在廣汽本田增城工廠，空壓機(jī)房24小時(shí)安全穩(wěn)定供應(yīng)壓縮空氣，2020年空壓總電耗接近2400萬kWh，因此對(duì)空壓系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，節(jié)能潛力大，如能降低能耗比重1%~2%，節(jié)能效益亦十分可觀。
1 高效空壓機(jī)房的概念
高效空壓機(jī)房關(guān)注的是整個(gè)空壓機(jī)系統(tǒng)(供氣側(cè)、輸送管路系統(tǒng)和用氣側(cè)組成的系統(tǒng))的運(yùn)行能效，而不只是單臺(tái)設(shè)備的能效。根據(jù)《CGMA033001-2018壓縮空氣站能效分級(jí)指南》并結(jié)合我工廠壓縮空氣實(shí)際使用情況，高效空壓機(jī)房的目標(biāo)氣電比定為小于0.090kwh/m3(供氣壓力露點(diǎn)≥3℃，供氣平均流量≥300m3/min，有油，供氣壓力0.7MPa)。
通過提高目前以及未來幾年的空壓站房能效可以降低運(yùn)行成本，達(dá)到高效機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)后每年可節(jié)省電費(fèi)近六百萬元，而且能夠?qū)崿F(xiàn)的任何壓縮空氣節(jié)能都將對(duì)工廠的總能耗和二氧化碳排放產(chǎn)生重大影響。近幾年來，為了實(shí)現(xiàn)高效空壓機(jī)房建設(shè)，我工廠在運(yùn)行管理及技術(shù)改造上不斷摸索，積累了一些經(jīng)驗(yàn)，希望通過本文能為提高壓縮空氣系統(tǒng)效率者提供參考性的思路。
2 空壓機(jī)余熱回收再利用
螺桿空壓機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，為保護(hù)設(shè)備需利用冷卻油進(jìn)行降溫，而機(jī)組運(yùn)行時(shí)油溫可高達(dá)105℃，這部分能量是由電能轉(zhuǎn)化而來，除了機(jī)械摩擦導(dǎo)致的熱能損失外，大部分熱量通過各種途徑排放到空氣中造成浪費(fèi)。因此，如何有效利用空壓機(jī)的余熱是節(jié)能減排的重點(diǎn)。
螺桿壓縮機(jī)的輸入功率大約有98%(大部分軸功率)是作為熱量通過冷卻器帶走，散耗在環(huán)境中的，其冷卻器又分后冷卻器和油冷卻器。根據(jù)相關(guān)的技術(shù)資料，油冷卻器帶走大約總散熱量中72%的熱量。如果以71%計(jì)算，那么通過的油冷卻器的散熱量大約占空壓機(jī)輸入功率的70%。
工廠中空壓站緊鄰制冷站，制冷站中的冷凍機(jī)為生產(chǎn)工藝以及環(huán)境提供冷凍水。制冷系統(tǒng)用量最高時(shí)每天需要為工廠提供冷量約1000GJ。經(jīng)過長期來對(duì)水冷式空壓機(jī)觀察并與空壓機(jī)廠家溝通，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有螺桿空壓機(jī)有進(jìn)行熱回收的潛力，并可產(chǎn)出溫度超過70℃的熱水。于是團(tuán)隊(duì)利用余熱回收機(jī)組和溴化鋰制冷機(jī)將壓縮空氣系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)聯(lián)合起來，在余熱回收機(jī)組和管道順利安裝和調(diào)試后，進(jìn)行了數(shù)據(jù)觀測(cè)，一周的時(shí)間內(nèi)，溴化鋰制冷機(jī)供冷量超過200GJ，節(jié)約制冷機(jī)電能近1.4萬kWh。
通過對(duì)噴油螺桿空壓機(jī)進(jìn)行余熱回收制冷，每天可產(chǎn)出熱水約1200噸，出水溫度可達(dá)75℃，2020年全年溴化鋰機(jī)組制得近8500GJ冷量，全年節(jié)省電力超過80萬kWh。減少了現(xiàn)有制冷系統(tǒng)設(shè)備的耗電量，同時(shí)冷卻了高溫的空壓機(jī)油，提高空壓機(jī)產(chǎn)氣效率，實(shí)現(xiàn)能源的再利用，節(jié)能減排，降低系統(tǒng)的用電單耗。參考《壓縮空氣站能效分級(jí)指南》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行余熱回收改造后，綜合輸功效率提升了4%，能效等級(jí)由5級(jí)提升到4級(jí)。可見空壓機(jī)余熱回收對(duì)于建設(shè)高效空壓站房具有重大意義。
同樣，離心空壓機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生大量的熱。這些熱量蘊(yùn)含在壓縮空氣中，主要通過壓縮空氣與冷卻水的熱交換，由冷卻水將熱量散發(fā)到大氣中，以及通過其它途徑排放到空氣中。如不將熱量回收，這些熱能就不能得到很好的利用。對(duì)一級(jí)、二級(jí)壓縮機(jī)出口壓縮空氣的熱能進(jìn)行回收，熱水溫度只有35～50℃，并不能滿足需求，對(duì)三級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)行能量回收，可獲得65～75℃的熱水，可滿足熱水型溴化鋰機(jī)組的需求。離心機(jī)的熱量回收率大約為20%，實(shí)施余熱回收改造后預(yù)計(jì)可提升綜合輸功效率1～2%，系統(tǒng)用電單耗可下降到0.115 kWh/m3。
3 壓縮空氣系統(tǒng)分壓供氣
我廠壓縮空氣用氣工藝各車間各不相同，各使用點(diǎn)壓力范圍在0.5MPa～0.7MPa，車間個(gè)別設(shè)備壓縮空氣壓力要求在0.7MPa以上，甚至在0.8MPa以上。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，空壓機(jī)壓力每下降0.1MPa，能耗會(huì)下降約7%，所以應(yīng)盡可能調(diào)低空壓機(jī)出口壓力，同時(shí)也要確保每個(gè)車間的壓縮空氣能按需供應(yīng)。目前我廠空壓機(jī)的額定排氣壓力均為0.8MPa或以上(含螺桿機(jī)、離心機(jī))，空壓機(jī)的加卸載壓力可調(diào)?？諌簷C(jī)的出口壓力設(shè)定是0.74～0.78MPa，在車間末端壓縮空氣的壓力能夠可達(dá)到0.65～0.75MPa，能滿足全廠大多數(shù)車間設(shè)備對(duì)壓縮空氣的使用需求。對(duì)于車間個(gè)別設(shè)備壓縮空氣要求在0.75MPa或以上的，車間相應(yīng)地配備了增壓泵，以此對(duì)個(gè)別使用點(diǎn)進(jìn)行局部增壓，可避免因個(gè)別點(diǎn)的高壓力需求而提高整個(gè)管網(wǎng)壓力。
在實(shí)際使用中，車間入口壓力存在大于車間大部分設(shè)備的需求壓力且波動(dòng)較大(波動(dòng)范圍大于0.07MPa)的現(xiàn)象。為了解決以上問題，從2020年開始，我廠在對(duì)主要用氣車間進(jìn)行詳細(xì)與系統(tǒng)的調(diào)查與分析后，逐步安裝智能流量控制裝置對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)實(shí)施分壓供應(yīng)改造，目前工廠已在沖壓車間及涂裝車間的壓縮空氣入口處安裝智能控制裝置來嘗試分壓穩(wěn)壓節(jié)能。該設(shè)備安裝于后處理之后、用氣車間之前的壓縮空氣總管上，可根據(jù)用氣端的壓力變化，靈敏地控制輸出壓力，保證供應(yīng)流量?，F(xiàn)時(shí)沖壓車間入口壓力穩(wěn)定在98±1psi，觀察一周，相比調(diào)壓前節(jié)省約5%的氣量。
在所有車間實(shí)施后可實(shí)現(xiàn)消除壓力浪費(fèi)來減少流量消耗，減少空壓機(jī)產(chǎn)氣做功實(shí)現(xiàn)節(jié)能，預(yù)計(jì)整體節(jié)氣率可達(dá)10%。同時(shí)，分壓供應(yīng)管理也避免了不同用氣車間的互相影響，減少了系統(tǒng)的壓力波動(dòng)(車間入口壓力波動(dòng)范圍小于0.007MPa)，優(yōu)化了生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)質(zhì)量。在國內(nèi)外許多知名企業(yè)如海爾、中鋁、浦項(xiàng)中等均通過使用末端智能流量控制設(shè)備進(jìn)行節(jié)能，節(jié)能率一般可達(dá)15%。
4 壓縮空氣系統(tǒng)分質(zhì)供氣
根據(jù)GB/T13277-91《一般用壓縮空氣質(zhì)量等級(jí)》的規(guī)定 ，壓縮空氣的品質(zhì)根據(jù)固體顆粒物、壓力露點(diǎn)、含油量不同，分為6個(gè)等級(jí)?？諌赫镜膲嚎s空氣從空壓機(jī)輸出后經(jīng)過冷干機(jī)和過濾器的處理，輸送管道采用普通無縫鋼管。處理后的壓縮空氣按照國家標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量等級(jí)屬于4～5級(jí)。而在使用過程在存在最大的問題是隨著壓縮空氣溫度降低不斷析出的冷凝水。為解決這個(gè)問題，我廠在空壓站的壓縮空氣主管道、冷干機(jī)、過濾器、儲(chǔ)氣罐等下方安裝了排水器(零耗式)，可以及時(shí)將系統(tǒng)內(nèi)的冷凝水進(jìn)行排放，也避免了排污過量導(dǎo)致的壓縮空氣浪費(fèi)。對(duì)于壓縮空氣品質(zhì)要求不高的車間使用點(diǎn)來說，已經(jīng)能滿足大部分需求。
對(duì)于用氣要求高的車間采用分散就地處理的方式，提高使用點(diǎn)壓縮空氣的品質(zhì)。如涂裝車間，在車間壓縮空氣入口單獨(dú)增加安裝了精密過濾器，以及部分用氣區(qū)域入口安裝了吸附式干燥機(jī)，經(jīng)過過濾和吸干機(jī)處理后的壓縮空氣品質(zhì)可達(dá)到：含塵量0.01μm，壓力露點(diǎn)-40℃，含油量0.01mg/m3，可以滿足車間個(gè)別使用點(diǎn)的需求。
在車間對(duì)壓縮空氣使用品質(zhì)要求差異較大的情況下，首先要保證滿足大部分使用點(diǎn)的需求，這樣可以減少前端的后處理設(shè)備，減小壓降。對(duì)于個(gè)別用氣要求較高的使用區(qū)域，應(yīng)因地制宜，采取分品質(zhì)供應(yīng)，利用精密過濾器和吸干機(jī)等后處理設(shè)備再處理。利用在后處理設(shè)備的使用過程中，尤其需要注意各級(jí)過濾器的前后壓差，當(dāng)壓差過大時(shí)(>0.035MPa)，需要及時(shí)更換，否則在站房?jī)?nèi)部會(huì)導(dǎo)致0.1～0.15MPa的壓降，不但造成很大的能源浪費(fèi)，而且壓縮空氣得不到理想的品質(zhì)。通過分質(zhì)供氣可節(jié)能約7%。
5 空壓站房云智控系統(tǒng)
顯然，目前的人工調(diào)度是一種比較落后的控制方式，用氣波動(dòng)時(shí)，由值班人員到現(xiàn)場(chǎng)人工啟停設(shè)備，響應(yīng)不及時(shí)。不能時(shí)刻保持運(yùn)行設(shè)備組合為最優(yōu)，易使設(shè)備頻繁加卸載或放空，導(dǎo)致運(yùn)行效率低下、能源浪費(fèi)。設(shè)備供氣方案無法與用氣情況時(shí)刻匹配，各設(shè)備孤軍作戰(zhàn)，產(chǎn)氣端壓力與用氣端壓力不匹配，或者在特定情況下，不能開啟最優(yōu)的設(shè)備組合，就會(huì)導(dǎo)致氣體放空，壓力波動(dòng)，加劇能耗損失。
目前，包括汽車工廠在內(nèi)的許多工廠通過采用智能空壓站房系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能，有效降低了運(yùn)行成本及管理成本，整站節(jié)能率一般超過10%。我廠計(jì)劃導(dǎo)入云智控節(jié)能管理系統(tǒng)，利用這套系統(tǒng)建成數(shù)字化空壓站房，實(shí)現(xiàn)智能化控制和整站節(jié)能的目標(biāo)。這需在設(shè)備上非侵入式安裝相關(guān)硬件產(chǎn)品，安裝完善的計(jì)量器具，對(duì)站房?jī)?nèi)的所有設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集——分析——決策，實(shí)現(xiàn)“云、邊、端”實(shí)時(shí)協(xié)同，數(shù)據(jù)閉環(huán)。
云智控通過系統(tǒng)對(duì)空壓站房的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，利用邊緣計(jì)算和云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的智能優(yōu)化控制，根據(jù)用氣需求自主調(diào)節(jié)機(jī)運(yùn)組行數(shù)量和運(yùn)行參數(shù)，優(yōu)化設(shè)備組啟停順序等方式使系統(tǒng)運(yùn)行在最窄的壓力帶范圍，提高各臺(tái)機(jī)組的效率。通過使用智控系統(tǒng)，將壓縮空氣網(wǎng)設(shè)置為在狹窄的壓力帶內(nèi)運(yùn)行，以確保其滿足精確需求。通過該控制還可以設(shè)定不同的壓力帶，以優(yōu)化不同時(shí)段的能源使用情況，從而大幅降低低頻使用時(shí)的能源成本。此外，降低系統(tǒng)壓力可以減少泄漏造成的影響。每降低0.1MPa壓力，即可減少13%的漏氣影響。
同時(shí)，站房智控后，還可實(shí)現(xiàn)站房的全面監(jiān)測(cè)，設(shè)備(包括空壓機(jī)、儀器儀表等)的數(shù)據(jù)和溫濕度、排氣壓力、流量、壓降、泄漏、耗電量等數(shù)據(jù)均可在線查看;通過2D、3D的站房組態(tài)圖，將數(shù)據(jù)直接呈現(xiàn)在邊緣端、電腦或手機(jī)小程序上，無需人工現(xiàn)場(chǎng)抄表，隨時(shí)隨地掌握站房?jī)?nèi)各設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù);還有設(shè)備故障預(yù)警、保養(yǎng)到期提醒，并有多種通知方式：現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警、PC彈窗、語音播報(bào)、手機(jī)電話等;增加數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析供能效評(píng)估參考，能效分析、用氣分析、浪費(fèi)分析、故障統(tǒng)計(jì)分析等分析統(tǒng)計(jì)與自主查詢，支持查看設(shè)備歷史數(shù)據(jù)，幫助實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常情況的快速預(yù)判;自動(dòng)生成專家級(jí)診斷月報(bào)，展示并分析整站能效等級(jí)、能源收益、單位能耗、累計(jì)用氣、用氣波動(dòng)、設(shè)備稼動(dòng)率、加載率、故障報(bào)警、管道壓降、泄漏等情況。大大減少線下點(diǎn)檢難度，預(yù)計(jì)節(jié)省80%的人工點(diǎn)檢時(shí)間，節(jié)約管理工時(shí)75%。