压缩空气网络的无人值守和节能优化研究

潘 东，丁 煜，林旭升，陶卫兵，朱世凯

(1.北京康吉森自动化科技有限公司，北京 101318；2.中石化镇海炼化公司，江苏 宁波 315207；3.西安富邦智控工程有限公司，陕西 西安 710070)

0 引言

压缩空气常被称为继水、电、煤之后的第四种能源[1]。压缩空气通常是由电能转化而来的，也有部分是由蒸汽透平驱动转化而来的。压缩空气便于控制，能够灵巧而精确地完成指定的动作;有良好的缓冲作用;工作过程中不发热，而且没有污染。相对于电力，压缩空气还具有以下特点：不产生火花；不怕超负荷；无触电危险；工作环境不受限制，即使在湿度大、温度高或者灰尘多的环境依然可以工作。此外，压缩空气系统的主要元器件成本较低，系统也相对容易维护。因此，压缩空气系统被广泛应用于各种工业领域，包括钢铁、石油、天然气、食品、纺织、半导体、液晶、药品、医疗、分析仪器、洗净等行业。

因为消耗电能转化成压缩空气能的比例相对较低，所以压缩空气也是一种昂贵的能源。现阶段，我国大多数生产企业全部电力消耗的5%～35%是压缩空气能源消耗[2]。压缩空气系统的能耗已经成为现代工业的主要能耗之一[3]。美国等国家的全国工业总耗电量的9%左右也是用于压缩空气系统的能耗[4]。而欧洲国家在压缩空气方面的耗电约占其工业总耗电量的10%[5-6]。在我国，2010 年空气压缩机的耗电量高达 2 700亿度，约占全国工业总用电量的8.7%[7]。其中，工业压缩机的耗电占压缩空气系统能耗的96%[8]。空气压缩机全生命周期成本中(以10年为周期)，能源成本占比高达 78%，而采购成本仅占 16%左右[9]。

本文重点研究了在单台空气压缩机自动控制的基础上，对压缩机的负荷分配、启停调度等优化策略。通过优化策略，使整个压缩空气网络既能满足各种工况的工艺要求，又能有效地降低操作人员劳动强度，从而实现节能降耗。

1 压缩空气网络研究现状分析

在我国工业企业的工厂中，现有的压缩空气系统仍然有15～30%的节能空间[10]。压缩空气系统能源效率不高的原因是多方面的。

首先是工厂自动化程度低。很多企业实现了单机的自动控制，但没有实现整个压缩空气网络的自动控制。以某企业的改造前状况为例[11]。该企业有5台40 m3和1台20 m3空气压缩机。6台空气压缩机除并管联网向各车间供气外，本身各自独立运行，全部由值班员人工进行启停控制。受市场波动的影响，各生产线设备开动情况随订单量的变化而变化，导致生产设备不同时期及同一天的不同时段，对压缩空气需求量的变化很大。而值班室只有1块机械式的气压表监控总管压力，空气压缩机的状态全靠值班人员定时巡查掌握，每班应开几台机全凭值班员经验决定。值班员为了满足各车间用气需要，往往多开机组，导致有的机组长时间卸载运行，消耗大量无用电能。根据数据收集阶段的统计，机组的平均卸载运行时间超过 30%，个别机组超过 60%，浪费惊人。有时，车间现场气压已低于关键设备要求的最低工作压力，引起设备报警停机，可值班员并没有及时启动后备机组。

其次是压缩气体的使用成本被忽略。工业企业用户普遍有这样的一个错误认识，认为压缩空气来自于大气，数量巨大，而且不需要任何成本。所以压缩空气在使用的过程中大多存在多种不合理使用的情况，如泄漏、排空、减压使用、给废弃的设备供气等，造成巨大的浪费。

第三是优化调节手段的欠缺。改变压缩空气网络整体状况的手段多种多样，包括启停控制、加卸载控制、进口调制(容调)、变频控制、台数控制等。但不同调节手段的调节能力、能效水平、附带影响均不相同。如压缩机空载启动电流大约是额定电流的5～7倍，可能对电气设备形成冲击，频繁启停会导致电机寿命缩短；压缩机在卸载状态下一般仍需消耗大约 30%的功率；进口调制的吸气节流模式只能在一定范围内使压缩机排气量与实际消耗流量相匹配等。在满足工艺生产需求的条件下，综合考虑各方面的因素，选择合适的调整方案，是一个复杂的优化问题，难以靠人工、凭经验解决。

当前，国家明确提出“3060”双碳目标，要求CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。压缩空气的“含碳量”也必将成为各用户企业关注的问题。根据压缩空气网络的实际运行工况和负载变化情况，应用仿真建模、操作优化、控制优化等系统工程理论技术，找到空气压缩机群的最佳运行状态、加卸载压力、控制策略、启停规则，实现压缩空气系统能耗的减少和供气成本的降低，可以有效帮助企业降低压缩空气的“含碳量”，对实现“3060”双碳目标具有重要的实际意义。

2 压缩空气网络无人值守和节能优化方案

2.1 总体架构

压缩空气网络无人值守与节能优化系统结构如图1所示。

图1 压缩空气网络无人值守与节能优化系统结构

压缩空气广泛应用于生产过程的各个环节，因此空气压缩机及其控制系统往往在企业的多个位置都有布署。要实现压缩空气网络无人值守和节能优化，首先需要利用网络连接所有的压缩机控制系统，并在网络中增加能效分析服务器和负荷调度控制器，分别用于系统能效监控和总体分配调度。其中，负荷调度控制器通常采用兼具高可靠性和高可用性的硬件平台，确保其作为整个系统管控中枢的稳定性。

2.2 技术实现

压缩空气网络的无人值守和节能优化总体目标，可以分解为7个子目标。

①单台空气压缩机的自动启停。

②单台空气压缩机的自动加载卸载。

③单台空气压缩机的节能优化控制。

④空气压缩机群的实时能效监控。

⑤空气压缩机群的负荷分配。

⑥空气压缩机的自动启停决策。

⑦异常工况/事故工况下的应急处置。

2.2.1 基础信息收集

压缩空气网络的全面基础信息收集是优化负荷分配、加卸载、启停决策的基础。所需收集的基础信息如下。

①系统内空气压缩机的台数、种类、型号和额定排气量等参数。

②空气压缩机负荷的可调区间。

③空气压缩机的检维修周期。

④空气压缩机驱动电机在电气系统里的分布情况。

⑤空气压缩机驱动汽轮机在蒸汽平衡中的调节空间。

⑥空气压缩机和主要用气设备的空间分布情况。

⑦用气设备的用气量、用气时间、用气压力的变化情况等。

2.2.2 单台空气压缩机的全自动操作和节能控制

单台空气压缩机的全自动启停、加卸载、负荷调整和节能控制是压缩空气网络无人值守和节能优化的基础。在实际应用中，应通过资料查询、历史数据统计分析、现场测试等方法，确定负荷调整空间；投用节能控制手段，降低单机能耗；缩短空气压缩机的启停时间，提升对压缩空气需求的应急响应能力。

由于不同空气压缩机的型式、厂家和应用环境不同，单台空气压缩机的自动启停、自动加载卸载、节能优化控制的实现方式不尽相同，在此不再细述。

2.2.3 能效监控

实际生产中，多数空气压缩机工作在非额定工况，效率与额定值相差较大。而且机组长期运行，换热器脏堵、缸体内部结垢，都会造成能耗上升、效率下降。在压缩空气网络中要调整空气压缩机的负荷，以满足工艺生产的需求时，空气压缩机的能效水平是关键寻优参数之一。

空气压缩机能效实时监控模块从各空气压缩机的控制系统中采集空气压缩机入口的温度、湿度；出口温度、压力、流量；驱动端的输入功率等参数(电机驱动的使用电机电流、电压；汽轮机驱动的则需要根据汽轮机出入口的相关数据进行输出功率计算)。利用这些参数，根据热力学原理，在线计算出压缩机每个区段的内功率和多变效率。空气压缩机能效实时监控模块结构如图2所示。能效计算结果通过过程控制的对象链接与嵌入(object linking embedding for process control,OPC)输出到负荷分配模块，作为机组负荷调节和启停调度的依据。

图2 空气压缩机能效实时监控模块结构

2.2.4 负荷分配

当压缩空气网络的用气量发生变化时，应及时选择适当的空气压缩机进行负荷调整，以响应用气需求，避免压缩空气网络的压力发生大幅波动。负荷分配的调整原则如下。

①就近原则：当可以明确变动用气量的用气设备位置时，采用就近原则调整空气压缩机负荷，以满足用气需求。

②均衡原则：每组空气压缩机中各台空气压缩机的能效基本均衡。如果是同型号的空气压缩机群，也可以按负荷均衡简化处理。

③裕量原则：所有空气压缩机的富余负载能力之和应能满足最大单次变动量的要求。其中，最大单次变动量是指在单台空气压缩机完成启动、加载和升负荷的时间内，可能发生的最大用气波动量。在分析最大单次变动量时，是否要考虑事故状态的特殊用气量，需要根据用气单位事故风险等级确定。

负荷分配控制器结构如图3所示。

图3 负荷分配控制器结构

2.2.5 启停机自动决策

启停机自动决策是实现无人值守的关键环节。系统应能根据用气需求的变化，综合考虑各方面的因素，优选合适的空气压缩机，将其启动或停止。启机决策依据如下。

①已启动机组的富余总负荷不能满足单次最大用气变动量的要求。

②待启动机组的能效水平。

③待启动机组满足电气系统的约束要求。

④待启动机组满足本检修周期内运行时间均衡的要求。

⑤在用的空气压缩机发生可检测的故障或隐患。

⑥其他用户特定的空气压缩机使用调度要求。

完成空气压缩机的启动后，应对在用机组进行重新的负荷分配，保证压缩空气网络的整体效率。

停机决策依据如下。

①已启动机组的富余总负荷超过单次最大用气变动量，且停用待停机组后仍能满足。

②待停机组的能效水平。

③待停机组满足电气系统的约束条件。

④待停机组满足本检修周期内运行时间均衡的要求。

⑤在用机组发生可检测的故障或隐患。

⑥其他用户特定的空气压缩机使用调度要求。

2.2.6 异常工况/事故工况的应急处置

异常工况/事故工况发生时，负荷调度控制器应采取应急响应措施，保证整个压缩空气网络运行的稳定性。应急处置措施如下。

①当正常运行时，如电流信号丢失，则判断为此台空气压缩机故障。此台空气压缩机将从负荷分配控制中退出，并自动卸载停车，同时将按顺序启动第一顺位的备用空气压缩机。

②当单台空气压缩机联锁停机时，此台空气压缩机将退出负荷分配，同时将按顺序启动第一顺位的备用空气压缩机。

③当单台压缩机处于联锁或检修状态时，此台空气压缩机将从启停顺控中切除。

④启动/停止过程中，如在一定时间内未收到电机运行信号，则判断为启动/停止失败。此时，系统将自动启动/停止下一顺位空气压缩机。

3 应用分析

某集团炼钢分厂的一个空压站安装了7台1 000 kW级别的组合齿轮式离心式空气压缩机。改造优化前，空气压缩机运行不能按照需求变化进行自动调整，采用高负荷运行模式，能效低下，造成能耗浪费严重。通过布置压缩空气网络无人值守与节能优化系统，应用空气压缩机组性能控制、自动启停、负荷自动调度等技术，使工厂压缩空气系统节能率达到了10.7%。

某石化企业新建乙烯装置的空气压缩站共8台电机拖动空气压缩机，其中4台由协调控制系统(coordination control system,CCS)控制，另外4台由分布式控制系统(distributed control system,DCS)控制。其中，4台空气压缩机K601-K604配置4套单独的CCS。4套单独的CCS实现单台机组的启动、停止及自动加载调节负荷功能。DCS控制K605～K608的自动启停和负荷控制。负荷调度控制器总体控制K601～K608的负荷分配和启停调度决策，实现了空气压缩机群的无人值守和全自动控制，保证母管及输出管线的压力稳定。

通过实施压缩空气的无人值守和节能优化，实现了5套系统8台空气压缩机的自动调度；单台空气压缩机的自动启停及加载卸载；空气压缩机的自动启停顺序判断；空气压缩机自动投用性能控制；空气压缩机的负荷分配；不同工况下的机组启停方案。实际运行中，压缩空气输出压力波动小于0.01 MPa。

4 结论

压缩空气在现代工业中的应用极广，但大部分企业对于压缩空气的自动化水平和节能空间认识不足，普遍存在较为严重的浪费现象。

本文提出的压缩空气网络无人值守和节能优化解决方案可以有效地帮助企业提高自动化水平，减轻一线员工的操作负荷，降低能耗水平和压缩空气的“含碳量”。当然，要提升压缩空气网络的综合运行水平，还需优化初始的设计方案，加强日常的生产管理，才能使技术发挥最大的效用。