黎明产业园区空压系统综合节能技术优化

乐亮亮

上海黎明资源再利用有限公司

0 引言

空压机是一种用电动机将气体进行压缩的设备，在日常工业生产中应用较为广泛，但同时也是能耗大户。空压机组为生产环节提供特定的压力源或空气流量。已建焚烧厂在无法大规模地改变现有主设备的情况下，通过节流方式提升企业整体的经济效益，而空压机是较好的切入点，因其日常运行中能耗成本占全寿命周期成本比例较大，企业通过对空压机变频改造、热能利用、集中供气等措施，对整个系统进行节能改造［1］。

1 背景概述

黎明产业园区下设有焚烧厂、沼气发电厂、有机质处理厂、建筑垃圾处理厂及填埋场渗沥液处理站。初期设计时未统筹规划，各自为政，独立供气。其中焚烧厂设计压缩空气用量为70 Nm3/ min，选用单螺杆式压缩机组，三用两备，额定流量32.8 Nm3/min，额定压力 0.8 MPa，型号为阿特拉斯 G200。近年来，空压机排气温度频繁上升，换热器清理工作量大，后端带水现象严重。沼气发电厂和有机质处理厂分别配有一台额定流量22 Nm3/min 和 16 Nm3/min 的机组。

整体优化前数据统计，正常运行时焚烧厂两台空压机加载运行，在系统用气量突增时第三台空压机间断运行，日平均加载率约为50%，频繁启停造成电能的浪费。空压机冷却系统采用水冷方式，利用厂内闭式循环水作为冷源吸收空压机转子、润滑油及压缩空气释放出的热能。换热后此部分能量未合理利用，且换热后排气温度依旧较高，温度维持在80～95 ℃。沼气站空压机累计一日加载0.5 h，有机质站空压机累计一日加载1 h。为确保机组的安全、稳定、高效运行，同时节约厂用电、提高整体经济效益，有必要对原空压系统进行升级改造。

2 系统优化方案

本次系统的节能优化分别通过对原分散系统进行整合、机组工频电机及空压机组热能利用三个方向进行。

2.1 园区一体化供气改造方案

1)改造前运行情况

由于项目分批建设，未统一规划园区压缩空气供应方式，在设备选型时都按照最大用气量计算，局部瞬时性负荷是间歇性用气，系统实际的耗气量远低于设计值。空气压缩机运行中频繁发生加/卸载，焚烧厂正常运行中机组的加载率约为55%，沼气、有机质厂加载率仅为30%。频繁的加/卸载造成能源的浪费，存在“大马拉小车”现象，未运行在最佳效率区段。同时，对空压机内部元件造成额外的冲击，产生使用寿命缩短、油气分离器渗油等问题。

2）改造后运行情况

鉴于焚烧厂位于整个园区中心地带，沼气发电厂、有机质处理厂及其扩建项目都分散在焚烧厂的东南西北，呈环形布置。由焚烧厂空压站向园区各分厂统一供气，提高空压机组的利用率，减少不必要的卸载待机耗电，见图1。同时结合变频改造工程，通过增加一套变频控制装置，确保输出稳定的气源压力，降低机组的卸载时间，减少电机的空转，实现节省能源，见图2。变频调整单元具有精确的压力控制能力［2］，使压缩空气输出与末端用户所需要的气量相匹配。变频改造后的机组通过PLC 控制单元、人机界面、变频器、压力传送单元、电动机、螺杆转子构成的闭环偏差调整回路，实时调节得以实现。

图1 园区一体化供气示意图

3）节能控制原理

变频器依据中间储罐压力信号，将其与设定的目标压力进行比较，PID 自动调整电动机转速，实现中间储罐压力与目标压力相一致［3］。当园区压缩空气耗气量增加时，实际压力低于目标压力，变频器自动发出调增信号，电机转速上升，反之降低。周而复始，实时根据储罐压力变化调整，变频改造前后压力波动情况见图2。压力闭环控制系统图见图3。

图2 变频改造前后压力波动情况

图3 压力闭环控制系统图

2.2 热能利用方案

1)改造前运行情况

黎明产业园区内使用的空压机均采用水冷式机组，水源采用闭式循环水，水冷系统在使用过程中经常发生换热器结垢，导致设备换热效果不佳。排气温度明显上升，夏季期间时常超过95 ℃。而螺杆式空气压缩机的额定产气量会随温度的上升而减少，空气压缩机的额定产气量是在81 ℃标定时的产气量。但排气温度每提高1 ℃，产气量就会减少0.3%。大幅影响空压机组的整体效能。原空气压缩机冷却系统组成较为简单，采用闭式循环水作为油气分离器的冷却水源，水质、水量、水温的变化对冷却器的效果都会带来巨大的影响［4］。

2)改造方案

通过对系统的梳理，决定在原油气分离器冷却装置前布置一套热能回收装置，既减少了后端闭式冷却水负荷，减少热污染，同时可以在前段将高品位的热能优先利用，加热生活水，用于员工日常洗浴。改造前后空压机的油冷却器示意图见图4。

图4 改造前后空压机的油冷却器示意图

3)改造后运行情况

本次对空压机油气分离器冷却装置进行改造升级，增加了冷却系统总体的换热面积，降低了机组排气温度。经过半年运行，排气温度控制在80 ℃以下，空压机组的运行效率有所提升。同时运行机组绝大部分热能被有效收集利用。

3 使用效果及经济性

3.1 变频节能效果

此次改造增加的变频设备参数如下：变频器型号VFD-200，空压机电机功率200 kW，建议变频范围35～50 Hz。

园区一体化供气工程完成后，焚烧厂空压机加载率由50%上升至63%。仍有余量为后续有机质扩建项目供气。同时，原沼气发电厂和有机质厂独立空压机均已停用。

原沼气发电厂空压机组的耗电量：

132×5+53.8×55=3 619（kW·min）=60 kWh

原有机质厂空压机组的耗电量：

90×10+36×50=2 700（kW·min）=45 kWh

空气压缩机的实际输出功率计算式见式（1）。

式中：Pw——功率；

k——常数；

P——输出压力；

Q——输出流量。

通过改变供电频率，从而调节负载，对应的产气量Q也随之改变，见式（2）。

式中：F——电机运行频率。

200 kW 的空气压缩机额定输出（即加载状态）功率为Pw=200 kW，母管压力为0.7 MPa，可以计算出：k×Q=200/0.7=285。卸载时的功率为加载时的40%，则PW=200×40%=80 kW。

因电机出厂时有最低转速要求，即满足电机自有的散热要求，因此，设定的最低频率为35 Hz。此时，空压机输出流量为：

所对应的输出功率为：

Pw=0.7 k×P×Q=0.7×285×0.7=140 kW。

对应卸载时的功率：Pw=140×40%=56 kW。

依据厂内实际情况，目前加载率在63%，等于额定产气量的63%，因此，所需功率为：

Pw=63%×200=126 kW。

当频率为35 Hz 的输出功率在140 kW，因此定/变频改造后的加载率约90%，每分钟加载53 s，卸载7 s。

焚烧厂在定频运行时的电能消耗量为：

200×30+80×30=8 400（kW·min）=140 kWh

变频运行后的耗电量：

140×53+56×7=7 812（kW·min）=130 kWh

通过上述节能改造，园区一体化供气+变频控制，每小时节省140-130+45+60=115 kWh。

按照每年运行8 300 h，新能源上网电价0.65元计算，每年可以节约电费

115 kWh×8 300×0.65元=620 425元。

此次改造新增变频设备、材料费及人工费约52万元，按照目前的运行方式，预计12个月内可回本。

3.2 热能利用改造

热能利用改造后，为计算其经济效益，在2018年10月对空压机的运行参数进行测定，相关数据见表1。

表1 空气压缩机冷却系统水源温度

夏季生活水温度25 ℃，冬季8 ℃，春秋15 ℃，产生的热水温度在60 ℃左右，因夏季生活水温较高，产水量较大，机组热回收率60%。

空压机回收热功率：

P1=200 kW×60%=120 kW

夏季生活水温在25 ℃左右，水的比热4 200 kJ/(kg·℃）。

热水产量：

Q=120×3 600÷4 200÷（60-25）=2.9 t/h

基本可以满足厂内员工的洗浴用水，在极端情况下，如下班高峰阶段会有1-2 h需要电加热辅助。

而用电加热制1 t洗浴水（50 ℃），Q=C×M×T每升高1 ℃，Q=4 200×1 000×1=4 200 000 J，损耗记为13%，每度电等于3 600 000 J，每吨水升高1 ℃需1.36 kWh电能，假设自来水的水温18 ℃，则需要32×0.87=27.8元，如每天需用25 t水，则全年费用为25×27.8×365=253 675元。

整体热能利用项目需花费35万元，参照目前的运行方式，预计20个月即可回本。

4 结论

黎明园区一体化供气改造及焚烧厂空压站新增变频装置解决了原空压机组频繁加/卸载的现象，不但起到节能降耗的效果，而且对设备的连续稳定运行创造了较好的外部环境。对空压机组冷却系统升级及热能利用方面，不但解决了夏季排气温度持续偏高的问题，而且“变废为宝”废热回收利用，提高了园区整体的经济性，投运至今近一年时间，运行情况稳定，两项优化工程的投资回收期都在2年以内，效益显著，值得推广。