多台螺杆式空压机并联系统的能耗改善分析

李学波，庞粟元

（1.中电神头发电有限责任公司，山西朔州 036899；2.上海博御节能环保科技有限公司，上海 200233）

0 引言

空压机在汽车、化工、能源利用等各种行业广泛使用，也是这些行业中的耗能大户。有资料统计显示，一般空压机系统所消耗的电能占企业电力消耗的20%～30%，因此降低空压机能耗是压缩空气系统节能降耗的关键［1-4］。在学术和工程实际应用中，对其节能改造研究较多。邵慧等［5］通过对压气机系统中安装余热回收装置，实现了整机系统的能耗降低和低成本运行。杨兆泉［6］则分析了造纸行业中空压机系统联网改造与节能措施，通过恒压控制等手段实现了系统节能。焦义等［7］则从分子热力学和流体力学的角度探究了吸气参数和管道粗糙度对螺杆式空气压缩机能耗的影响规律并根据分析结果提出在工业应用中应适当降级压气机吸气温度、湿度和排气压力，采用表面光滑管道的节能方案。肖汉敏等［8］通过实例分析说明对空压机实施联控系统改造和进行余热回收后，能够很好地为企业降低空压机运行成本，更充分地利用能源。顾天林［9］则通过对上海电机厂的第三空压站多台螺杆式空压机运行情况进行分析后提出对压缩机联动控制系统进行改造并取得了实际节能效果。目前多台螺杆式空压机系统在电力行业十分常见，是一种典型的压缩空气生产系统［10-11］。对于该类系统，作者团队立足应用现实情况，在长期分析其控制策略及能耗效率后，经过理论评估和计算验证，确定该类系统存在2个弊端：能耗效率低和目标压力控制稳定性不高。

针对该类系统存在的弊端问题，本文作者及团队将结合更加先进的空压机及配套设施的技术，尝试通过对系统的升级达到以上2个问题的解决。本文基于对真实的多台螺杆式压缩机系统的数据分析和理论计算，旨在讨论在这种典型系统中通过改进系统控制方式以提升各种设备本机效率所带来的节能潜力。

1 典型多台螺杆式空压机并联系统分析

图1示出了本文所研究的空压机系统。系统具体特点为采用并联方式给厂用仪表及吹灰用气联合供气，通过对单台螺杆式空压机采用加卸载压力控制方式，并对多台机组采用错开的压力带设定的方法来实现多机组的并联和自动启停。系统中9台螺杆式空压机均为加卸载控制，并通过压力带阶梯性设定的方法进行系统控制。现场实际运行的螺杆式空压机台在电厂主发电机2台全开的情况下，常规开机7～8台，母管压力控制点为0.56 MPa。系统中对多台螺杆机的压力带设定需同时考虑保护机组和兼顾系统需求，故遵循以下几点原则：

（1）加载和卸载压力设定通常保持0.06 MPa的压力差，以兼顾压力传感器精度，同时保护空压机免于频繁加卸载。

（2）多台空压机的加卸载压力带设定阶梯型错开，以避免加载或者卸载动作时，多台空压机同时动作的情况，该类同时动作会带来系统压力的剧烈波动和多台空压机的频繁加卸载，无论对下游设备还是空气压缩机本体都有较大损害。

（3）多台空压机的压力设定值阶梯宽度为0.02 MPa，压差过小产生的问题如（2）所述，压差过大则系统响应缓慢且母管压力不稳定。

图1 某厂空压站系统

整个系统的控制策略为：保证8台空压机在母管网压力高于0.6 MPa时不卸载，在低于0.56 MPa时主动加载，多台空压机的压力带设定如图2所示。

图2 多台空压机的压力带

该系统设定方法虽最大限度的利用本机的加卸载压力带控制功能达到了系统压力控制的要求，但仍存在不可避免的系统现象如下所述：

（1）系统中的主备机次序确定，9号机到1号机的次序为主机到备机的次序。系统运行时，1至9号空压机依次加载，并依次卸载，控制逻辑为9号空压机总是最后一个卸载同时第一个加载，同理1号空压机为最后一个加载第一个卸载。该主备机次序只能通过现场改变各台空压机的压力带设定来实现。

（2）当系统的用气量波动时，系统母管的压力会随着气量的缩小而逐步的升高，波动区间在0.54～0.76 MPa之间变化。例如系统在单台炉运行时，如果系统气量仅为3～4台螺杆式空压机的需求，那么母管压力会在0.62～0.7 MPa之间波动且无法准确控制，该压力比系统的实际需要平均高了0.1 MPa。

（3）系统永远存在0.08 MPa的压力波动是无法通过现有逻辑控制的。

以上3点系统现象无法通过现有的控制设定方式来避免，必须通过大量的现场手工调整来实现，而人工调整设定带来了响应不及时的弊端以及潜在错误率的提高。如果不能频繁调整，则现有系统压力带设定的运行现象将导致如下不利的控制后果：

（1）无法实现机组的轮换，机组的寿命差异扩大，导致维修保养的困难。

（2）系统气量需求变动为50%的时候（电厂换季和大修时的常见现象），压缩空气整体管网压力上升0.1 MPa导致能耗增高。

（3）系统即使满载，用气量仅10%左右的需求变化就会导致0.08 MPa左右的压力区间波动，且无法通过现有控制逻辑控制，导致系统能耗进一步增高。

2 分析与讨论

2.1 系统母管压力上升和波动影响分析

空气压力无意义的提升需要额外消耗能源，由此得出无意义能耗浪费的比率。对于电厂主要的压缩空气需求端——输灰用气和仪表用气，0.58 MPa的母管压力均能满足正常生产需求，同时更高的压缩空气压力不能额外带来生产效率的提升。在上一节的压力带设定的情况下，全年空压站的空压机设定参数没有改变，而该电厂2017年全年有冬季6个月开2台发电机组，夏季6个月开单台发电机组运行，则全年一半时间系统压力维持在不必要的0.62 MPa，另外一半时间系统压力维持在不必要的0.72 MPa，我们通过理论进行分析该情况会带来多少额外的能源消耗。

由于该项目螺杆式压缩机为单级压缩，可以理解为绝热压缩，根据绝热功计算公式可以计算不同出口压力下的功耗对比：

经计算可知，在取夏季绝对温度303 K，冬季绝对温度273 K时，夏季0.72 MPa的管路压力运行对比正常仅需0.58 MPa的管路压力运行额外耗功24.2%，冬季0.62 MPa的管路压力运行对比正常仅需0.58 MPa的管路压力运行额外耗功6.9%。

2.2 系统设备能耗提升潜力分析

本文所述螺杆式空压机系统涉及两类主要的影响系统单位气体比功率的单体设备：单级压缩螺杆式空压机以及无热再生吸附式干燥机。

单级压缩螺杆式空压机的压缩过程是在主机头内阴阳转子共同作用下完成的，该过程仅有机头本体的环境散热中并无中间冷却，可以看作绝热压缩过程。而多级压缩机，由于压缩过程中有中间冷却的环节，则更接近等温压缩过程。在热力学规律下，等温压缩是最节能的压缩过程，而相对而言最容易实现的压缩过程——绝热压缩是能耗效率最差的。图3示出了等温压缩与绝热压缩能耗曲线，比较可以得出斜率越大压缩能耗效率越低。

图3 等温压缩与绝热压缩能耗曲线对比

现有系统中采用无热再生吸附式干燥机，由于其在再生过程中使用未经加热的压缩空气进行吸附剂再生，消耗的已压缩空气的量通常占产气量的14%～15%。考虑到在0.6 MPa压力下110 ℃饱和湿空气的含水量达到40 ℃的饱和湿空气的6倍以上，通过利用三级压缩的离心机末级排气温度100～120 ℃的余热资源，对吸附式干燥机的再生空气进行加热，则可有效将干燥机再生吸附剂工作流程中所消耗的压缩空气量由14%～15%降至2%～3%。图4示出了余热再生干燥机的流程。

图4 余热再生干燥机流程

2.3 多台螺杆式空压机并联系统改进方案及验证

综上所述，对于本文所讨论的多台螺杆式空压机配置无热再生干燥机的系统，系统节能改造的方案措施分析归纳如下：

（1）提高主设备能耗效率，采用三级压缩的离心式空压机来代替单级压缩的螺杆式空压机。

（2）提高后处理设备能耗效率，采用耗气量更低的余热再生式干燥机替代组合无热再生式干燥机。

（3）提升系统控制水平，降低不必要的母管压力水平和压力波动，通过监测母管压力进行多台空压机联锁控制的方式替代本机压力带错开设定的方式进行系统控制。

系统经过改造后系统如图5所示。

图5 改造后系统

2016至2019年改造前后的用电对比见表1，从表中可以发现，2016年至2019年4月改造前空压站用电占电厂产电比率为0.321 1%，改造后2019年5～10月空压站用电占电厂产电比率为0.145 4%，平均耗电率值可降低0.175 7%厂用电率。空压站节能升级改造后到2019年10月底实现节约厂用电408.751万千瓦，按每千瓦0.332元算，可节约135.705万元，平均每月可节约68万度电，每月节约22.5万元，年效益达到270万元，项目投资回报周期低于2年，效果十分显著。

表1 电厂空压展节能升级改造用电情况对比

3 结语

本文通过对电厂多台螺杆式空压机系统的现状分析，从系统压力带阶梯控制和配套吸附式干燥机的余热利用2个方面进行了理论计算和现状分析，提出了压力带阶梯控制的两大弊端：（1）控制压力带过宽；（2）季节变工况下的不具备自调节能力。这两点都会导致压缩空气系统母管压力的高出设定值和能耗提高。吸附式干燥机利用压缩空气系统余热可有效地将再生压缩空气消耗量从14%～15%的水平降低到2%～3%的较低水平，具备大量的节能空间。通过对系统增加一台三级压缩离心式空压机和配套压缩热再生干燥机，并将整个系统控制系统进行联锁控制后，成功验证并解决上述弊端并实现了整个空压站超过40%的节能效果。