壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化探討壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化探討 趙 利 平 （首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司能源與環(huán)境部，河北唐山０６３２００） ［摘 要］：隨著我國(guó)碳達(dá)峰 和碳中和 目標(biāo)的提出，意味著高能耗企業(yè)......
壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化探討
（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司能源與環(huán)境部，河北唐山０６３２００）
［摘 要］：隨著我國(guó)“碳達(dá)峰” 和“碳中和” 目標(biāo)的提出，意味著高能耗企業(yè)不僅要為能源直接消耗買(mǎi)單，還要為超標(biāo)的碳含量買(mǎi)單。壓縮空氣具有潔凈、易調(diào)節(jié)、輸送便捷的特點(diǎn)，因此被廣泛使用，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，空氣壓縮機(jī)用電量占全國(guó)發(fā)電總量的９５％ ～１０％，在工業(yè)領(lǐng)域空壓機(jī)占企業(yè)用電的１０％ ～３５％之間，個(gè)別行業(yè)占比６５％之多。從壓縮空氣零放散、壓縮空氣系統(tǒng)降壓運(yùn)行、優(yōu)化控制系統(tǒng)出發(fā)，對(duì)影響壓縮空氣節(jié)能潛力進(jìn)行探討，以適應(yīng)當(dāng)下的節(jié)能減排要求。
［關(guān)鍵詞］：壓縮空氣；零放散；降壓運(yùn)行；控制
中圖分類(lèi)號(hào)：ＴＨ４５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ｂ
文章編號(hào)：１００６－２９７１（２０２２）０４－００５６－０４
節(jié)能降耗、高效環(huán)保是目前乃至將來(lái)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢(shì)和潮流，因此眾多的鋼鐵企業(yè)把深挖設(shè)備技術(shù)潛力、減少能源消耗、降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本、開(kāi)展節(jié)能增效作為企業(yè)發(fā)展和生存的根本。在鋼鐵企業(yè)中壓縮空氣是必不可少的能源介質(zhì)，空壓機(jī)的電力消耗巨大，因此如何科學(xué)管理壓縮空氣系統(tǒng)、降低空壓機(jī)能耗，已成為各大鋼鐵廠(chǎng)能源管理人員和技術(shù)操作人員研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。
某大型鋼鐵公司設(shè)計(jì)年產(chǎn)鐵１３４７萬(wàn)噸、鋼１３７０萬(wàn)噸、鋼材１３４０６萬(wàn)噸，配套有７座空壓機(jī)站，按照相對(duì)集中的供氣模式分布，根據(jù)用能負(fù)荷，在主要用戶(hù)附近就近建立空壓機(jī)站。其中包括２７臺(tái)流量２５０Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ、壓力０.８５ＭＰａ儀表用空壓機(jī)，４臺(tái)流量１００Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ、壓力０.８５ＭＰａ儀表空壓機(jī)；５臺(tái)流量４００Ｎ· ｍ３／ｍｉｎ、壓力０.５５ＭＰａ煉鋼連鑄霧化空壓機(jī)，壓縮空氣系統(tǒng)日總耗電量為１３０萬(wàn)ｋＷ，占公司日總用電比例約為５％，本文以某大型鋼鐵公司壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能應(yīng)用實(shí)例展開(kāi)探討，供同行業(yè)參考。
２ 壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能分析及應(yīng)用
某大型鋼鐵公司現(xiàn)裝備連鑄機(jī)４臺(tái)，每臺(tái)鑄機(jī)２流，共計(jì)８流。板坯規(guī)格為：１＃、２＃鑄機(jī)規(guī)格相同（分０～１９段），２１５０ｍｍ；３＃、４＃鑄機(jī)規(guī)格相同（分０～１９段），１６５０ｍｍ，每臺(tái)鑄機(jī)設(shè)計(jì)拉速０.３～２.３ｍ／ｓ。連鑄霧化壓縮空氣使用的是由能源與環(huán)境部煉鋼空壓機(jī)站提供的普通壓縮空氣（壓縮空氣含水），其中１＃、２＃鑄機(jī)設(shè)計(jì)壓縮空氣平均使用量為３７３Ｎ· ｍ３／ｍｉｎ，最大使用量為４３４Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ，３＃、４＃鑄機(jī)設(shè)計(jì)壓縮空氣平均使用量為３１７Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ，最大使用量為３６５Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ。隨著鋼品種結(jié)構(gòu)調(diào)整，連鑄工藝變化，連鑄用壓縮空氣所需用量減少，實(shí)際用風(fēng)量較初始設(shè)計(jì)低，通過(guò)對(duì)煉鋼作業(yè)部４臺(tái)鑄機(jī)實(shí)際用量統(tǒng)計(jì)分析，目前１＃、２＃鑄機(jī)分別對(duì)壓縮空氣需求為３２０～３８３Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ，與初設(shè)基本一致；３＃、４＃鑄機(jī)目前分別對(duì)壓縮空氣需求為２１６～２８３Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ，與初設(shè)需求量偏差較大。
當(dāng)３＃和４＃鑄機(jī)有一臺(tái)鑄機(jī)在線(xiàn)生產(chǎn)時(shí)，空壓機(jī)進(jìn)入節(jié)流模式，入口導(dǎo)葉進(jìn)入最小運(yùn)行角度時(shí)，放散閥開(kāi)至１５％ ～２５％，約８０００Ｎ·ｍ３／ｈ壓縮空氣放散；當(dāng)３＃和４＃鑄機(jī)同時(shí)澆鋼時(shí)，放散閥開(kāi)至２０％ ～３５％，約１１０００Ｎ·ｍ３／ｈ壓縮空氣放散。煉鋼連鑄４臺(tái)交替運(yùn)行，３臺(tái)鑄機(jī)同時(shí)生產(chǎn)平均２０ｈ／ｄ，１＃、２＃鑄機(jī)搭配３＃、４＃鑄機(jī)任意一臺(tái)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，平均放散量為９５００Ｎ· ｍ３／ｈ， 日放散量為７６０００Ｎ·ｍ３／ｄ，空壓機(jī)運(yùn)行過(guò)程中存在壓縮空氣放風(fēng)情況，造成能源介質(zhì)浪費(fèi)，運(yùn)行電耗高的問(wèn)題。
以實(shí)現(xiàn)能源價(jià)值、能源效率的最優(yōu)匹配，追求冶金企業(yè)能源流有序運(yùn)行為目標(biāo)，通過(guò)研究分析決定在煉鋼空壓機(jī)站空位增加一臺(tái)額定壓力０.５５ＭＰａ，流量為２００～２５０Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ節(jié)能型離心式空壓機(jī)，由于現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有預(yù)留機(jī)位，需要增加設(shè)備基礎(chǔ)，同時(shí)配套空氣過(guò)濾器、配電系統(tǒng)、控制系
新增空壓機(jī)投運(yùn)后當(dāng)１＃、２＃鑄機(jī)任意一臺(tái)或兩臺(tái)在線(xiàn)運(yùn)行時(shí)匹配等數(shù)量４００Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ空壓機(jī)；當(dāng)３＃、４＃鑄機(jī)在線(xiàn)運(yùn)行一臺(tái)時(shí)匹配２５０Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ空壓機(jī)；３＃、４＃鑄機(jī)兩臺(tái)同時(shí)在線(xiàn)運(yùn)行時(shí)匹配一臺(tái)４００Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ和一臺(tái)２５０ｍ３／ｍｉｎ空壓機(jī)，根據(jù)用戶(hù)實(shí)際需求量， 匹配等流量空壓機(jī)?，F(xiàn)有４００Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ功率為２４２４ｋＷ，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)耗電量為２０００ｋＷ·ｈ，新增機(jī)組功率約１２００ｋＷ，煉
鋼連鑄４臺(tái)交替運(yùn)行，３臺(tái)鑄機(jī)同時(shí)生產(chǎn)平均１５ｈ／ｄ，日節(jié)省耗電量約１２０００ｋＷ，折合人民幣５１６０元，全年經(jīng)濟(jì)效益約１８１萬(wàn)元。
２.２ 儀表壓縮空氣系統(tǒng)降壓節(jié)能運(yùn)行
在與同行業(yè)先進(jìn)鋼鐵廠(chǎng)對(duì)標(biāo)中發(fā)現(xiàn)，先進(jìn)鋼廠(chǎng)儀表壓縮空氣管網(wǎng)壓力僅為５.５ｋｇｆ／ｃｍ２，而本大型鋼鐵公司儀表壓縮空氣管網(wǎng)運(yùn)行壓力６.５ｋｇｆ／ｃｍ２，管網(wǎng)運(yùn)行壓力高出１ｋｇｆ／ｃｍ２，據(jù)技術(shù)統(tǒng)計(jì)壓縮空氣管網(wǎng)壓力降低０.１ＭＰａ，對(duì)于成本可降低８％，節(jié)能空間較大。
通過(guò)反復(fù)研究測(cè)算及實(shí)地考察，除燒結(jié)氣力輸灰、質(zhì)檢驗(yàn)部冶煉分析中心試樣輸送用氣壓縮空氣壓力需要超過(guò)０６５ＭＰａ外，其他用戶(hù)壓縮空氣用戶(hù)在管網(wǎng)壓力０.６ＭＰａ即可滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，因此提出通過(guò)改變壓縮空氣管網(wǎng)運(yùn)行方式，將壓縮空氣要求壓力高的生產(chǎn)單元獨(dú)立出來(lái)，單獨(dú)供氣，優(yōu)化壓縮空氣供氣模式，降低整體壓縮空氣管網(wǎng)壓力，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，具體實(shí)施方案為：
（１）燒結(jié)空壓機(jī)站現(xiàn)有３臺(tái)２５０Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ機(jī)組，全部給Ｂ管供氣，兩用一備，Ｂ管再專(zhuān)供燒結(jié)東管，保證氣力輸灰生產(chǎn)線(xiàn)、冶煉分析中心壓力０.６５ＭＰａ以上。
（２）增加兩組調(diào)節(jié)閥組，與公司管網(wǎng)Ａ管聯(lián)通。管網(wǎng)如圖１。
空壓機(jī)站Ｂ管單獨(dú)給燒結(jié)東管供氣，關(guān)閉藍(lán)色色圈內(nèi)的閥門(mén)。在如圖位置Ｃ處安裝調(diào)壓閥組，在專(zhuān)供Ｂ管壓縮機(jī)突然停車(chē)時(shí)，通過(guò)綜合管網(wǎng)快速供氣，保燒結(jié)區(qū)域用戶(hù)受影響最小。在空壓機(jī)站內(nèi)增加調(diào)節(jié)閥組，當(dāng)Ｂ管壓力高時(shí)，向管網(wǎng)供氣，減少放散。通過(guò)將燒結(jié)空壓站由２＃、３＃機(jī)單獨(dú)供燒結(jié)區(qū)域高壓管網(wǎng)，燒結(jié)１＃機(jī)出口閥有３０％高壓聯(lián)通低壓，用來(lái)保證燒結(jié)高壓管網(wǎng)壓力正常，同時(shí)從燒結(jié)高壓壓縮空氣管網(wǎng)取點(diǎn)引出一根管至質(zhì)檢驗(yàn)冶煉分析中心，從燒結(jié)高低壓管網(wǎng)趨勢(shì)看到，此期間燒結(jié)高壓管網(wǎng)在６.３７～７.０７ｂａｒ之間，低壓管網(wǎng)在５.８～６.０ｂａｒ之間，均可以滿(mǎn)足高低壓用戶(hù)要求。
項(xiàng)目實(shí)施后節(jié)能效果立竿見(jiàn)影，通過(guò)降低儀表壓縮風(fēng)管網(wǎng)壓力減少了２臺(tái)２５０Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ在線(xiàn)運(yùn)行空壓機(jī)，通過(guò)減少空壓機(jī)在線(xiàn)運(yùn)行臺(tái)數(shù)和時(shí)間從而達(dá)到節(jié)約電量的目的，與同期相比，上半年共節(jié)電量約２８００萬(wàn)ｋＷ·ｈ，節(jié)約成本約１１２０萬(wàn)元。
２.３ 壓縮空氣控制系統(tǒng)植入智能ＤＮＡ
某大型鋼鐵企業(yè)空壓機(jī)站實(shí)行無(wú)人值守定點(diǎn)巡視模式，將所有空壓機(jī)站數(shù)據(jù)上傳至煉鋼空壓機(jī)站，壓縮空氣控制系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷需要發(fā)出加／卸載命令時(shí)，系統(tǒng)只能按照原先設(shè)定好的壓力對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行加／卸載，或者通過(guò)人為經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行加／卸載，然而這種加卸載方式存在很多不合理的地方。例如當(dāng)管網(wǎng)壓力不能滿(mǎn)足用戶(hù)需求，然而此時(shí)用戶(hù)增加用風(fēng)量較少，波動(dòng)范圍不大，若此時(shí)加載一臺(tái)２５０Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ空壓機(jī)，則系統(tǒng)會(huì)存在“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象；若用戶(hù)用量較大，需要匹配一臺(tái)２５０Ｎ· ｍ３／ｍｉｎ空壓機(jī)，而實(shí)際啟動(dòng)了一臺(tái)１００Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ空壓機(jī)，由于一臺(tái)１００Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ空壓機(jī)滿(mǎn)足不了生產(chǎn)需求，還需要再啟動(dòng)２臺(tái)空壓機(jī)，這就會(huì)造成原本可以開(kāi)一臺(tái)２５０Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ空壓機(jī)就能滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，變?yōu)殚_(kāi)啟３臺(tái)１００Ｎ·ｍ３／ｍｉｎ空壓機(jī)，這樣就會(huì)造成很大的資源浪費(fèi)。而且壓縮空氣系統(tǒng)各站是獨(dú)立控制，未實(shí)現(xiàn)整個(gè)壓縮空氣管網(wǎng)的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化、系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)量精細(xì)調(diào)節(jié)功能，壓縮空氣總產(chǎn)量只能通過(guò)開(kāi)停機(jī)、加／卸載進(jìn)行粗放調(diào)整，從而造成了能源浪費(fèi)。
通過(guò)建立調(diào)度智能控制模型，采用自平衡算法來(lái)優(yōu)化調(diào)度機(jī)組的運(yùn)行，它是基于容量匹配和運(yùn)行時(shí)間平衡的算法。由于系統(tǒng)中設(shè)備容量存在差異，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)計(jì)算用氣設(shè)備的需求容量，并通過(guò)調(diào)節(jié)ＩＧＶ、增投、減投或換機(jī)（用較小容量機(jī)組替換較大容量機(jī)組）進(jìn)行自動(dòng)容量匹配，優(yōu)化調(diào)度各設(shè)備工作時(shí)段，盡量減少無(wú)功運(yùn)行。
而系統(tǒng)進(jìn)行容量匹配，需要調(diào)節(jié)ＩＧＶ、增投、減投或換機(jī)時(shí)，會(huì)自動(dòng)平衡各設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，即每次開(kāi)機(jī)前系統(tǒng)均比較各臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，使運(yùn)行時(shí)間最短的設(shè)備最先起動(dòng)，運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的最先關(guān)機(jī)，從而達(dá)到均勻各設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的目的。這樣，能夠使整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備時(shí)刻保持最佳工況，使系統(tǒng)獲得!可靠性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的控制效果。優(yōu)化調(diào)度控制策略原理如圖３所示。
壓縮空氣智能管控系統(tǒng)及優(yōu)化集成技術(shù)主要包括用戶(hù)末端減壓節(jié)能技術(shù)、壓縮空氣產(chǎn)量智能調(diào)控技術(shù)、壓縮空氣輸送智能匹配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了壓縮空氣系統(tǒng)可以根據(jù)用戶(hù)使用情況優(yōu)化調(diào)配各空壓站生產(chǎn)規(guī)模、精細(xì)化調(diào)整總產(chǎn)量，從而使各個(gè)用戶(hù)端壓力保持在穩(wěn)定而最經(jīng)濟(jì)水平，使壓縮空氣系統(tǒng)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)優(yōu)化節(jié)能，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)用戶(hù)側(cè)壓力數(shù)據(jù)按照就近生產(chǎn)原則調(diào)節(jié)各空壓機(jī)站壓縮空氣產(chǎn)量，使用戶(hù)壓力穩(wěn)定保持在最佳水平，避免遠(yuǎn)距離輸送，使壓縮空氣系統(tǒng)在輸送環(huán)節(jié)優(yōu)化節(jié)能，在用戶(hù)側(cè)應(yīng)用末端減壓節(jié)能裝置，減少用戶(hù)壓縮空氣用量，使壓縮空氣系統(tǒng)在使用環(huán)節(jié)優(yōu)化節(jié)能。最終使壓縮空氣管網(wǎng)平均壓力由０.５８ＭＰａ下降至目前的０.５５ＭＰａ，壓縮空氣平均電耗下降０.００８ｋＷ·ｈ／Ｎｍ３，使用戶(hù)壓縮空氣使用量下降６％。
壓縮空氣節(jié)能降耗是要從整個(gè)系統(tǒng)入手，以“源頭控制、過(guò)程管控、末端治理” 的原則實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化霧化用壓縮空氣運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)了霧化用壓縮空氣零放散，減少了霧化用壓縮空氣生產(chǎn)和供應(yīng)，能源消耗隨之降低；摸排生產(chǎn)用戶(hù)用能需求，提出壓縮空氣分壓力等級(jí)供能，對(duì)個(gè)別高壓用戶(hù)單獨(dú)供風(fēng)，同時(shí)對(duì)低壓儀表壓縮空氣用智能化手段撬動(dòng)精細(xì)降本對(duì)新動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空壓機(jī)機(jī)群智能調(diào)控。以上措施實(shí)施后，壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，壓縮空氣實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排不僅有助于降低鋼鐵行業(yè)碳排放量，也能為全社會(huì)推進(jìn)節(jié)能減排做出巨大貢獻(xiàn)。
［１］ 張靜，王偉業(yè)，魏唐槐，安永軍．大型鋼鐵企業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能
措施［Ｊ］．冶金能源，２０１９，（２）：１１－１３．
［２］ 周佃民．壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)綜述［Ｊ］．上海節(jié)能，２０１０，（１０）：
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