综述
SUMMARY

压缩空气系统节能应坚持的原则与思维

  对于一家生产制造工厂,排生产计划是司空见惯的事情,但生产主管部门更多考虑的是生产线主设备的问题,而往往忽略了气辅设备——压缩空气系统也有一套运行原则。事实上,主设备决定了工厂是否赚钱,而气辅设备很大程度上决定了赚多少,毕竟压缩空气系统是一只“电老虎”。

  任何工业企业都有生产淡季和旺季,即便在一天当中,用气需求也有大有小,而了解这些需求变化对整个压缩空气系统的影响,是确保供气设备——空压机能够保持预期功能和效率的关键。不管生产负荷如何,确保压缩空气系统以最佳性能运行,是广大空压机用户,以及设备供应商不懈追求的目标。对此,本文提出一些具有普遍参考价值的运行原则和思维模式,供用户借鉴。

  秉持最低供应原则

  空压站在设计、建设之初,必然留有一定裕量以应对满载需求和可能出现的额外需求。但是,当处于生产淡季,或者其它用气需求减少的情况时,空压机仍然满负荷运行必然导致极大的能源浪费。生产淡季往往是压缩空气系统最重要的节能机会。因此,我们在满足生产用气需求的基础上,必须千方百计地减少压缩空气的生产,降低压缩空气没有经济效益的产出与消耗。可采用的方法包括:

  1.减少空载运行时间。我们知道,为了保证高速运行的空压机设备不会重复启动和停机,一般约有10分钟左右的停机延迟,也就是空载。空载期间空压机机头不打气,电机处于无负荷空转状态,但是电机空转时也会耗电,其用电约等于负载时的25%(不同型式、品牌、功率空压机的性能各不相同,此数据仅做说明之用)。如果压缩系统中存在泄漏,空压机可能偶尔切换到负载运行,那将消耗更多的电力来生产压缩空气。在绝大多数工厂,尤其是非连续性的生产场合,下游工况对压缩空气的需求是波动的。因此可以利用这种波动的需求来减少空压机空载运行时间,提高能源应用效率。

  减少空载运行的有效方式之一是采用可靠的空压机控制系统,并进行科学、合理的参数设置。如果是单台空压机,控制系统主要操纵的是设备的加卸载;如果有多台空压机联机,控制系统一般被设置为自动进行各台空压机的加卸载。此时,如果设置不当,即便每次相差3-5秒,压力相差0.1MPa,日积月累,多产生的压缩空气耗电量也非常大。

  在某些规模较大的空压站,彻底关闭一至数台空压机,是减少能耗的重要途径之一。有很多用户习惯于生产期间,让众多空压机随时“待命”,事实上,这一习惯在很多时候没有必要,反而造成了巨大的浪费。生产时间越短,通过关闭空压机而不是让其空载运行,可以节省更多的电力成本。如果生产用气需求减少但我们的供气成本没有减少,就要考虑将工厂中不必要的压缩空气管道区域通过闸阀关闭、隔离,以减少压缩空气压力浪费。

  如果生产线已经停止,一定要手动停止空压机,即使它被集成到一个中央控制器。否则,机器可能会小幅运行,以补偿压缩空气管网中小泄漏造成的失压,而这会造成不必要的能源浪费。

  2.消除漏气现象。很多用户现场有很多耳朵都能听到的泄露,但是都没有被维修,因为很多用户认为这么一点点泄露修了也解决不了问题,或者觉得这么一点小泄漏无足轻重。事实上,这种想法大错特错,压缩空气泄露造成的能源浪费在各种浪费因素中居于首位,占20%至50%。比如,在供气压力为0.7MPa下的气管中一个直径1mm的泄漏小孔,每年导致的损失高达约3525度电,几乎相当于两个三口之家的全年家庭用电,而且绝大多数泄漏是人耳无法听到的。

  除了直接泄漏的压缩空气造成能源浪费外,泄漏还会造成整个压缩空气系统压力下降。如果要保证压力,就需要提高空压机排气压力或者额外启动其它供气设备,进一步提高能耗成本。

  泄露对于压缩空气系统的损害不仅仅是能源浪费。存在泄露的干燥压缩空气系统就像海绵一样,会源源不断地吸收大气中的水分,从而影响压缩空气品质。管道内部湿度变大,腐蚀加剧,泄露会变得更加严重,形成恶性循环。

  根据现场经验,当对压缩空气管网进行系统化地解决泄露时,第一期维修补漏工作完成后,有可能出现泄露率不降反升的情况。原因是维修泄露点后,我们对空压机的排气压力一般并不会特别调整,这就导致整个系统压力上升,之前本来没有泄露的地方在过高压力下开始泄露了。这时需要再进行一轮查漏补漏,泄露率才会真正开始下降,然后通过调整空压机排气压力,将压缩空气系统压力调整至最经济状态。

  3.降低供气压力。由于管道压力损失不确定,设备启动存在流量高峰等原因,空压机的供气压力常常比用气端要求压力高出0.2MPa~0.3MPa,在泄漏量大的时候压力会更高。而末端设备每提高0.1MPa,空压机的耗电就提高4%~8%。有时会为了少数几台压力要求高的设备,而调高整个供气管网系统的压力,导致能源浪费严重。

  据美国数据统计,每减少1%的PSI将有2%的能源节省。所以我们在保证用气需求的基础上,要尽可能的调低供气压力,并尽量压缩最低与最高压力之间的范围。这可以通过自动控制系统来实现,如有必要,可以设置不同的压力档,以满足不同的用气需求。

  4.余热回收。压缩空气虽然用途广泛,却是一种“奢侈”的能源,其生产过程中消耗了大量的能源。根据美国能源署统计,空压机在运行时,真正用于增加空气势能所消耗的电能,在空压机总耗电量中只占很小的一部分,约为15%,大约85%的电能转化为热量,通过风冷或者水冷的方式排放到空气中。这些损失的热量中有70-94%是可以被回收利用的,折合压缩机的轴功率约为60-80%。空压机可以回收的余热取决于设备的大小和运行时间。从压缩空气中回收热量可以减少外购能源,如煤炭、电力、天然气、暖气、热水等的需求,从而降低运营成本和二氧化碳排放量。在国家能耗“双减控”和碳交易的大背景下,可产生更大的经济与社会效益。

  5.选购变频空压机。相对于工频空压机,变频空压机的出现不是为了全速连续运行。它做的不仅仅是加载和卸载,而是可以精确地将压缩空气输出与需求相匹配。因此,变频空压机是有波动需求的企业的理想选择。压缩空气的需求在不同工作岗位之间存在显著差异;需求随班次、工作日或季节性波动,如果工厂是这种工况,推荐优先考虑变频空压机。还可以考虑将工频空压机和变频空压机结合在一起的解决方案,工频空压机提供基本负载,一个或多个变频空压机“微调”以满足用户需求变化。

  须有系统性思维

  首先,压缩空气系统为整个工厂的生产提供动力,没有压缩空气,生产就无法正常进行! 所以将压缩空气设备列在生产计划之中通盘考虑非常重要。其次,压缩空气系统核心是空压机,但抓住了核心不等于可以忽略其它,所以要重视空压机以外的设备与要素,比如后处理设备等。

  当生产扩大,需要增加供气量时,我们要考虑目前的空压机是否有能力满足产量增加带来的用气需求?是否要购买一台额外的空压机来跟上增加的需求?保留旧的空压机作为备用机,可能会节省购买一台大型空压机的费用。

  当接入压缩空气系统的空压机增加后,更多的压缩空气=更多的下游水分。生产系统是否准备好处理因压缩空气量增加而产生的额外水分?湿气会对压缩空气装置和终端工艺造成损害。在增加压缩空气供应之前,建议先确定原有的干燥方法/配置是否能够有效处理系统中增加的水分。

  当接入压缩空气系统的空压机增加时,也须考虑是否有足够的存储空间。储气罐具有稳定气压和储存空气的作用。使用储气罐可以把气压控制在合适的范围内,消除管路中气流的脉动,满足用气设备突然用气量加大的需求,确保更稳定地用气,从而避免空压机频繁启停,达到节能的目的。

  当确定需要增加空压机设备以提高产气量时,我们要优先考虑新技术。在过去十多年中,压缩空气技术取得了巨大的进步,衍生出很多新概念、新理念和新产品。那么,在采购时,我们就不能抱着固有的陈旧理念去选型。

  当空压机的使用时间超过10年,即便设备完好,我们也要考虑其能效水平,如有必要可进行节能置换。毕竟设备初期投资只占15%,使用期间的维护、管理成本占15%,70%的成本源于能源消耗。

  相信专业,用数字说话

  任何投资都应该有明确的回报和投资回报率,压缩空气系统同样如此,这是商业行为的本质。但要实现高额回报,不应依赖直觉和“大概、或许、可能”,而是要用数字说话,精确地计算成本、产出和利润以及效率。

  数字化背后是被行业划归到整机、后处理、润滑油之后的计量、监控行业以及物联网、大数据。事实上,随着工业科技的发展,压缩空气系统能效等级的提升、产气品质的提升,仅靠简单的用眼看、用手摸、用耳听已无法满足“锱铢必较”的利润提升需求,必须要用更加科学、智能、全面、实时的专业工具和专精的服务来帮助用户确定效率基准线,找到扩张的方法,或在需求放缓时确保效率。换句话说,就是要相信专业人员、企业和工具的力量,用数字说话。

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