lián)方式給廠用儀表及吹灰用氣聯(lián)合供氣，通過對單臺螺桿式空壓機采用加卸載壓力控制方式，并對多臺機組采用錯開的壓力帶設定的方法來實現(xiàn)多機組的并聯(lián)和自動啟停。系統(tǒng)中9臺螺桿式空壓機均為加卸載控制，并通過壓力帶階梯性設定的方法進行系統(tǒng)控制?，F(xiàn)場實際運行的螺桿式空壓機臺在電廠主發(fā)電機2臺全開的情況下，常規(guī)開機7～8臺，母管壓力控制點為0.56 MPa。系統(tǒng)中對多臺螺桿機的壓力帶設定需同時考慮保護機組和兼顧系統(tǒng)需求，故遵循以下幾點原則：

（1）加載和卸載壓力設定通常保持0.06 MPa的壓力差，以兼顧壓力傳感器精度，同時保護空壓機免于頻繁加卸載。

（2）多臺空壓機的加卸載壓力帶設定階梯型錯開，以避免加載或者卸載動作時，多臺空壓機同時動作的情況，該類同時動作會帶來系統(tǒng)壓力的劇烈波動和多臺空壓機的頻繁加卸載，無論對下游設備還是空氣壓縮機本體都有較大損害。

（3）多臺空壓機的壓力設定值階梯寬度為0.02 MPa，壓差過小產生的問題如（2）所述，壓差過大則系統(tǒng)響應緩慢且母管壓力不穩(wěn)定。

圖1 某廠空壓站系統(tǒng)

整個系統(tǒng)的控制策略為：保證8臺空壓機在母管網壓力高于0.6 MPa時不卸載，在低于0.56 MPa時主動加載，多臺空壓機的壓力帶設定如圖2所示。

圖2 多臺空壓機的壓力帶

該系統(tǒng)設定方法雖最大限度的利用本機的加卸載壓力帶控制功能達到了系統(tǒng)壓力控制的要求，但仍存在不可避免的系統(tǒng)現(xiàn)象如下所述：

（1）系統(tǒng)中的主備機次序確定，9號機到1號機的次序為主機到備機的次序。系統(tǒng)運行時，1至9號空壓機依次加載，并依次卸載，控制邏輯為9號空壓機總是最后一個卸載同時第一個加載，同理1號空壓機為最后一個加載第一個卸載。該主備機次序只能通過現(xiàn)場改變各臺空壓機的壓力帶設定來實現(xiàn)。

（2）當系統(tǒng)的用氣量波動時，系統(tǒng)母管的壓力會隨著氣量的縮小而逐步的升高，波動區(qū)間在0.54～0.76 MPa之間變化。例如系統(tǒng)在單臺爐運行時，如果系統(tǒng)氣量僅為3～4臺螺桿式空壓機的需求，那么母管壓力會在0.62～0.7 MPa之間波動且無法準確控制，該壓力比系統(tǒng)的實際需要平均高了0.1 MPa。

（3）系統(tǒng)永遠存在0.08 MPa的壓力波動是無法通過現(xiàn)有邏輯控制的。

以上3點系統(tǒng)現(xiàn)象無法通過現(xiàn)有的控制設定方式來避免，必須通過大量的現(xiàn)場手工調整來實現(xiàn)，而人工調整設定帶來了響應不及時的弊端以及潛在錯誤率的提高。如果不能頻繁調整，則現(xiàn)有系統(tǒng)壓力帶設定的運行現(xiàn)象將導致如下不利的控制后果：

（1）無法實現(xiàn)機組的輪換，機組的壽命差異擴大，導致維修保養(yǎng)的困難。

（2）系統(tǒng)氣量需求變動為50%的時候（電廠換季和大修時的常見現(xiàn)象），壓縮空氣整體管網壓力上升0.1 MPa導致能耗增高。

（3）系統(tǒng)即使?jié)M載，用氣量僅10%左右的需求變化就會導致0.08 MPa左右的壓力區(qū)間波動，且無法通過現(xiàn)有控制邏輯控制，導致系統(tǒng)能耗進一步增高。

2 分析與討論

2.1 系統(tǒng)母管壓力上升和波動影響分析

空氣壓力無意義的提升需要額外消耗能源，由此得出無意義能耗浪費的比率。對于電廠主要的壓縮空氣需求端——輸灰用氣和儀表用氣，0.58 MPa的母管壓力均能滿足正常生產需求，同時更高的壓縮空氣壓力不能額外帶來生產效率的提升。在上一節(jié)的壓力帶設定的情況下，全年空壓站的空壓機設定參數(shù)沒有改變，而該電廠2017年全年有冬季6個月開2臺發(fā)電機組，夏季6個月開單臺發(fā)電機組運行，則全年一半時間系統(tǒng)壓力維持在不必要的0.62 MPa，另外一半時間系統(tǒng)壓力維持在不必要的0.72 MPa，我們通過理論進行分析該情況會帶來多少額外的能源消耗。

由于該項目螺桿式壓縮機為單級壓縮，可以理解為絕熱壓縮，根據(jù)絕熱功計算公式可以計算不同出口壓力下的功耗對比：

經計算可知，在取夏季絕對溫度303 K，冬季絕對溫度273 K時，夏季0.72 MPa的管路壓力運行對比正常僅需0.58 MPa的管路壓力運行額外耗功24.2%，冬季0.62 MPa的管路壓力運行對比正常僅需0.58 MPa的管路壓力運行額外耗功6.9%。

2.2 系統(tǒng)設備能耗提升潛力分析

本文所述螺桿式空壓機系統(tǒng)涉及兩類主要的影響系統(tǒng)單位氣體比功率的單體設備：單級壓縮螺桿式空壓機以及無熱再生吸附式干燥機。

單級壓縮螺桿式空壓機的壓縮過程是在主機頭內陰陽轉子共同作用下完成的，該過程僅有機頭本體的環(huán)境散熱中并無中間冷卻，可以看作絕熱壓縮過程。而多級壓縮機，由于壓縮過程中有中間冷卻的環(huán)節(jié)，則更接近等溫壓縮過程。在熱力學規(guī)律下，等溫壓縮是最節(jié)能的壓縮過程，而相對而言最容易實現(xiàn)的壓縮過程——絕熱壓縮是能耗效率最差的。圖3示出了等溫壓縮與絕熱壓縮能耗曲線，比較可以得出斜率越大壓縮能耗效率越低。

圖3 等溫壓縮與絕熱壓縮能耗曲線對比

現(xiàn)有系統(tǒng)中采用無熱再生吸附式干燥機，由于其在再生過程中使用未經加熱的壓縮空氣進行吸附劑再生，消耗的已壓縮空氣的量通常占產氣量的14%～15%?？紤]到在0.6 MPa壓力下110 ℃飽和濕空氣的含水量達到40 ℃的飽和濕空氣的6倍以上，通過利用三級壓縮的離心機末級排氣溫度100～120 ℃的余熱資源，對吸附式干燥機的再生空氣進行加熱，則可有效將干燥機再生吸附劑工作流程中所消耗的壓縮空氣量由14%～15%降至2%～3%。圖4示出了余熱再生干燥機的流程。

圖4 余熱再生干燥機流程

2.3 多臺螺桿式空壓機并聯(lián)系統(tǒng)改進方案及驗證

綜上所述，對于本文所討論的多臺螺桿式空壓機配置無熱再生干燥機的系統(tǒng)，系統(tǒng)節(jié)能改造的方案措施分析歸納如下：

（1）提高主設備能耗效率，采用三級壓縮的離心式空壓機來代替單級壓縮的螺桿式空壓機。

（2）提高后處理設備能耗效率，采用耗氣量更低的余熱再生式干燥機替代組合無熱再生式干燥機。

（3）提升系統(tǒng)控制水平，降低不必要的母管壓力水平和壓力波動，通過監(jiān)測母管壓力進行多臺空壓機聯(lián)鎖控制的方式替代本機壓力帶錯開設定的方式進行系統(tǒng)控制。

系統(tǒng)經過改造后系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 改造后系統(tǒng)

2016至2019年改造前后的用電對比見表1，從表中可以發(fā)現(xiàn)，2016年至2019年4月改造前空壓站用電占電廠產電比率為0.321 1%，改造后2019年5～10月空壓站用電占電廠產電比率為0.145 4%，平均耗電率值可降低0.175 7%廠用電率。空壓站節(jié)能升級改造后到2019年10月底實現(xiàn)節(jié)約廠用電408.751萬千瓦，按每千瓦0.332元算，可節(jié)約135.705萬元，平均每月可節(jié)約68萬度電，每月節(jié)約22.5萬元，年效益達到270萬元，項目投資回報周期低于2年，效果十分顯著。

表1 電廠空壓展節(jié)能升級改造用電情況對比

3 結語

本文通過對電廠多臺螺桿式空壓機系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析，從系統(tǒng)壓力帶階梯控制和配套吸附式干燥機的余熱利用2個方面進行了理論計算和現(xiàn)狀分析，提出了壓力帶階梯控制的兩大弊端：（1）控制壓力帶過寬；（2）季節(jié)變工況下的不具備自調節(jié)能力。這兩點都會導致壓縮空氣系統(tǒng)母管壓力的高出設定值和能耗提高。吸附式干燥機利用壓縮空氣系統(tǒng)余熱可有效地將再生壓縮空氣消耗量從14%～15%的水平降低到2%～3%的較低水平，具備大量的節(jié)能空間。通過對系統(tǒng)增加一臺三級壓縮離心式空壓機和配套壓縮熱再生干燥機，并將整個系統(tǒng)控制系統(tǒng)進行聯(lián)鎖控制后，成功驗證并解決上述弊端并實現(xiàn)了整個空壓站超過40%的節(jié)能效果。