工业企业压缩空气系统电力需求侧管理的分析与应用

郭 涛

(天津一汽丰田汽车有限公司 天津300457)

0 引 言

党中央、国务院高度重视电力需求侧管理工作，把电力需求侧管理作为深入推进供给侧结构性改革、推动能源生产和消费革命、生态文明建设，促进电力经济绿色发展的重要举措。推进工业领域电力需求侧管理，有助于优化工业用电结构，调整用电方式，提高工业电能利用效率和效益，促进工业、电力和环境的平衡协调发展。通过建立健全工业领域电力需求侧管理工作规范，指导用能单位开展电力需求侧管理工作，加强电能管理，调整用能结构，提高终端用电效率，优化资源配置，持续提高单位工业增加值能效，实现节约、环保、绿色、智能、有序用电。

压缩空气具有安全、无公害、调节性能好、输送方便等优点，已成为工业领域中特别是汽车企业应用最广泛的动力源之一。在一汽丰田泰达工厂，压缩空气系统设备消耗的电能占工厂全部电能消耗的 15%左右，全年耗电量接近30000MWh，电费约2800万元，已成为工厂耗电量最多的设备之一。随着国家不断倡导电力需求侧管理，设备课作为能源的供给及管理部门，响应国家政策要求，大力投入到压缩空气系统设备的节电管理工作中。

本文介绍了一汽丰田泰达工厂为了进一步降低企业用能成本，通过电力需求侧管理工作方法，组织专业技术团队从管理、工艺、设备 3个维度实施全方位的能效提升措施及有效管理，打造设备在全生命周期费用的最低化。

1 工业领域电力需求侧管理工作内容介绍

1.1 电力需求侧管理

指加强全社会用电管理，综合采取合理、可行的技术和管理措施，优化配置电力资源，在用电环节制止浪费、降低电耗、移峰填谷，促进可再生能源电力消费，减少污染物和温室气体排放，实现节约用电、环保用电、绿色用电、智能用电、有序用电，进一步优化电力资源配置，提升工业能源消费效率。

1.2 电力需求侧管理工作开展模式

基于策划—实施—检查—改进的(PDCA)持续改进模式，使电力需求侧管理工作融入工业领域用能单位和电能服务机构的日常活动。

策划：实施全面诊断，明确信息化和制度化要求，制定电能管理目标、指标和实施方案，确保相关工作有序开展并达到相应绩效。

实施：执行工业领域电力需求侧实施方案，开展全面治理，保障用电可靠性，实施节约用电、需求响应、绿色用电、环保用电、智能用电等措施。

检查：采用自评价、第三方评价等方式，评价工业领域电力需求侧管理工作开展情况，对配用电系统的关键特性和过程进行监测，对照目标指标评价确定实施绩效，并报告结果。

改进：采取措施持续改进工业领域电力需求侧管理体系。

1.3 工作流程

用能单位开展工业领域电力需求侧管理工作流程主要包括全面诊断、综合治理和效果评估3个阶段。

1.3.1 全面诊断

用能单位自主或委托电能服务机构开展用电情况全面诊断，依据电力需求侧管理相关标准和规范要求形成诊断报告。

1.3.2 综合治理

用能单位组织完善信息化和制度化等工业领域电力需求侧管理基础工作，根据实际需求确定工业领域电力需求侧管理综合方案并有效实施，对配用电系统、设备设施、采集和计量器具及相关制度进行综合改进和优化治理。

1.3.3 效果评估

用能单位可采用自评价和/或第三方评价等方式，综合评价电力需求侧管理开展情况，核算阶段性实施效果，明确待改善建议项和持续改进目标，评估报告等评价结果可作为项目阶段性成效证明。

1.4 节约用电

1.4.1 节电途径

用能单位宜遵循“先管理、优工艺、再改造”的顺序开展节约用电。首先强化配用电制度与现场管理，减少浪费损失、控制波动与不稳定，再寻求工艺优化、消除工序或系统间不协同等影响因素，在系统诊断的基础上，采取技术合理、经济可行的路线，实施技术改造。

1.4.2 管理节电

用能单位宜建立制度措施对配用电设备和相关人员进行科学管理，以实现电力、电量及成本节约。用能单位宜设置能源管理岗位，聘任专业电能管理人员，建立完善电力需求侧管理体系，并与相关管理系统(ERP/MES/APS/SCM 等)有机融合，从能源管理转向能源价值管理，实现能源流—业务流—价值流的高效转化。以系统化管理思维，树立从单点转向全面、从部门转向全员的全面节能意识，持续改进电能绩效。

管理节电措施可包括落实责任制度、建立电能标准体系，开展电能数据库建设、强化数据分析、实施电耗目标管理，优化电力计费缴费方式、采用移峰填谷、容量改需量、电平衡测试、能源审计、参与电力直接交易等。

管理节电措施宜与技术节电相配合，以实现系统化改善并巩固所取得成果。节能措施实施后宜由具有相应资质的第三方机构评估效果，出具评估报告。

1.4.3 技术节电

用能单位宜根据自身特点、配用电设备容量和工艺运行要求等，采取技术措施、通过技术进步来实现电能节约。

技术节电措施主要指通过提高电能利用效率节约用电量和电力负荷的产品(技术)，包括无功补偿、谐波治理、高效装置、能效管理、余热余压利用、可再生能源分布式发电、热泵空调等。

2 压缩空气系统电力需求侧管理措施及节能效果分析

2.1 管理面

2.1.1 建立健全工厂用气管理体制机制

管理体制明确，从产气、输气、用气3个阶段，明确职责分工及管理体制。产气端，设备课负责；输气端，设备课负责；用气端，使用部署负责(设备课技术支持)。

奖惩机制明确，结合能源责任制考核制度，对各部署负责人实施压缩空气用能指标考核管理。

2.1.2 明确供给基准

定期召开各部门能源担当联络会，实施对使用设备的压力变化排查，了解使用端压力的变化，从而及时调整产气端的供气压力，修订原动力供气压力基准。

实施生产日及休日压力区别化，休日降压运行(保障冲压车间生产补给件用气，未来有导入休日专用空压机的计划)，从而降低空压机能耗(表1)。

表1 休日压缩空气压力设定变更表Tab.1 Table for changing compressed air pressure on holidays

2.1.3 规范用气时间

制定休日压缩空气申请制度，执行电子申报流程审批用气，减少不必要的用气使用时间(图1)。

图1 休日各车间压缩空气使用需求申请电子表Fig.1 Application form for compressed air use demand in various workshops on holidays

2.1.4 规范用气使用

避免非正规用气，如禁止使用压缩空气进行降温；避免漏气浪费，及时对使用端进行漏气点排查、修复；定期开展漏气点大排查，对各课漏气情况进行监管；对 24h特殊用气点，就地设置专用小型空压机，从而减少大型空压机的运行时间。

2.2 工艺面

通过优化空压站布局，缓解输气端压降过大问题。泰达工厂2条生产线有2个不同地点的空压站，导致系统整体性布局不佳，加之空压机形式单一，系统压降过大且负荷调整能力弱，用气量波动大时，系统稳定性不足，导致能耗偏高；另外，随着工厂车型更新、产能提升，末端用气量与最初空压机的设计量已不匹配，导致机组运行台数被动增加，但负荷率偏低，能耗偏高。

针对这一问题，技术人员对工厂用气现状进行数据分析，在学习行业论文及空压机专业文献基础上，周密论证方案，实施以下对策：改变固有的工厂空压站配置模式，在整个系统的压力薄弱区域导入负荷调整能力更优的变频螺杆空压机，将全工厂空压机组合模式变更为离心+变频螺杆形式。同时在充分调研基础上，导入最适合于工厂现状的节能产品，即永磁电机变频螺杆空压机+压缩热再生吸干机的组合。改善后空压机总运行台数减少 1台，总能耗降低705kWh，各空压机负荷率提高到90%以上。

改善前：泰达工厂2个空压站合计要运行6台空压机，总计运行功率达到5060kW，且2个空压站里都有1台空压机负荷率偏低，不足50%(图2)。

改善后：泰达工厂变为 3个空压站，合计运行空压机减为5台，总计运行功率降为4355kW，每台机组的负荷率均在85%以上(图3)。

通过近2个月的运行测试，空压机能耗费用每个月递减 18.25万元，全年可为工场减少电费成本219万元(图 4)。

图2 泰达工场压缩空气系统管网布局图(改善前)Fig.2 Compressed air pipe network layout in TEDA factory(before improvement)

图3 泰达工场压缩空气系统管网布局图(改善后)Fig.3 Compressed air pipe network layout in TEDA factory(after improvement)

图4 泰达工场空压机使用情况对比图Fig.4 Comparison of use of air compressors in TEDA factory

对各用气车间压缩空气控制压力方式实施优化，由入口压力控制改善为末端压力控制，从而使供气压力更接近用气压力，降低了空压机吐气压力的设定(图 5)。

图5 压缩空气减压阀末端压力控制示意图Fig.5 Schematic diagram of pressure control at end of compressed air pressure reducing valve

2.3 设备面

以空压站整体为考虑单元，通过各项节能技术举措对空压机、干燥机、冷却水泵、冷却塔实施全方位能效管理。

通过降低吸气温度、稳定吸气压力、维持稳定冷却器效率、保持空压机机械性能、降低吐气等多项措施，确保空压机本体的比动力接近设计值。通过能源管理系统，对每台空压机的比动力进行自动监管，设置上下限报警，及时提醒运行人员空压机运行效率的变化情况。设备管理人员根据每台空压机的效率数据，作为机组维护、大修、改造计划的制定依据。

离心式空压机的电耗 W(kWh/h)与排气量、环境温度、压力比及效率等因素有关，计算公式：

式中：ρ为标准状态下空气密度，ρ＝1.293kg/m3；VK为空压机的排气量，m3/h；R'为气体常数，R'＝0.278kJ/(kg·K)；T为环境温度，K；P2为排气压力，MPa；P1为进气压力，MPa；ηT为空压机的等温效率；ηM为空压机的机械效率。

3 结 语

本次对压缩空气系统电力需求侧管理进行节能分析和应用，从管理、工艺、设备 3个层面对整个系统的运行情况综合考虑，制定了较有针对性的对策，对策实施后改善效果相当明显，达到了预期的目的和效果。